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RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

Capítulo IV

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CAPÍTULO IV

1. ANÀLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS

En este capítulo están contenidos los hallazgos de la investigación como

consecuencia del trabajo de campo y la aplicación de distintas herramientas

diseñadas para cumplir exitosamente con los objetivos de la investigación.

1.1. DEFINICIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES

Para darle cumplimiento a la primera actividad de la investigación,Definir

el funcionamiento del sistema, en correspondencia con la primera fase de

la metodología referente a la Definición de las Especificaciones del

proyecto, se determina que, el sistema funciona como un computador

personalque debe cumplir con ciertos objetivos tanto a nivel de hardware

como de software.

En cuanto a objetivos de hardware se determinó el uso de una placa

base de bajo costo. Adicionalmente, se integrarán al sistema circuitos

electrónicos para lograr la correcta incorporación de una batería y un

amplificador de sonido y así completar las funciones de un computador

personal. A nivel de diseño se busca la simplicidad y comodidad del

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usuario al integrar todos los componentes en unaestructura “todo en uno”. El

propósito de tal estructura es omitir el uso de cables externos, haciendo que

la conectividad del sistema con periféricos y redes sea totalmente

inalámbrica.

Se considera una carcasa con líneas simples que denoten un acabado pulcro

al ojo humano.El sistema debe estar basado en software libre, que estará

enfocado principalmente en el uso de funciones vía web, esto se llevará a

cabo personalizando tanto el sistema operativo como el navegador.

1.2. IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE

Para la implementación y materialización de circuitos eléctricos para el

computador en base a un Raspberry Pi, se tomó en cuenta los siguientes

aspectos exclusivos para su incorporación en el prototipo, como lo es crear

un centro multimedia que cumpla con las funciones de audio y video además

de esto complementar las funciones de un computador personal portátil, así

mismo se han integrado al prototipo los siguientes circuitos electrónicos:

• Amplificador de sonido estéreo basado en un LM386 con una capacidad

de 5 WATTS, brindando de esta manera una salida de audio con una

calidad óptima, incorporando una de las funciones básicas referidas a

funciones multimedia.

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• Batería de Lithium con una capacidad de 12 V y 8 Amps hora, brindando

de esta manera la principal función de portabilidad brindando un libre y

cómodo uso del prototipo.

• Hub USB, su materialización e incorporación otorgan al prototipo la

capacidad de integrar otros componentes vitales del computador

personal.

• Sensor de encendido táctil con derivación de voltaje, sistema de

encendido por medio del contacto en un área específica del prototipo,

además es complemento de la estética del prototipo al utilizar este sistema

para de esta manera tener un computador sin excesiva cantidad de botones.

• Pantalla LCD de 8.9”, periférico de salida de video del prototipo.

• Raspberry Pi, placa madre del prototipo la cual posee un procesador de

arquitectura ARM y memoria RAM empotradas en sí misma, siendo así

un circuito integrado de bajo costo y tamaño ideal para el prototipo.

• NT68676.2A11486 LCD tarjeta controladora, circuito controlador que

brinda al prototipo la característica de puente mediador entre la pantalla

LCD de 8.9” y la placa madre.

• Cubierta, hecha en Autocad 2011 y materializada en una impresora 3D.

• Fan Cooler, para mantener una temperatura óptima dentro de la carcasa.

• Slice of pi, baquela que conecta la alimentación con el Raspberry Pi.

A continuación se presenta información detallada de cada circuito.

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1.2.1. ARQUITECTURA DEL HARDWARE

1.2.1.1. AMPLIFICADOR DE SONIDO

Según Robert L. Boylestad (2003) un amplificador recibe una señal de algún

transductor de captación o de cualquier otra fuente de entrada y proporciona

una versión más fuerte de la señal a cierto dispositivo de salida o a otra

etapa de amplificación.

Debido a las exigencias del prototipo los investigadores llegaron a la

conclusión, después de una serie de pruebas, de incorporar un amplificador

con una potencia de 5 WATTS ya que el consumo energético del circuito

cumple con las expectativas al trabajar con 9V.

Se usó para la materialización dos integrados LM386 para concretar con

una salida de audio estéreo (ver figura 1) pues brinda nitidez y estabilidad del

sonido, además posee una característica muy necesaria, debido a que las

temperaturas del integrado LM386 llegan a un valor máximo de 42ºC lo cual

es un factor favorable debido a que no es necesario colocar disipadores de

calor o algún otro sistema de enfriamiento o disipador, así mismo el tamaño y

área que ocupa el circuito es pequeño en razón al espacio disponible para el

mismo dentro de la carcasa.

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Figura 1

Amplificador de sonido estéreo basado en un LM386 con una capacidad de 5 WATTS

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013)

1.2.1.2.- ALIMENTACIÓN

Uno de los puntos o características más resaltantes del diseño del

prototipo es incorporar la capacidad de portabilidad del equipo y lograr con

eso el uso de todas sus funciones en cualquier lugar que se requiera, para

ello los investigadores llegaron a la conclusión de conectar todos los

dispositivos a una batería de Lithium con una capacidad de 12 V y 8 Amps

por hora, así como también regulador de 9V y 5V para suplir la energía del

amplificador y el GPIO conectado como medida de seguridad a un Slice of

Pi, respectivamente, la misma es recargable con una duración aproximada a

las 3 horas en total funcionamiento de todas sus partes.

53

26

4 71 8

U1

LM386

R147k

9V

C2

100n

C1

10u

C310u R2

10R

C4

220u

C5100n

53

2

64 7

1 8

U1

LM386

R147k

9V

C2

100n

C1

10u

C310u R2

10R

C4

220u

C5100n

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1.2.1.3.- HUB USB

El principio de tener un Hub USB en el prototipo de acuerdo al estudio de

los investigadores es, sustentar la opción de conectar diversos dispositivos

USB a través una entrada USB hembra disponible en la cubierta del prototipo

debido a que el núcleo del prototipo (Raspberry Pi) solo cuenta con dos

conexiones USB hembra.

Con la incorporación del Hub USB de esta manera se pueden ingresar por

otros dispositivos USB como por ejemplo, un pendrive, cumpliendo con la

visión de construir un computador personal con todas sus funciones

disponibles.

Figura 2

Sensor de encendido táctil con derivación de voltaje


B112V

R1

10k

Q12N1711

R2

1k

C1100u

RL1G2R-1E-DC12

D1DIODE

J6

Q1

CLK

3

K5

Q2

S7 R 4

U6:A

4027VI

1VO

3

GND2

U17805

VI

1VO

3

GND2

U27809

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1.2.1.4.- ENCENDIDO

Para el encendido del prototipo se incorpora un sensor de encendido táctil

con derivación de voltaje (ver figura 2), para continuar con el enfoque de

crear un computador sin excesiva cantidad de botones, el sistema de

encendido táctil reacciona al contacto con el tacto humano una vez que se

hace contacto con el logotipo del prototipo situado debajo de la pantalla, el

sistema envía un pulso que abra un relé que deja pasar 12V y 8Amps que

serán derivados en 5V destinados para el pin número del GPIO del

Raspberry Pi, 9V destinados al amplificador de sonido y 12V directo al

módulo HDMI (NT68676.2A11486), en cuanto al apagado del prototipo basta

con hacer contacto en el logotipo del prototipo una vez, lo cual dispara una

acción en el integrado cd4027 que funciona de la siguiente manera: al hacer

contacto con el logotipo del prototipo se ingresa un valor numérico 1, este

valor le informa al integrado que se active y cumpla con su función, encender

el prototipo y guarda su estado, al hacer un segundo contacto con

el logotipo del prototipo se ingresa un nuevo valor numérico 0, este valor

hará que el integrado interrumpa su funcionamiento, de esta manera

cortando el suministro de energía al prototipo y así mismo apagando el

prototipo.

Gracias al innovador circuito creado se brinda de una característica muy

atractiva e ingeniosa colocando al prototipo en un nivel moderno en cuanto a

su apariencia y funcionalidad.

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1.2.1.5.- SALIDA DE VIDEO

La salida de video está compuesta por una pantalla LCD de 8.9” y un

conversor de video (NT68676.2A11486 LCD tarjeta controladora), utilizando

como medio un Flex de datos incorporado en el conversor.

La señal de video será enviada desde el Raspberry Pi enviando datos

codificados de Señal Diferencial de transición minimizada (TMDS) por su

salida de video HDMI, utilizando como medio un cable HDMI macho-macho,

y recibidos por el NT68676.2A11486 por su entrada de datos HDMI, el

conversor se encarga de codificar y convertir la señal TMDS a señal

diferencial de bajo voltaje (LVDS) y encaminarla hacia la pantalla de 8.9”.

1.2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES

A continuación (Figura 3) se muestra el diagrama de bloques del prototipo

indicando cada uno de sus componentes físicos interconectados.

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Figura 3

Diagrama de bloques del prototipo


• Raspberry Pi: Cumple la función de placa madre, en la cual se incorporan

todos los elementos y dispositivos en los periféricos Correspondientes.

• Slice of Pi:Es un circuito creado para la expansión y Hackeo del rasperry

Pi, mediante este circuito se incorpora el sistema de apagado y encendido

del equipo computarizado, la conexión directa con las baterías y las entradas

de alimentación de todo el equipo.

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• Está integrado al Raspberry Pi por una conexión directa por vía del

General Purpose Input/Output (GPIO).

• Amplificador de audio: El amplificador de audio es un circuito que

permite obtener una mayor cantidad de decibeles y una mejor calidad de

sonido, está conectado directamente a una batería por un extremo, por otro

extremo es conectado a la salida de audio del Raspberry Pi, de esta manera

la señal de audio recibida por el Raspberry Pi es maximizada.

• Cornetas:Dispositivo Plug and Play encargado de la salida de audio,

conectado a la salida de audio del amplificador de audio.

• Encendido:Se utiliza un sistema de encendido táctil, el cual al momento

que tenga contacto con el tacto deja pasar el voltaje y la corriente

provenientes de la batería, todos los componentes estarán integrados a este

circuito, su función es la de una fuente de poder.

• Batería:Batería de 12V y 8Amps hora que dará suministro al prototipo, va

conectado directamente al sistema de encendí y al transformador AC-DC

• Pantalla de 8.9’’:Se usara una pantalla LCD de 8.9’’ de 1024x3(RGB 6

bit) x600, tendrá conexión directa con el módulo HDMI, desde el mismo

recibirá un voltaje de 12 voltios y unos 3.0 Watts necesarios para el back

ligthpower (luz de fondo de pantalla).

• Módulo HDMI: circuito encargado de suministrar las cargas de voltaje y

vatios a la pantalla LCD de 8.9’’, el módulo HDMI está encargado de recibir

las señales de video del Raspberry Pi por vía de una conexión HDMI y

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transformarlas a LVDS que puedan ser reconocidas por la pantalla LCD. El

módulo HDMI a implementar es el “NT68676.2A11486”.

• SDCard: unidad de almacenamiento donde se encuentra alojado el

sistema operativo necesario para el total manejo de las herramientas y

experiencias del Raspberry Pi, contiene una imagen de Debian6 en su

versión Squeeze acta para arquitecturas ARM y personalizada.

• Hub USB: concentrador USB de dos salidas y una entrada, conectado

directamente con una de las salidas USB del Raspberry Pi para satisfacer la

necesidad de puertos USB necesarios.

• Hacia USB: extensión USB por medio de un cable adaptador Macho-

Hembra, conectado a una de las salidas USB del Hub USB con esto se

brindara la opción de conectar otros dispositivos USB como discos extraíbles.

• WIFI: conectado directamente a una de las salidas USB del Hub USB.

• Teclado y mouse: ambos dispositivos comparte una sola conexión USB

por medio de un conector USB dos en uno, directamente conectado con una

de las salidas USB del dispositivo Hub USB

• Transformador AC-DC: recibe 110V de cualquier toma que se le conecte

y los transforma en 12V.

1.3. INTEGRACIÓN DEL HARDWARE CON EL SOFTWARE

A nivel de entradas, el sistema recibe del exterior las señales provenientes

de periféricos tales como teclado, mouse, adaptador de red inalámbrica y

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botón de encendido/apagado, y provee información a la pantalla LCD.

En relación con el objetivo Integrar en un prototipo las partes

diseñadas, que implica la fase de Adaptación entre el Hardware y el

Software. Según RaspberryPiFoundation (17/04/2012), la placa base

Raspberry Pi está diseñada bajo la arquitectura ARMv6 y requiere un sistema

operativo compatible con dicha arquitectura.Según Raspian.org (25/04/2012),

el sistema operativo Raspbianes una migración no oficial del

DebianWheezyarmhf(Linux kernel) con ajustes realizados por Raspbian.org.

La instalación inicial del sistema operativo en el dispositivo de

almacenamiento (tarjeta SD) se realiza con una computadora con Ubuntu

12.04, lector SD y una imagen precompilada y adaptada del Raspbian

“Wheezy”, se utiliza el comando “dd” de Linux para instalar la imagen.

Una vez instalado el sistema operativo se conectan todos los periféricos

(teclado y mouse inalámbrico, tarjeta de red inalámbrica, pantalla,

amplificador) y la fuente de poder. Aunque el sistema operativo Raspbian

“Wheezy”incluye los controladores necesarios para la detección de los

componentes de la placa Raspberry Piy de los periféricos, este sistema no

realiza la configuración total del sistema y se debe continuar la adaptación

manual de la mayoría de los periféricos.

Al completarse la secuencia de inicio, se ejecuta de manera automática el

programa raspi-config incluido en el sistema operativo Raspbian. Este

programa permite continuar con las siguientes acciones de configuración:

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• Expandir la partición del sistema operativo para abarcar la totalidad de la

tarjeta SD.

• Cambiar la hora y huso horario.

• Configurar la distribución y el idioma del teclado.

• Aumentar la frecuencia del procesador (overclock)

• Modificar la alocación de memoria reservada para uso del procesador

gráfico interno del Raspberry Pi.

• Permitir inicio automático del ambiente gráfico del sistema operativo

Raspbian “Wheezy”.

El último aspecto a configurar es la conexión a través de redes Wi-fi

utilizando el adaptador de red inalámbrica. Esta configuración se completa a

través del ambiente gráfico de Raspbian “Wheezy”, ejecutando la

herramienta WiFiConfig y seleccionando la red inalámbrica pertinente.

1.4. DEPURACIÓN DEL SOFTWARE

Una vez confirmado el correcto funcionamiento del hardware se procedió a

diseñar y optimizar el software del computador personal. La velocidad de

operación de la placa Raspberry Pi no permite realizar las modificaciones y

pruebas del software de manera eficiente, por tanto se optó por usar un

ambiente emulado en un computador de escritorio para realizar las

evaluaciones iniciales.Losambientes de emulación se evalúan según su

capacidad de según su facilidad de uso y fiabilidad con respecto al hardware.

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El sistema operativo del Raspberry Pi no se logró emular en el ambiente

de Windows 7 con VirtualBox y QEMU, sin embargo, el mismo se logró

emular en Ubuntu 12.0.4 con QEMU, con lo cual se pudo modificar el

sistema operativo y recompilar el kernel, ambos factores necesarios para

satisfacer los requerimientos del sistema.

Para la operación básica del sistema es necesario seleccionar un sistema

operativo que implemente en esencia las funciones planteadas en los

requerimientos, significando que este servirá de base a todo el software

que se planteará en las sucesivas fases del diseño. Se seleccionaron tres

diferentes sistemas operativos a fin de evaluar su rendimiento, estabilidad

y adaptabilidad.

En la selección del sistema operativo se probó el XBMC obteniéndose que

es el más lento en cuanto a su funcionamiento, mayor complejidad de

adaptación y presenta problemas de compatibilidad con algunos drivers

necesarios para el funcionamiento correcto del hardware.

En contraste con la descripción del sistema operativo anterior; el sistema

operativo Debian “Squeeze”tuvo un buen desempeño en cuanto a

velocidad, y permite con facilidad la adaptación de la interfaz gráfica. Este

sistema presenta problemas con la adaptación del kernel de Linux y la

adaptación al idioma español.

Tomando en cuenta los sistemas operativos antes mencionados se

compararon con el sistema operativo Raspbian “Wheezy”, al igual que

Debian “Squeeze”, presenta un buen desempeño en cuanto a velocidad y

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permite con facilidad la adaptación de la interfaz gráfica, el kernel de Linux y

el idioma español.

Otro aspecto importante en la adaptación del software es la personalización

de la interfaz del usuario. Para incorporar el logotipo a la secuencia de inicio

del sistema, se recompiló el kernel de Raspbian “Wheezy” en diferentes

versiones y usando diferentes resoluciones de la imagen, todos los procesos

fueron realizados usando un computador de escritorio con Ubuntu 12.0.4 y

QEMU. El proceso de recompilación requiere de los siguientes pasos:

• Obtención del código fuente de la versión a compilar (3.1.9 y 3.2.27)

• Instalación del compilador cruzado para Ubuntu 12.0.4

• Conversión de la imagen a la resolución deseada y formato compatible

con el compilador

• Configuración de las opciones del kernel para lograr compatibilidad con el

hardware.

• Compilación del kernel

• Compilación de los módulos y drivers del kernel

• Inicio del sistema en modo emulado para confirmar nuevo logotipo.

• Instalación del kernel y módulos en la tarjeta SD

• Inicio del computador personal basado en Raspberry PI real para

confirmar compatibilidad con el hardware.

Los resultados se muestran a continuación (Ver tabla 1 y tabla 2).

Resolución de Imagen

200x200 400x400 550x550 580x580 600x600

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Calidad de la imagen

No Aceptable

No aceptable Aceptable Excelente

No funciona

Tabla 1. Resultado de pruebas de resolución del logo


Versión del Kernel 3.1.9 3.2.27 Compatibilidadcon

Hardware Incompatibilidad del

Hardware con drivers No presentó problemas

Tabla 2. Resultado de pruebas de la versión del kernel

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) Ya culminado la adaptación del kernel, se procede a la selección y prueba

de los navegadores. Se seleccionaron los navegadoresIceweasel (basado

en Mozilla Firefox), Chromium (basado en Google Crome)y Midori

(explorador incluido en Raspbian “Wheezy”), por cumplir con las

especificaciones de ser software libre y compatible con la placa base

Raspberry Pi. Al probarse Iceweasel se obtuvo que permitiera con facilidad

el cambio de idioma a español pero su desempeño es bastante lento. En

cuanto al Chromium tampoco se obtuvo una velocidad aceptable,

adicionalmente no se pudo configurar bajo el idioma español. Por último el

navegador Midori presentó mejor desempeño que el Iceweasel y el

Chromium y también permitió la configuración del idioma a español.

Para completar el diseño del software se realizaron una serie de ajustes a

la interfaz del Raspbian “Wheezy” . Se eliminaron los iconos y accesos no

necesarios, se redimensionó la barra de tareas, se modificó el estilo de

colores y se seleccionó el fondo de pantalla. Con estos cambios se logró

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una interfaz más limpia y que cumple con las especificaciones de diseño que

se habían planteado.

1.5. CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO DEFINITIVO Y LAS PRUEBAS

FINALES

Para el ensamble y adaptación de todos los circuitos y componentes que

conforman el prototipo de computador personal, se procedió con la siguiente

metodología siguiendo la metodología paso a paso creada por los

investigadores, a fin de tener un correcto funcionamiento de todo el sistema.

Inicialmente se hace un recuento de la lista de componentes y partes del

sistema, las imágenes a continuación muestran el listado de componentes.

• Tapas (ver figura4).

Figura4. Tapa superior y tapa inferior de la carcasa


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• Carcasa (ver figura 5 y figura 6)

Figura5. Carcasa vista posterior


Figura6. Carcasa vista frontal

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Raspberry Pi (Ver figura 7).

Figura7. Raspberry Pi


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• Conversor de video (ver figura 8)

Figura 8. Conversor de video

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Amplificador de audio estéreo (ver figura 9)

Figura9. Amplificador de audio estéreo

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Pantalla LCD (ver figura 10)

Figura10. Pantalla LCD


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• Slice of Pi (verfigura 11)

Figura11. Slice of Pi

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Batería (ver figura 12)

Figura12. Batería

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Ventilador (ver figura 13)

Figura 13. Ventilador


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• Logo del prototipo (ver figura 14)

Figura14. Logotipo delprototipo


Una vez visualizados y a la mano cada una de las partes procedemos al

ensamblaje de las mismas, siguiendo los pasos que se especifican a

continuación en las imágenes de referencia.

• Colocar la pantalla LCD y el logo del proto tipo sobre la tapa superior del

prototipo como se muestra en la siguiente imagen (ver figura 15)

Figura15. Tapa superior con pantalla y logotipo Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013)

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• Girar la carcasa 90º para integrar el ventilador en la esquina inferior

derecha dentro de la carcasa, luego colocar los parlantes en las salidas de

audio ubicadas en la parte superior de la carcasa sujetándolas con silicona

(ver figura 16).

Figura16. Carcasa con ventilador

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Proceder a colocar el conversor en la carcasa con la circuitería de cara

hacia afuera del prototipo y con las entradas de video VGA, HDMI etc hacia

abajo, encajar el conversor dentro de la carcasa sobre las dos caídas que

presenta el conversor en su parte superior ubicadas a cada extremo del

mismo, por último pasar el flex de video por la abertura de la carcasa (ver

fotografía 13)

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Figura 17. Carcasa con conversor

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Acoplar el Slice of Pi al Raspberry Pi a través de una conexiones entre los

pines del GPIO del Raspberry Pi y el encaje hembra del Slice of Pi (ver figura

18).

Figura18.Slice of Pi conectado al Raspberry Pi


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• Colocar el Raspberry Pi sobre la tapa inferior de la carcasa, colocando el

Raspberry PI en el centro siendo ajustado por dos pequeños ganchos

ubicados a la izquierda de la tapa (ver figura 19)

Figura19. Tapa inferior con Raspberry Pi

Fuente: Carrasquero, García y Linero (2013) • Situar la batería en la tapa inferior de la carcasa perpendicular al

Raspberry Pi y el amplificador de audio paralelo al Raspberry Pi, conectando

el amplificador al Raspberry Pi por su salida de audio y la alimentación al

Slice of Pi por la salida de 9V, la bateria debe de ir conectada al Slice of Pi

como fuente de alimentación por la entrada VCC(ver figura 20)

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Figura20. Tapa inferior, Batería, Raspberry Pi y Amplificador


• Conectar la pantalla LCD al flex de video del conversor tomando como

guía el punto verde situado en el enchufe (ver figura 21).

Figura21. Conexión entre conversor y pantalla


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• Conectar el ventilador al Slice of Pi por su salida de 5V, comunicar el

conversor de video y el Raspberry Pi a través de un cable HDMI hecho a

medida para el prototipo, ahora proceder a colocar la carcasa sobre la tapa

inferior y atornillarla(ver figura 22).

Figura 22. Conexiones de 5V, monitor y ensamble tapa inferior


• Proceder con la adaptación de la tapa superior de la carcasa, sujetándola

a la carcasa a través de 6 ganchos distribuidos, 2 en la parte superior de la

carcasa, 2 ubicados en la parte inferior, 1 en el extremo izquierdo y 1 en el

extremo derecho, quedando por completo el ensamblaje del prototipo (ver

figura 23).

81

Figura 23. Prototipo


Una vez ensamblado el prototipo, se realizaron pruebas para verificar el

funcionamiento del sistema. Se inició presionando el botón de encendido (el

logotipo prototipo), y se encendió la pantalla sin presentar errores. El

sistema completó el proceso de arranque sin inconvenientes y

automáticamente entró al sistema operativo y al navegador web. Se conectó

a la red Wi-Fi disponible y se navegó por internet por 30 minutos, revisando

páginas de uso común para los usuarios. Al finalizar todas las pruebas, se

apagó el sistema por medio del software y por el botón de Raspberry Pi.

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