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UNIVERSIDAD DE GRANADA Programa oficial de Doctorado en Tecnologías de la Información y la Comunicación T E S I S D O C T O R A L Sistemas de laboratorios remotos sobre instrumentación de tiempo real: Aplicación a laboratorios de medida de tensión interfacial. Defendida por Jesús Luis Muros Cobos Director Juan A. Holgado-Terriza Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos Grupo de Investigación en Sistemas Concurrentes Septiembre, 2017

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UNIVERSIDAD DE GRANADA

Programa oficial de Doctorado en Tecnologías de la Información y la Comunicación

T E S I S D O C T O R A L

Sistemas de laboratorios remotos sobre

instrumentación de tiempo real: Aplicación a

laboratorios de medida de tensión interfacial.

Defendida por

Jesús Luis Muros Cobos

Director

Juan A. Holgado-Terriza

Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos

Grupo de Investigación en Sistemas Concurrentes

Septiembre, 2017

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Editor: Universidad de Granada. Tesis Doctorales Autor: Jesús Luis Muros CobosISBN: 978-84-9163-536-9URI: http://hdl.handle.net/10481/48348 

 

 

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Preliminares

1—3

El doctorando / The doctoral candidate [Jesús Luis Muros Cobos] y los directores de la tesis /

and the thesis supervisor/s: [ Juan Antonio Holgado Terriza ]

Garantizamos, al firmar esta tesis doctoral, que el trabajo ha sido realizado por el doctorando

bajo la dirección de los directores de la tesis y hasta donde nuestro conocimiento alcanza, en la

realización del trabajo, se han respetado los derechos de otros autores a ser citados, cuando se

han utilizado sus resultados o publicaciones.

/

Guarantee, by signing this doctoral thesis, that the work has been done by the doctoral

candidate under the direction of the thesis supervisor/s and, as far as our knowledge reaches,

in the performance of the work, the rights of other authors to be cited (when their results or

publications have been used) have been respected.

Lugar y fecha / Place and date: Granada, 6 de septiembre de 2017

Director/es de la Tesis / Thesis supervisor/s; Doctorando / Doctoral candidate:

Firma / Signed Firma / Signed

A mi familia.

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1—4

Í ndice resumido

Índice resumido ........................................................................................................................ 1—4

Índice ............................................................................................................................................. 6

Capítulo 1. Preliminares ............................................................................................................. 9

Resumen .................................................................................................................................... 9

Introducción ............................................................................................................................ 10

Objetivos .................................................................................................................................. 12

Estructura de la tesis ............................................................................................................... 13

Antecedentes .......................................................................................................................... 14

Metodología de investigación ................................................................................................. 22

Capítulo 2. Tensiómetros/ goniómetros y su automatización ................................................. 25

Introducción ............................................................................................................................ 25

Experimentación con un tensiómetro/goniómetro ................................................................ 27

Arquitectura de la automatización.......................................................................................... 30

Automatización en Dinaten ..................................................................................................... 32

Capítulo 3. Laboratorios virtuales y remotos ........................................................................... 36

Introducción ............................................................................................................................ 36

Características generales de un laboratorio ........................................................................... 39

Características de los tensiómetros/goniómetros .................................................................. 43

Fases de un experimento ........................................................................................................ 44

Arquitectura de un laboratorio remoto .................................................................................. 45

Seguridad ................................................................................................................................. 50

RVLab, un caso practico .......................................................................................................... 52

Capítulo 4. Monitorización ....................................................................................................... 60

Introducción ............................................................................................................................ 60

Sistema de monitorización ubicuo .......................................................................................... 62

Capítulo 5. Instrumentación móvil ........................................................................................... 75

Introducción ............................................................................................................................ 75

Núcleo de cálculo .................................................................................................................... 77

Procesamiento de imágenes ................................................................................................... 86

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Preliminares

1—5

Pendant, sessile, tilted y energy .............................................................................................. 92

Automatización ....................................................................................................................... 93

Pruebas .................................................................................................................................... 94

Capítulo 6. Conclusiones y trabajos futuros ............................................................................. 99

Conclusiones ............................................................................................................................ 99

Trabajo futuro ....................................................................................................................... 100

Lista de publicaciones ........................................................................................................... 100

Bibliografía ................................................................................................................................ 104

Acronimos ................................................................................................................................. 116

Índice de figuras ........................................................................................................................ 117

Índice de tablas ......................................................................................................................... 119

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6

Í ndice

Índice resumido ........................................................................................................................ 1—4

Índice ............................................................................................................................................. 6

Capítulo 1. Preliminares ............................................................................................................. 9

Resumen .................................................................................................................................... 9

Introducción ............................................................................................................................ 10

Objetivos .................................................................................................................................. 12

Estructura de la tesis ............................................................................................................... 13

Antecedentes .......................................................................................................................... 14

Medición de variables físicas en tensiómetros/goniómetros ............................................. 14

Laboratorios virtuales y remotos ........................................................................................ 17

Monitorización..................................................................................................................... 19

Instrumentación móvil ........................................................................................................ 20

Procesamiento de imagen .............................................................................................. 21

Metodología de investigación ................................................................................................. 22

Introducción ........................................................................................................................ 22

Método científico ................................................................................................................ 22

Proceso TFM y PhD ............................................................................................................. 23

Publicación de resultados .................................................................................................... 24

Capítulo 2. Tensiómetros/ goniómetros y su automatización ................................................. 25

Introducción ............................................................................................................................ 25

Experimentación con un tensiómetro/goniómetro ................................................................ 27

Arquitectura de la automatización.......................................................................................... 30

Automatización en Dinaten ..................................................................................................... 32

Capítulo 3. Laboratorios virtuales y remotos ........................................................................... 36

Introducción ............................................................................................................................ 36

Características generales de un laboratorio ........................................................................... 39

Ubicación ............................................................................................................................. 39

Interactividad ....................................................................................................................... 40

Definición de experimentos ................................................................................................ 40

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Preliminares

7

Verificación .......................................................................................................................... 41

Distribución ......................................................................................................................... 41

Simulación ........................................................................................................................... 41

Propósito del laboratorio .................................................................................................... 42

Soporte de video ................................................................................................................. 42

Instrumentación .................................................................................................................. 42

Control de acceso y registro ................................................................................................ 42

Características de los tensiómetros/goniómetros .................................................................. 43

Fases de un experimento ........................................................................................................ 44

Arquitectura de un laboratorio remoto .................................................................................. 45

Control en tiempo real ........................................................................................................ 49

Seguridad ................................................................................................................................. 50

RVLab, un caso practico .......................................................................................................... 52

Pruebas y Resultados........................................................................................................... 55

Capítulo 4. Monitorización ....................................................................................................... 60

Introducción ............................................................................................................................ 60

Sistema de monitorización ubicuo .......................................................................................... 62

Arquitectura ........................................................................................................................ 63

Comunicación instrumento-SMI ......................................................................................... 64

Comunicación SMI-cliente ................................................................................................... 65

Conexiones .......................................................................................................................... 68

Notificaciones ...................................................................................................................... 68

Cliente móvil ........................................................................................................................ 70

Prueba de concepto ............................................................................................................ 71

Capítulo 5. Instrumentación móvil ........................................................................................... 75

Introducción ............................................................................................................................ 75

Núcleo de cálculo .................................................................................................................... 77

Pruebas para gota pendiente .............................................................................................. 79

Prueba 1: resolución teórica ........................................................................................... 79

Prueba 2: Optimización ................................................................................................... 80

Prueba 3: Rotación de la gota ......................................................................................... 82

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8

Prueba 4: Transformación de la gota .............................................................................. 83

Prueba 5: Aleatorización del perfil de la gota ................................................................. 84

Pruebas para gota sésil ........................................................................................................ 84

Prueba 1: Optimización ................................................................................................... 84

Prueba 2: Rotación .......................................................................................................... 85

Prueba 3: Transformación de la gota .............................................................................. 85

Prueba 4: Aleatorización de los puntos del perfil de la gota .......................................... 86

Resumen de las pruebas ...................................................................................................... 86

Procesamiento de imágenes ................................................................................................... 86

Pendant, sessile, tilted y energy .............................................................................................. 92

Automatización ....................................................................................................................... 93

Pruebas .................................................................................................................................... 94

Capítulo 6. Conclusiones y trabajos futuros ............................................................................. 99

Conclusiones ............................................................................................................................ 99

Trabajo futuro ....................................................................................................................... 100

Lista de publicaciones............................................................................................................ 100

Bibliografía ................................................................................................................................ 104

Acronimos ................................................................................................................................. 116

Índice de figuras ........................................................................................................................ 117

Índice de tablas ......................................................................................................................... 119

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Preliminares

9

Capítulo 1. Preliminares

Resumen

Para el avance de la ciencia, la experimentación es imprescindible pues nos permite observar las

reglas que rigen el universo al tiempo que nos permite probar o descartar hipótesis. Para hacer

esto posible, uno de los requisitos es la reproducibilidad, el hecho de que un experimento pueda

ser repetido bajo los mismos parámetros, obteniendo los mismos resultados, es imprescindible

para entender lo que ocurre y probar los hallazgos obtenidos. En este aspecto automatizar los

experimentos nos permite reducir la posibilidad de error humano pues el instrumento usado

repetirá el mismo experimento de la misma forma cuando se requiera.

Otro de los aspectos de los instrumentos destinados a la experimentación científica es que muchas

veces son grandes, caros, frágiles y difíciles de mover. Así mismo en el ámbito de la enseñanza

esto puede suponer varios problemas a la hora de formar alumnos, más aún cuando hablamos de

la enseñanza a distancia. Sin embargo son imprescindibles tanto en educación como en

investigación. Uno de los requisitos de la ciencia es que los experimentos sean reproducibles.

Además estas características hacen que sea difícil que varios grupos de distintas universidades

puedan compartir un instrumento de forma que puedan compartir los gastos de la adquisición.

Igualmente cuando se habla de centros de instrumentación obliga a los investigadores a

desplazarse incluso si no pueden hacer más que mirar debido a que el uso del equipo está

restringido a los técnicos de laboratorio autorizados. Sin embargo, la tecnología actual nos permite

crear nuevos sistema que contribuyan a la universalización de los instrumentos facilitando su uso a

cualquier nivel.

En este trabajo se realizan aportaciones destinadas a favorecer el uso de tecnologías que faciliten

la automatización de los instrumentos con métodos y arquitecturas que permitan una

programación de las tareas necesarias en el experimento y su posterior ejecución asegurando la

reproducibilidad del experimento, especialmente en los tensiómetros/goniómetros. De igual

forma se proponen sistemas que permitan acceder y/o monitorizar los instrumentos de formas

remotas e incluso con el móvil de forma que se facilite la tarea de investigadores, profesores y

estudiantes a la hora de acceder a los instrumentos y experimentar con ellos. Por último se

propone un novedoso tensiómetro/goniómetro ligero y compacto cuyo software funciona en

móviles Android.

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Introducción

10

Introducción

La informática, aun siendo una disciplina de conocimiento joven, se inventó hace unas solo

unas décadas, ha cambiado el mundo, facilitando la comunicación, agilizando procesos,

creando otros nuevos, interviniendo en el entretenimiento, etc. Estos cambios han afectado a

prácticamente todas las facetas de nuestra vida incluyendo el a la investigación. Los

ordenadores han facilitado y automatizado diversas tareas (Higgins, et al., 2011) (Marinakis, et

al., 2013) (Bourbeau & Ledeboer, 2013) de prácticamente todas las áreas de conocimiento

permitiéndonos avanzar en nuestro entendimiento del mundo. El uso de ordenadores nos

permite controlar instrumentos con mayor precisión, realizar experimentos y cálculos mucho

más rápido e incluso nos permiten interactuar con dichos sistemas de un modo más sencillo.

Un ejemplo puede ser el método axisymmetric drop shape analysis (ADSA) (Hoorfar &

Neumann, 2006) , el cual analizando el perfil de una gota y aplicando las ecuaciones de Young-

Laplace, permite calcular ángulos de contacto, tensión superficial, área, etc. de un líquido y

que se usa en diversos instrumentos (Wege, et al., 1999) (KRÜSS GmbH, s.f.) (Future digital

scientific, 2017)Sobre este método hablaremos con profundidad durante esta tesis. Para el

ejemplo que nos atañe, es posible emplear este método de forma manual, los investigadores

pueden tomar una foto de una gota, imprimirla, calcular las coordenadas del perfil de la gota

con reglas, compases, etc. y después pueden hacer una optimización sobre un sistema de

ecuaciones diferenciales. Sin embargo todo el procedimiento, captura de imagen, extracción

del perfil y calculo lo podemos realizar en un ordenador en menos de un segundo incluso

podemos hacerlo con nuestro móvil.

El caso de ADSA no es el primero, ni será el último pues el uso de ordenadores no solo facilita

que podamos trabajar más rápido y con mayor precesión, sino que además nos permite

trabajar a distancia. Esto abre nuevas perspectivas, tanto profesionales como educativas en el

ámbito de los instrumentos. En muchas empresas llevan años aplicando el teletrabajo,

facilitando que su personal pueda realizar sus funciones con un horario totalmente flexible, a

la vez que puede conciliar su vida laboral y familiar. El teletrabajo no solo puede ser útil para

los empleados las empresas pueden reducir costes pues requieren menos espacio e

infraestructura física para sus trabajadores. Otro de los posibles campos donde se podría

aplicar es la educación a distancia. El uso de nuevos sistemas de instrumentación a distancia

puede introducir ventajas tanto en el ámbito educativo como laboral. Además el ordenador es

esencial pues proporciona la comunicación y el acceso al material necesario de forma

instantánea y sin horarios a la vez que permite a los trabajadores y estudiantes enviar sus

resultados independientemente de donde se encuentren. Otra de las ventajas de los

ordenadores es su capacidad de automatizar las tareas lo cual facilita la experimentación pues

permite trabaja de forma precisa a nivel temporal y una vez automatizado un proceso se

puede repetir múltiples veces garantizando la reproducibilidad del experimento.

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Preliminares

11

Si nos centramos en la educación podemos atisbar varios campos en los que es posible

investigar en nuevas ideas. Por un lado tenemos la educación a distancia, en este campo se los

estudiantes pueden tener problemas a la hora de ver cómo funcionan los distintos

instrumentos.

El uso de laboratorios virtuales (LV) puede facilitar que el estudiante pueda adquirir

experiencia, además facilita que se simulen experimentos antes de realizarlo en instrumentos

reales. Pero no tenemos que quedarnos ahí, podemos crear laboratorios remotos (LR), de esa

forma podemos acercar la experiencia al usuario usando cámaras y permitiendo que emplee

directamente los instrumentos aun cuando debido a sus condiciones no puede acceder de

forma presencial a los laboratorios. El uso de LV, LR y LVR (laboratorio virtual/remoto) son

términos que se emplearán en esta tesis aunque en la bibliografía podamos encontrar

diferente terminología (Couteur, 2009) (Eick, et al., 1998) (Odeh, 2010) al no estar

estandarizada.

Es obvio que los LR presentan una desventaja cuando es necesario que el usuarios prepare el

instrumento físico, pero aun así la combinación de automatización y uso de las tecnología

actual les permitir realizar experimentos de larga duración sin necesidad de estar en el

laboratorio mientras monitoriza todo lo que ocurre desde cualquier ubicación desde un

ordenador, tablet o móvil. Otro efecto de introducir la automatización en el instrumento es

que permite programar tareas desde un cliente a través de internet y una vez está todo

dispuesto se puede ejecutar en un instrumento incluso si este requiere de tiempo real. Por

otro lado no es raro que determinados instrumentos sean manejados de forma exclusiva por

técnicos de laboratorio entrenados para evitar errores de configuración o un uso inadecuado,

en estos casos facilitar el uso remoto le da al investigador la oportunidad de realizar

experimentos desde su despacho, pues el software evitará configuraciones erróneas, al mismo

tiempo será el técnico de laboratorio, presente en la ubicación del instrumento quien

configure las muestras y realice los ajustes físicos en el aparato.

Con estos avances podemos universalizar el uso de instrumentos incluso permitir que

estudiantes sean formados con equipo de laboratorio de tecnología punta accediendo el

forma remota y con un software intermedio que evite que su falta de conocimientos y

experiencia puedan conllevar un mal uso del equipo o dañarlo de forma alguna. Esta

universalización puede ir encaminada a hacer factible que grupos de distintas universidades

puedan compartir instrumentos sin necesidad de que los investigadores tengan que

desplazarse como la propuesta en (Kalúz, et al., 2013).

Sin embargo la tecnología actual abre un nuevo camino a la hora de universalizar el uso de la

instrumentación y acercarla al campo de la enseñanza. Ya no hablamos de usar el móvil para el

control remoto o la monitorización, podemos usar el móvil en vez de un ordenador para la

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Objetivos

12

realización de cálculos y aprovechar su conectividad y sensores para mejorar la preparación

del instrumento o incrementar la precisión de la medida. A la vez esto nos lleva a sistemas más

compactos y operables con baterías haciendo que los instrumentos puedan operar en

cualquier parte. Si además, combinamos las tecnologías de impresión 3D podemos conseguir

mayores ventajas como equipos más baratos y fáciles de crear y mantener.

Esta tesis doctoral se centra en explorar nuevas tecnologías aplicadas a los laboratorios y la

instrumentación con objeto de aumentar el alcance que puede tener su utilización, fuera del

clásico laboratorio.

El Capítulo 2, se centra en instrumentos reales como Dinaten, en los cuales detallaremos el

uso de automatización como una forma de incrementar las capacidades de los instrumentos

especialmente útil en LR y monitores como se verá, a la vez que ofrecen funcionalidades para

garantizar la replicación de los experimentos. El Capítulo 3 se centra en las posibilidades de los

laboratorios virtuales y remotos, en ella describiremos nuevos sistema para facilitar la

implantación de LV y LR. En el siguiente punto, el Capítulo 4, se atiende una propuesta para un

nuevo sistema de monitorización, a la vez que nuevas posibilidades dirigidas al uso del móvil y

la redundancia de las comunicaciones. Para finalizar el Capítulo 5 presenta un instrumento

novedoso basado en dispositivos móviles desarrollado en York University cuya finalidad es

compactar los tensiómetros/goniómetros y demostrar que un smartphone dispone de

capacidad suficiente para hacer funcionar instrumentos científicos que realicen medidas

precisas al tiempo que permite sistemas compactos.

Objetivos

Esta tesis pretende aportar una serie de directrices y herramientas dirigidas a la mejora de la

instrumentación científica, en especial los tensiómetros/goniómetros. Estas medidas se

dirigen a la mejora en la automatización y el uso ubicuo de estos instrumentos facilitando y

universalizando el acceso a la instrumentación en campos como la educación y la

investigación. Por tanto, el objetivo de esta tesis es:

Investigar y definir nuevos métodos que mejoren la instrumentación científica, en

particular los tensiómetros/goniómetros.

Puesto que el objetivo propuesto es genérico se proponen una serie de objetivos específicos:

Mejorar la automatización en los instrumentos.

Ofrecer sistemas que permitan el uso ubicuo de los instrumentos como el uso remoto.

Mejorar las posibilidades de monitorización cuando el uso remoto no es posible o

aconsejable.

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Preliminares

13

Compatibilizar el uso remoto y la monitorización con sistemas donde los instrumentos

estén distribuidos y/o requieran tiempo real.

Introducir nuevos sistemas compactos fácilmente transportables.

Para cumplir los objetivos propuestos y debido a la gran cantidad de instrumentos existentes,

lo mejor será centrarse en las características de instrumentos concretos, en el caso que se

presenta los tensiómetros/goniómetros, donde se pretende mejorar la automatización de

forma que sean más útiles y faciliten la labor de los investigadores. Una vez visto el caso de los

tensiómetros goniómetros será el momento de crear arquitecturas y estructuras abstractas

que sean aplicables a otros tipos de instrumentos. Tras esto es importante obtener las

características que pueden definir un laboratorio remoto, tarea que se verá beneficiada al

haber trabajado en las necesidades de un laboratorio físico. Una vez determinemos sus

características, será necesario crear una arquitectura tanto hardware como software que

favorezca la creación de sistemas remotos capaces de operar con instrumentos de diferentes

clases, que puedan encontrarse distribuidos en diferentes ubicaciones, o que ofrezcan soporte

para sistemas de tiempo real y sistemas sin tiempo real simultáneamente. Es importante

alcanzar métodos que compatibilicen el hecho de que la comunicación de los usuarios se

realizará por internet, red que no soporta tiempo real, con los requisitos de los laboratorios

que lo necesiten, dando la opción a los usuario de ejecutar de forma remota a través de

internet experimentos que requieran de uno o más dispositivos de tiempo real. Así mismo

será necesario determinar si en los casos en los que solo se requiere una observación en el

tiempo puede haber opciones mejores y más simples como la monitorización, en este caso

será necesario definir los mejores métodos para mostrar la información al usuario. Puesto que

este tipo de sistemas estará expuesto a internet y todos los ataques que puedan provenir es

necesario proponer medidas de seguridad que puedan prevenir, en lo posible, cualquier

ataque que pueda dañar los instrumentos. Para finalizar será necesario investigar las

posibilidades de nuevas tecnologías como el uso de móviles los cuales han alcanzado

capacidades de computación suficientes a la hora de emplearlos como instrumentos de

medida. El uso de smartphones podrá permitir el diseño de instrumentos más compactos y

baratos ayudando a cumplir el objetivo de aportar conocimientos que permitan la

universalización en el acceso a la instrumentación. Puesto que el campo de la instrumentación

es muy grande este trabajo se centrará en el caso de tensiómetros goniómetros al igual que en

el caso de la automatización.

Estructura de la tesis

Este trabajo se estructura de la siguiente manera:

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Antecedentes

14

En el Capítulo 1, se especifica el contexto sobre el que se desarrolla la tesis, y los trabajos

relacionados con la investigación realizada y sus resultados. Indicando los antecedentes y los

objetivos y las estructura de este documento.

Tras los preliminares se exponen las contribuciones realizadas que presentan la parte

principal de esta memoria. El Capítulo 2 detalla un sistema de instrumentación de precisión y

como es el sistema de automatización para experimentos centrado en el caso de los

tensiómetros/goniómetros y que permitirá programar y ejecutar eventos con y sin tiempo

real. Se presenta la arquitectura y su integración con un instrumento. Este capítulo introducirá

elementos que serán empleados en el uso de los laboratorios remotos y la monitorización

propuesta en el Capítulo 3 y el Capítulo 4.

El Capítulo 3 define las propuestas en relación a los laboratorios virtuales y remotos donde

tras el estudio de las necesidades de estos sistemas se presenta una arquitectura junto a unas

directrices de seguridad y un caso práctico que demuestra que nuestras hipótesis, en base a

que es posible ofrecer arquitecturas y sistemas abstractos capaces de ofrecer lo necesario

para crear un LVR, pueden ser aplicadas.

En el Capítulo 4 se presenta una contribución para el uso de monitores con comunicación

redundante para ofrecer alertas y notificaciones cuando se realizan experimentos de

observación que requieren largos periodos de tiempo. Se exponen la arquitectura, los

procedimientos de comunicación y las directrices de seguridad necesarias en todo elemento

conectado a la red.

El Capítulo 5 pone fin a las contribuciones realizadas introduciendo nuevas tendencias como

es la instrumentación móvil. Sistema en el que el smartphone toma protagonismo para crear

un instrumento capaz de operar como otros tantos más grandes que requieren ordenadores

en un dispositivo compacto y fácil de transportar con las mismas capacidades que el software

para PC. Se detalla cómo se han realizado e implementado las funcionalidades del instrumento

en un móvil junto con los problemas y ventajas derivados del uso de estos dispositivos.

El Capítulo 6 pondrá fin a esta tesis presentando las conclusiones de esta tesis, los trabajos

que se esperan realizar en el futuro y la lista de publicaciones con las que el autor ha

contribuido a la ciencia durante su formación.

Antecedentes

Medición de variables físicas en tensiómetros/goniómetros La tensión superficial de un líquido es una propiedad fundamental que indica la tendencia de

un fluido a ocupar la menor área posible (Rıo & Neumann, 1997). Es este parámetro el que va

a definir la interacción entre el líquido y otro elemento, ya sea un fluido o un sólido. Por tanto

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Preliminares

15

la medición precisa de la tensión superficial de un líquido es fundamental en áreas científicas e

industriales como la evaluación de polímeros, semiconductores, coloides y emulsiones, la

creación de tintas para impresión, etc. en cuanto es la responsable de fenómenos como la

adhesión, (Ferrera, et al., 2007) (Chen, et al., 2015) (Weissenborn & Pugh, 1996) El

conocimiento de la tensión superficial también puede ser útil fuera del ámbito de la

investigación, por ejemplo, el agua pura tiene una tensión superficial de alrededor de

72.8mN/m. Cuando el agua está contaminada con algún químico la tensión superficial cambia,

en general decreciendo, así pues, se puede medir la tensión superficial del agua para

determinar su calidad (Loglio, et al., 1976).

Actualmente existen varias técnicas para la medición de la tensión superficial (Rıo & Neumann,

1997) (Hoorfar & Neumann, 2006) (Hansen, et al., 1958) (Stauffer, 1965). En general existen

dos categorías, métodos de tensiómetros basados en fuerza como la técnica de la placa de

Wilhelmy (Wu, et al., 1999) y métodos ópticos como ADSA (Saad & Neumann, 2016). Los

métodos de fuerza generalmente calculan la tensión superficial midiendo la fuerza de

adhesión solido-líquido. En cambio los métodos ópticos analizan la forma de la gota para

ajustar la gota a las ecuaciones de Young-Laplace y calcular por métodos numéricos la tensión

superficial. Comparado con los métodos de fuerza los métodos ópticos tienen la ventaja de

que la cantidad de líquido de la muestra es reducida, su precisión, su conveniencia (Rıo &

Neumann, 1997) (Hoorfar & Neumann, 2006), el hecho de que no requiera sensores más allá

de una cámara, su fácil adaptación a otros cálculos como el cálculo de ángulos de contacto,

medición de energía libre de sólidos y hacen que sea el método más conveniente para su

implementación en el móvil.

La construcción típica de estos instrumentos se muestra en la ¡Error! No se encuentra el

origen de la referencia.. Usualmente se emplea una luz homogénea apuntando al sensor de

una cámara para saturarlo y en medio una gota pendiente de un capilar o en una superficie

con un sistema de dosificación manual o automático. La cámara captura la imagen donde el

borde de la gota tiene un gran contraste debido a la saturación del sensor. Entonces el

ordenador procesa la imagen obteniendo los puntos que forman el perfil de la gota y después

usa calculo numérico para optimizar la distancia entre el perfil de la gota real y una virtual

cuyos datos son conocidos.

Como se ha comentado anteriormente usando los métodos ópticos también se pueden usar

para calcular el ángulo de contacto entre un fluido y sólido. Este dato mide la humectación, es

decir la relación de las fuerzas adhesivas entre un líquido y un sólido. LA medición de esta

variable física se emplea en diversos campos como el diseño de materiales ignífugos,

materiales resistentes a la corrosión, reciclado de residuos, industria de biocombustibles, etc.

(Ruan, et al., 2014) (Zheng, et al., 2017) (Feyyisa, et al., 2017) (Zhang, et al., 2014). Al igual que

en el caso de la gota pendiente es posible usar métodos de fuerza como ópticos, en este caso

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Antecedentes

16

tenemos que hacer una diferenciación en los ópticos, pueden estar basados en el ajuste del

perfil con las ecuaciones de Young-Laplace como en el caso anterior o por ajuste a elementos

geométricos (elipse, circulo o parábola). El ajuste a las ecuaciones Young-Laplace permite un

cálculo muy preciso de los ángulos de contacto, sin embargo no es posible su utilización

cuando se usan gotas inclinadas y puede ser impreciso si se mantiene el capilar dentro de la

gota durante el experimento. En estos casos se debe usar métodos de ajuste a elementos

geométricos.

Fig. 1: Construcción típica de un instrumento para el uso de métodos ópticos para el cálculo de la tensión superficial

Por ultimo existe otra variable compatible, la energía libre de una superficie, esta variable

tiene un efecto decisivo en la humectación y tiene si uso para procesos relacionados con la

limpieza, impresión, materiales hidrofóbicos e hidrófilos, etc. En este caso es una medida

indirecta que se toma a partir de varias mediciones de ángulos de contacto. Para este cálculo

existen diversas aproximaciones basadas la medición del ángulo de contacto de diversos

líquidos sobre la superficie en cuestión (Żenkiewicz, 2007).

EL cálculo se basa en la resolución de la ecuación de Young (¡Error! No se encuentra el origen

de la referencia.). Donde σs es la energía calculada, σsl es la tensión de la interface, σl es

tensión superficial del líquido usado e ibp es la interacción entre fases que varía según el

método.

𝜎𝑠 = 𝜎𝑠𝑙 + 𝜎𝑙 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃

𝜎𝑠𝑙 = 𝜎𝑙 + 𝜎𝑠 − (𝑖𝑏𝑝)

Ecuación 1: Sistema de ecuaciones para el cálculo de energía libre de una superficie

Los métodos para el cálculo de ibp su mayoría requieren conocer la división de los

componentes de uno de los líquidos y un líquido neutro, por ejemplo como Fowkes (Fowkes,

1964), y Oss and Good (Good & van Oss and Carel, 1992).La división en componentes puede

ser con las partes dispersa y no dispersa (Fowkes), o por la parte acida y parte básica (Oss and

Good) o por otros métodos como parte dispersa y parte polar (Wu, 1973). No obstante existe

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Preliminares

17

el método de la ecuación de estado de Neumann (Li & Neumann, 1992) que no requiere

división de componentes.

Laboratorios virtuales y remotos Analizando la bibliografía podemos encontrar diversos laboratorios remotos (Broisin, et al.,

2017) (Lowe, et al., 2016) (Zutin, et al., 2016) dedicados a diferentes ámbitos y con diversas

características (Williams & Browne, 2016) (Titov, et al., 2016). Si analizamos los nombres

usados en las referencias anteriores se puede apreciar diferentes nomenclaturas lo cual crea

uno de los principales problemas que surge al estudiar la bibliografía que hay sobre el tema

que tratamos es la gran disparidad en el uso de la terminología y la definición de qué es

exactamente un laboratorio virtual y un laboratorio remoto. Esto se hace patente en algunos

artículos como el trabajo de Couter et al. (Couteur, 2009) en el que se reconoce que cada

autor suelen manejar diferentes nombres para identificar los laboratorios remotos y virtuales

destacando alguna característica esencial de los mismos; por ejemplo, en el trabajo de Eick

(Eick, et al., 1998) (Zutin, et al., 2016) se maneja el concepto de laboratorio web para destacar

la importancia que tienen las herramientas web en la construcción del laboratorio, o el trabajo

de Odeh (Odeh, 2010) en el que utiliza el concepto de laboratorio remoto para ensalzar la

propiedad que tiene el laboratorio para ser manejado a distancia con un ordenador. Sin

embargo, el sistema desarrollado tiene una funcionalidad y un propósito totalmente

equivalente; Por tanto lo razonable es definir una terminología, apoyada en la bibliografía, que

elimine las confusiones. Así pues se van concretar los términos que se consideran correctos.

En este apartado, es necesario empezar por definir que es un laboratorio. De acuerdo al

diccionario de la real academia española por Laboratorio se define como un Lugar dotado de

los medios necesarios para realizar investigaciones, experimentos y trabajos de carácter

científico o técnico.

En definitiva consideramos dentro del contexto de este trabajo que un laboratorio desde un

punto de vista informático, Sistema Informático de Laboratorio (SIL), es un sistema informático

(el lugar) que incluye el conjunto hardware-software necesario (los medios necesarios) para la

realización de investigaciones, experimentos y trabajos de carácter científico o técnico a través

del uso de ordenadores. El sistema SIL puede apoyarse en equipamiento o medios técnicos

físicos disponibles en un laboratorio físico real, y en otros casos, puede encontrarse

virtualizado dentro del propio sistema informático.

Tal y como hemos comentado los términos para referirnos a laboratorios, reales o simulados,

a través de la red es que son confusos. Por tanto es necesario que primero clarifiquemos los

términos usados en este escrito. Podemos definir laboratorio virtual al sistema informático de

laboratorio que proporciona a los usuarios una simulación informática del uso de

instrumentos reales. En cambio el concepto de laboratorio remoto hace referencia como

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Antecedentes

18

aquel software que permite emplear instrumentos reales de forma remota usando la red para

la comunicación entre los diferentes aparatos y el usuario que va a manejar el laboratorio. A

partir de estas definiciones, podemos definir el laboratorio virtual remoto (LVR), como el

sistema informático de laboratorio que permite manejar simulaciones de instrumentos a la vez

que puede hacer uso de instrumentación real de forma remota. Estas definiciones vienen

respaldadas por (Chen, et al., 2010) (Andújar & Mateo, 2010) (Williams & Browne, 2016).

Dado que hemos indicado que un laboratorio virtual lleva a cabo una simulación por tanto es

razonable precisar en que es una de simulación informática. Consideramos que una simulación

informática es un programa que modela un sistema en particular por diversos motivos como:

eliminar aproximaciones o rellenar el espacio entre la teoría y la práctica (Heermann, 1990).

Tras la anterior definición sería correcto precisar que se entiende por experimento en este

documento. Así pues un experimento es la planificación, realización y monitorización de una

serie de acciones con el fin de obtener unas medidas de un fenómeno, dentro de un entorno

controlado que permitan avanzar en una investigación, demostrar teorías, etc.

seguridad. Cuando se analiza el tema de los LVR es correcto referirnos a (Pavón & Ferruz,

2010), estos autores nos comentan como han resuelto en la universidad de Huelva y en la de

Sevilla el problema de poner a disposición de los alumnos un robot. En principio puede

parecer que este sistema no tiene mucho que ver con un LVR. Sin embargo, nos encontramos

con que no es así. En este caso el robot será la instrumentación y los experimentos son

ejercicios de programación. Para su control usan un sistema empotrado conectado a internet,

para usar video emplean una cámara web conectada a un portátil al que se accede a través de

VNC. Tras analizar este caso y viendo la tecnología actual nos parece que el uso de VNC,

aunque efectivo es un poco tosco. Además plantea problemas de acceso para varios usuarios

simultáneos.

En (Andújar & Mateo, 2010) plantean un sistema que aun siendo muy similar al resto en

algunos aspectos, destaca por su sistema de reservas. Si nos fijamos en los artículos

comentados podemos ver que hay un problema: ¿cómo se decide quien usa el sistema si hay

varios usuarios interesados? En este artículo se comenta un sistema de reservas de los equipos

de forma que un alumno puede pedir una “cita” para disponer durante un periodo

preestablecido de los instrumentos. Además permiten que los diversos equipos se reserven

por separado, facilitando el trabajo de varios usuarios a la vez sacando el máximo partido a

los instrumentos.

Otros autores como (Odeh, 2010) y (Williams & Browne, 2016) hacen especial hincapié en que

los LVR se construyen para casos muy concretos dificultando la reusabilidad y obligando a las

personas que quieren crear uno a un gran coste en tiempo y dinero para rehacer el trabajo. Al

igual que nosotros se plantea crear un framework que ayude al desarrollo de LVR. Así plantea

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Preliminares

19

la creación de laboratorios ofrecido usando servicios web cuya interfaz se adapte al equipo

que esté disponible. Sin embargo aunque la idea es muy buena y en parte la usamos en esta

tesis, nos encontramos con que tiene varias limitaciones: solo sirve para equipo basado en el

estándar IEEE-488, no permite ver imágenes reales de lo que está pasando y aunque permite

que el profesor proponga experimentos y que lo usuarios suban sus resultados no admite

comunicación directa.

En la misma dirección se puede ver la propuesta de (Grosclaude, et al., 2008) en este artículo

se nos presenta una arquitectura para LVR en grid, se pretende crear una organización virtual

de diversos laboratorios tantos físicos como simulados que puedan ser compartidos por varias

instituciones, en lo cual se está trabajando (Kalúz, et al., 2013). Si bien no indica de forma

detallada como se trataría el instrumental o qué medida se han de tomar para garantizar una

mínima seguridad, si aporta una arquitectura válida para la distribución de LVR. Además del

software creado para investigación en las universidades existe software comercial destinado a

este ámbito, encontramos que gran parte está centrado en la simulación de laboratorios

proveyendo de laboratorio virtuales (Ma & Nickerson, 2006). Si bien son útiles en ciertos

ámbitos, un laboratorio virtual tiene varios inconvenientes en el ámbito de la enseñanza, ya

que elimina la interacción alumno-alumno y alumno-profesor, y además la falta de contacto

con equipo real empeora el aprendizaje pues el alumno pierde parte del interés y de su

motivación (Mickell, et al., 2007), Por tanto es recomendable el uso de la tecnología para

acercar al máximo el instrumental científico al alumno, cuando se usa equipo real, por ejemplo

usando cámaras de video tal y como se comenta en (Couteur, 2009).

Lo cierto es que tras explorar la bibliografía podemos ver como las características son muy

variopintas desde sistemas interactivos para trabajar sobre microcontroladores como el

presentado en (Choi, et al., 2009), pasando por arquitecturas que permiten el uso de cualquier

aparato e incluso simular redes (Grosclaude, et al., 2008) a alternativas enfocadas a

estudiantes de instituto (Lakatoš, et al., 2016) por lo cual es necesario tener muy claro las

características necesarias que debe tener un laboratorio remoto o virtual antes de empezar a

desarrollarlo. Por tanto en el siguiente punto expondremos las que consideramos principales.

Monitorización

Es bien conocido que millones de personas usan los smartphone a diario (Kakihara, 2014), esto

genera una gran interés de la comunidad investigadora que empieza a indagar en las

capacidades de los smartphones. El resultado es que cada vez se están publicando más

artículos que exploran posibles usos del teléfono inteligente de cara a la investigación o como

mejora de sistemas actuales. Se pueden ver encontrar ejemplos de monitorización y

seguimiento: con robots (Moon, et al., 2011), en el ámbito del cuidado sanitario (Zhang, et al.,

2007), en el transporte (Feng, et al., 2010), y redes de sensores (So-In, et al., 2012) entre

otros.

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Antecedentes

20

Igualmente existen sistema para la toma de medidas y su control permitiendo su acceso a

través de internet como (Cicirelli, et al., 2006) en este artículo se expone una arquitectura para

instrumentos de medida implementado un sistema distribuido basado en servicios. Además

aporta un sistema dinámico de interfaces de usuario que se proporciona usando RMI cuando

el usuario accede a una sistema.

El uso de la tecnología móvil puede ser bastante interesante a la hora de supervisar

experimentos donde la observación del fenómeno en cuestión requiere periodos de varias

horas para finalizar sin que el investigador pueda interactuar. Esto obliga al investigador a

estar allí presente para comprobar que todo es correcto sin prácticamente poder hacer nada

respecto al experimento (Maldonado-Valderrama, et al., 2013) (Torcello-Gomez, et al., 2013).

A esto hay que añadir que por motivos de seguridad es norma común evitar alimentos y

bebidas en laboratorios donde se usan productos químicos. Para algunos científicos es

prácticamente una pérdida de tiempo, pues al tener que estar pendientes del experimento no

se pueden centrar en otra tarea. Actualmente la tecnología permite solventar estos

problemas, se puede emplear LVR que permitan el control completo del laboratorio como se

verá más adelante, pero si no se dan las condiciones necesarias, los experimentos no son

interactivos o se requiere una solución más simple se puede proceder con un monitor que

mantenga al usuario informado del transcurso del experimentos con los datos, gráficas y

notificaciones en caso de errores (Ai & Chen, 2011) (Truong & Vu, 2012). Este sistema puede

monitorizar tanto las mediciones como condiciones del laboratorio tales como humedad,

temperatura, suministro eléctrico, etc. y avisar al investigador usando alguna vía de

comunicación, por ejemplo SMS (Kittisut & Pornsuwancharoen, 2012).

Cuando hablamos de monitorización en el móvil, lo primero que viene a la mente son las

aplicaciones para monitorizar parámetros fisiológicos (Hernandez, et al., 2015) (Chen, et al.,

2013) (Hu, et al., 2016) o el comportamiento humano (Castignani, et al., 2015). Sin embargo

también es posible usar la monitorización y los dispositivos móviles para recibir datos de un

experimento y alertar en casos de que se produzca un evento. En este casos surgen dos

alternativas, aplicaciones web o aplicaciones móviles nativas (Charland & LeRoux, 2011). Si

bien una web puede verse en muchos dispositivos diferentes, tienen un problema, para que

las alertas sean funcionales el usuario tiene que tener el navegador abierto, mientras tanto el

uso de aplicaciones nativas en smartphones posibilita el uso de todas las características, como

servicios en segundo plano, uso de SMS, etc. haciéndolas más capaces para nuestras

necesidades.

Instrumentación móvil Como se ha comentado anteriormente la comunidad investigadora está cada vez más

interesada en el uso del smartphone, para realizar mediciones cada vez más avanzadas con

procesamiento de imagen, tratamiento de datos, diagnosis clínica, monitorización, etc.

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Preliminares

21

(Stauffer, 1965) (Uloza, et al., 2015) (Parisi, et al., 2016) (Cierpka, et al., 2016). Estos estudios

muestran que el uso de móviles puede ser útil no solo para usar herramientas remotas o

monitorizar, también se pueden usar para tomar medidas científicas. Cada vez es más común

encontrar teléfonos con gran cantidad de memoria RAM así como de procesadores potentes y

cámaras de alta resolución. Estas características hacen que este tipo de dispositivos pueda ser

usado para medir tensión superficial, ángulo de contacto, etc. como veremos en el punto

Capítulo 5. Pero antes es necesario explorar que son estas variables físicas y cuál es el proceso

para la realización de este tipo de mediciones.

Procesamiento de imagen

Como se ha expresado en el punto anteriormente los métodos de ópticos en tensiómetros y

goniómetros requieren encontrar el perfil de la imagen para lo cual se pueden emplear

técnicas de segmentación. Existen varias técnicas de segmentación (Coleman & Andrews,

1979) (Canny, 1986) (Kitrungrotsakul, et al., 2018) que siguen procedimientos distintos, a

continuación se detallan los que se han considerado más relevantes.

Los métodos de agrupamiento (Coleman & Andrews, 1979) se basan en la toma de una serie

de centros y en la agrupación de los pixeles en base a su color minimizando la varianza del con

respecto del centro. El centro será recalculado y el procedimiento repetido hasta optimizar las

varianzas.

Métodos de detección de bordes, son métodos que usan operadores matemáticas para buscar

posibles bordes en la imagen basada en el cambio en el gradiente. Estos métodos suelen se

emplean para este tipo de instrumentos, por ejemplo Dinaten, tensiómetro goniómetro

desarrollado en el departamento de Física aplicada de la Universidad de Granada, emplea

operadores como Sobel (Kanopoulos, et al., 1988) y Prewitt (Prewitt, 1970). También es

común el uso de Canny (Canny, 1986) y otros similares como SUSAN (Kalantarian, et al., 2013).

Otras propuestas crean sus propios métodos de detección de bordes (Cabezas, et al., 2006).

Métodos de crecimiento de regiones en este caso se definen unas regiones a partir de semillas

y trata de hacer crecer estas regiones de forma iterativa mediante la comparación de los

píxeles vecinos no utilizados asignándose a la región minimizando la media. El proceso

continua hasta que todos los pixeles han sido asignados a una región. Este método es

dependiente de las semillas, si están mal colocadas el ruido en la imagen puede causar

problemas. Se han desarrollado variantes que permiten definir de forma automática la

posición de las semillas (Al-Faris, et al., 2014).

Método de conjunto de nivel (Osher & Sethian, 1988), se basa en la propagación de curvas

para extraer objetos a partir de una parametrización usando técnicas de Lagrange de acuerdo

a una estrategia de muestreo, las curvas se desarrollan hacia el menor potencial de la función

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Metodología de investigación

22

de coste, esto implica limitaciones de suavidad. Los resultados dependerán de la estrategia de

muestreo. Este método es muy rápido y se emplea en técnicas de visión artificial.

Método watershed (Beucher & Lantuejoul, 1979) (Masoumi, et al., 2012) (Liu, et al., 2015),

trata la imagen como si fuera un mapa topográfico donde se asigna la altura en base al nivel

de gris del pixel. Algunas variaciones emplean el módulo del gradiente en vez del de pixel para

aumentar la relevancia de las líneas divisorias.

Métodos de umbrales (Otsu, 1979), se basan en determinar unas categorías de pixel de forma

que todos los pixeles que tenga un valor entre los umbrales de la categoría son asignados a

dicha categoría. Obviamente, dos categorías no pueden tener valor de pixeles en común.

Existen variantes que permiten calcular umbrales de forma automática de forma que se

facilite el agrupamiento.

Métodos basados en redes neuronales (Roa-Barco, et al., 2018), como su nombre indica estos

métodos emplean redes neuronales para tratar de encontrar objetos durante el

procesamiento de imágenes. Se emplean para el reconocimiento de objetos, caracterización

de imagen, extracción de rostros. Aunque estos sistemas son muy buenos reconociendo

objetos, suelen tener problema para indicar el perfil a nivel de pixel.

Metodología de investigación

Introducción

Como todo lector de este trabajo supondrá, una tesis doctoral no es un trabajo aleatorio, sino

que requiere seguir una metodología basada en unos objetivos, empleando el método

científico y adaptándose a los resultados que se obtienen, sean o no del agrado del

investigador.

En este caso se planteó una tesis dirigida a la ciencia aplicada donde se pretende a partir de

estudios e investigaciones de ciencia base conseguir unos resultados aplicables. Por tanto se

pretendió alcanzar un equilibrio entre ciencia teórica y experimental con el fin de alcanzar

nuestros objetivos.

Las actividades efectuadas durante la realización de esta tesis han estado relacionadas con las

tecnologías de la información y comunicación (TIC), sin embargo tienen un carácter

multidisciplinar ya que durante el proceso el autor de esta tesis ha tenido la oportunidad de

trabajar con el Departamentos de Física aplicada de la Universidad de Granada y el

Departamento Ingeniería Mecánica de York University.

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Preliminares

23

Método científico Durante la realización de esta tesis se ha empleado el método científico, como es bien

conocido se basa en a través de la observación realizar una hipótesis y tratar de demostrarla.

Como es de suponer las hipótesis que se han tomado han ido dirigidas por los objetivos

marcados.

El primer paso de observación ha venido ayudado por la búsqueda de antecedentes y

publicaciones disponible en la comunidad científica. Este paso nos ayuda a ver cuáles son los

últimos avances y a descubrir que puntos necesitan ser tratados. Tras esto se establece el

objetivo que se quiere conseguir y se realiza una hipótesis. A partir de la hipótesis se

desarrolla un trabajo de experimentación y validación. Con los resultados se evalúa si ha

conseguido el objetivo, si todavía es necesario realizar más experimentos o si el objetivo y/o la

hipótesis deben ser modificados. Este proceso se realiza de forma iterativa hasta conseguir

resultados. Es cierto que los resultados no son siempre lo esperado, sin embargo es algo que

se debe asumir, nuestras hipótesis no siempre serán correctas y no tiene por qué ser algo

negativo, si la investigación se ha realizado correctamente los resultados nos ayudarán a

redefinir o establecer nuevas hipótesis que nos llevarán a la obtención de nuevo

conocimiento. Una vez se dispone de resultados y estos han sido validados es importante

publicarlos para ayudar a la comunidad científica a alcanzar nuevas cotas de conocimiento.

Proceso TFM y PhD La investigación que aquí se presenta se inició con el trabajo fin de master titulado

“Framework con soporte de video para laboratorios remotos y virtuales: Aplicación al

laboratorio remoto domótico DOMOLAB”, durante ese periodo se comenzó a trabajar en los

laboratorios remotos y virtuales, sin embargo se llegó a la conclusión de que si bien era una

investigación útil, era necesario ahondar en el funcionamiento de los instrumentos con el fin

de conseguir resultados fiables, novedoso y garantizar que las propuestas fueran aplicables

más allá del mundo de la informática. Este se debe a que a diferencia de otros trabajos, el aquí

propuesto va dirigido a conseguir nuevos métodos que faciliten tanto el uso como la

formación con instrumental de laboratorio. Si bien el apartado informático es imprescindible

es necesario un trabajo multidisciplinar para ver cómo se realizan experimentos con

instrumentos reales y cuáles son las necesidades en otros campos del conocimiento. En el caso

aquí propuesto son los tensiómetros/goniómetros basados en métodos ópticos y empleados

en campos como la física aplicada, la química, la mecánica de fluidos, etc. A partir de aquí se

empezó a considerar:

¿Qué debe tener un buen instrumento?

¿Cómo se pueden mejorar los instrumentos existentes y su uso?

¿Qué se podía aportar a para facilitar la formación en el uso de instrumentos?

¿Cuáles eran las limitaciones de los sistemas remotos?

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Metodología de investigación

24

¿Pueden los monitores suplir las carencias de los laboratorios remotos?

¿Cómo se puede universalizar el uso de los instrumentos?

Durante este trabajo se aportarán resultados que responden a estas preguntas y a otras que

surgieron durante los años que ha requerido la realización de esta tesis. Y es aquí, cuando el

dicho “solo sé que no sé nada” derivado de la obra de Platón “Apología de Sócrates” cobra

sentido de nuevo. Y es que aunque este documento muestre resultados obtenidos durante la

investigación y responda preguntas, la ciencia no se detiene y cuanto más conocimiento se

obtiene, más cuestiones surgen. Por tanto este es un trabajo que no se debe detener en esta

tesis y que como se verá en el punto Trabajo futuro en el Capítulo 6, todavía hay mucho que

investigar y este solo debe ser el inicio de futuras respuestas a nuevas preguntas.

Publicación de resultados Como se ha comentado con anterioridad, los resultados han de ser publicados, pues la ciencia

debe avanzar, y compartir los conocimientos es la forma más sencilla de que otros autores

puedan seguir adelante sin necesidad de repetir un trabajo ya hecho, de la misma forma, esta

tesis se nutre de resultados obtenidos por otros investigadores para alcanzar nuevas cotas. Por

ello de este trabajo han salido artículos publicados en revistas, presentaciones en congresos y

conferencias nacionales e internacionales, etc.

Debido a la falta de financiación estable, el autor de esta tesis ha participado en otros

proyectos de los cuales también se han obtenido resultados, y aunque no estén directamente

relacionas con la tesis que se presenta si han servido para mejorar la formación, perfeccionar

los métodos de investigación y aumentar la experiencia del doctorando.

Todos los trabajos publicados se han listado en el punto Lista de publicaciones en el Capítulo

6.

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Tensiómetros/ goniómetros y su automatización

25

Capítulo 2. Tensio metros/ gonio metros y su

automatizacio n

Introducción

A partir del diccionario de la real academia española, podemos definir la automatización como

el proceso de aplicar uno o varios mecanismos para conseguir que un dispositivo o aparato

funcione parcial o completamente por sí solo. Al igual que otros campos como la industria

(Kolberg & Zühlke, 2015) la automatización se ha aplicado al campo de la instrumentación en

bioquímica (Ahene, et al., 2014) , en química (Arthur, et al., 1992), preproducción industrial

(Khisamutdinov & Khisamutdinov, 2014), microbiología (Novak & Marlowe, 2013) o medicina

(McKinley, et al., 2016). En esta tesis nos centraremos en los tensiómetros y goniómetros

como instrumentos útiles en el campo de la química, física, mecánica de fluidos, etc. Los

cuales si bien están siendo automatizados (Yu, et al., 2016), todavía tienen margen de mejora.

Actualmente existen diferentes tipos de tensiómetros y goniómetros tanto creados en las

propias universidades Dinaten (Holgado Terriza, 2002) como comerciales DSA-100 (KRÜSS

GmbH, s.f.) (Future digital scientific, 2017) basados en métodos ópticos, como puede ser ADSA

(Rıo & Neumann, 1997). Estos aparatos generalmente se componen de un ordenador, de una

cámara CCD, de un sistema para la dosificación (motorizada o no) y una base para gotas

sésiles, inclinadas o medidas de energía superficial, siendo el esquema el mostrado en ¡Error!

No se encuentra el origen de la referencia. y un ejemplo se muestra en la Fig. 2. Estos

sistemas tienen algunas desventajas, son instrumentos muy caros, requieren una instalación

compleja, un gran espacio, el manejo es complicado y son muy voluminosos, en los siguientes

capítulos se verán formas de tratar con ellas.

∆𝑝 = 𝛾 (1

𝑅1+

1

𝑅2)

Ecuación 2: Ecuación para la capilaridad de Young-Laplace donde Δp es la diferencia de presión, γ es la tensión superficial y R1 y R2 los radios principales de la gota.

A nivel software, este tipo de sistemas ópticos siguen el esquema que básico mostrado, Fig. 3.

Una vez se abre un proyecto que representa la información de un experimento se obtiene una

imagen, bien del almacenamiento, bien se toma con una cámara. La imagen se procesa para

obtener el perfil de la gota. El método consiste en realizar un proceso de optimización

empleando el modelo teórico de la gota de Young-Laplace Ecuación 2, hasta encontrar unos

valores de tensión superficial, tamaño, presión, ángulo, etc. que definan un perfil de la gota los

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Introducción

26

más cercano posible al detectado en la imagen. Los valores que resuelven este perfil teórico

son el resultado de la medida. El proceso puede verse en la Fig. 4

Fig. 2: Instrumento típico basado en el método ADSA.

Fig. 3: Diagrama de flujo del método ADSA para el cálculo de la tensión superficial de una gota pendiente.

En este aspecto, Dinaten, un tensiómetro goniómetro basado en el método ADSA,

desarrollado en la Universidad de Granada por Juan Antonio Holgado Terriza y Miguel Ángel

Cabrerizo Vílchez es un ejemplo. Este instrumento está siendo usado en varias universidades

españolas. Y se ha empleado para la realización de experimentos cuyos resultados han sido

publicados en diversas revistas científicas, congresos, workshop, etc. (Maldonado-Valderrama,

et al., 2014) (del Castillo-Santaella, et al., 2014) (Maldonado-Valderrama, et al., 2013)

(Torcello-Gomez, et al., 2013)

En este trabajo se han realizado modificaciones sobre el tensiómetro/goniómetro de alta

precisión basado en Dinaten. Dichas modificaciones han mejorado la automatización del

sistema para el estudio de la evolución del sistema en fenómenos como la adsorción,

desorción, tensión superficial dinámica, o reología entre otros. Los resultados obtenidos han

sido validados y aceptados por la comunidad científica (Maldonado-Valderrama, et al., 2014)

que demuestran que los mecanismos propuestos ofrecen resultados válidos.

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Tensiómetros/ goniómetros y su automatización

27

Se calculan los parámetros

iniciales(Tensión superficial, tamaño de la

gota, etc.)

Se calcula un perfil teórico de la gota (B1,

B2, � Bn) con los parámetros

establecidos

Se calcula el error de la gota

teórica sobre la real usando

una función F

Se optimizan los parámetros para la

generación de las gotas

F no es mínimo

El resultado de

la medición es

dado por los

datos de la gota

teórica

F es mínimo

Se importan los puntos detectados en el

perfil de la gota: (A1,A2�An)

Fig. 4: Calculo de los valores físicos de una gota.

Experimentación con un tensiómetro/goniómetro

Antes de hablar de la experimentación es necesario entender las magnitudes físicas que se

pretenden estudiar.

Como se ha indicado anteriormente los tensiómetros son usados para la medición de tensión

superficial (γ). Esta magnitud física tiende a minimizar la el área de la interfaz entre dos

fluidos. Esto minimización se debe a que las moléculas experimentan una acción con las que

las rodean, creando una fuerza atractiva (fuerzas de Van der Waals). Al encontrarse las

moléculas en equilibrio la fuerza resultante es nula, al menos para las que están en el interior.

Sin embargo en aquellas moléculas que se encuentran cerca o en la interfase la fuerza no

queda compensada por lo que se dirige hacia el interior de la gota, reduciendo el área de la

interfase. Hay que hacer notar que este desequilibrio de fuerzas hace que la energía potencial

sea mayor en las moléculas de la interfase, la contribución energética de todas estas

moléculas se denomina energía superficial. Estas fuerzas son de corto alcance, de ahí que en la

experimentación se empleen gotas.

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Experimentación con un tensiómetro/goniómetro

28

Los goniómetros miden el ángulo de contacto, este ángulo viene definido por la tangente de la

interfase liquida-vapor y la superficie sólida. La forma de la gota depositada en una superficie

es controlada por la energía libre de las tres interfases involucradas liquida-vapor, sólido-vapor

y sólido líquido.

Cuando la gota está en equilibrio termodinámico se cumple la ecuación de Young Ecuación 3,

derivada de la ecuación de Young-Laplace Ecuación 2. La importancia de esta ecuación radica

en que a través del ángulo de contacto podemos determinar de forma indirecta propiedades

como el carácter liófobo/liófilo, rugosidad, etc. (Neumann, et al., 2010) (Miller & Neogi, 2007)

de la superficie. Igualmente puede explicar otros fenómenos como adsorción, la extensión,

etc. (Myers & others, 1990) (Adamson, et al., 1967).

𝜎𝑠 = 𝜎𝑠𝑙 + 𝜎𝑙 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃

Ecuación 3: Ecuación de Young, donde σs, σsl, y σl indican la tensión interfacial solido-vapor, solido-líquido y liquido-vapor respectivamente. Θ define el angulo de contacto.

Tanto en la medida de la tensión superficial en gota pendiente como en la medida del ángulo

de contacto, las gotas se rigen por la ecuación de Young-Laplace Ecuación 2 y cuya única

diferencia en el cálculo viene dada por la deformación producida por la gravedad que se

tomará en un sentido u otro dependiendo del tipo de gota. Esto hace que los instrumentos

usados para medida de tensión superficial y ángulo de contacto sean muy parecidos y que por

tanto muchas veces el mismo instrumento sea un tensiómetro y un goniómetro.

Para estos experimentos se estudian diferentes tipos de gotas:

Pendiente: Este tipo se generan colgando de un capilar y se usa para medir la tensión

superficial e indirectamente para otros valores como la elasticidad y viscosidad.

Pendiente invertida: Se introduce una burbuja de aire en un líquido más denso desde

un capilar en la zona inferior. Se mide la tensión superficial.

Sessile: Esta gota se dispensa sobre una superficie y se mide el ángulo de contacto.

Inclinada: Esta gota se dispensa sobre una superficie que se inclina, midiendo los

ángulos de avance y retroceso.

Cautiva: Si crea desde la zona inferior de una superficie usando un capilar,

normalmente el tamaño de la superficie es muy pequeño pues se pretende medir la

tensión superficial en lugar del ángulo de contacto.

Si bien en el punto anterior, Introducción, se ha comentado como son estos instrumentos y

como realizan los cálculos, no obstante la experimentación es más compleja pues una sola

gota no suele ser suficiente para obtener datos útiles. Con un instrumento de este tipo se

pueden realizar diferentes tipos de experimentos, medida de la tensión superficial, medidas

de ángulo de contacto, medición de energía, medidas de elasticidad, de viscosidad, etc.

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Tensiómetros/ goniómetros y su automatización

29

Dependiendo del tipo de experimento se puede requerir un cambio en el tamaño de la gota,

cuando se experimenta con la dinámica de la gota, o el caso opuesto, la estabilización del

fluido manteniendo la gota de forma estática. En otros casos serán necesarios ambos,

mantener estable durante un tiempo para estabilizar el fluido y luego realizar cambios en el

volumen para obtener más datos como la elasticidad. En el caso de las dinámicas es necesario

dosificar el líquido o incluso inclinar la superficie a la vez que se toman imágenes. En el caso de

experimentos donde se requiera mantener la gota estática, una vez dosificada es necesario

mantener la gota durante un tiempo para estabilizar mientras se toman decenas o cientos de

imágenes y medidas. En el caso de que se requiera cambia de la gota mientras se toman

imágenes ha de usarse el mecanismo de dosificación para cambiar el volumen de la gota. Si

bien es posible realizar estas tareas de forma manual, esto conlleva ciertos problemas, por

ejemplo, ni la dosificación, ni la captura de imágenes será uniforme, otro ejemplo es que la

dosificación no será exacta. Además una vez que se acabe será necesario usar un programa

para realizar los cálculos Hay varias posibilidades para solucionar estos problemas:

Uso de captura de video en vez de fotos para luego extraer capturas de forma

uniforme.

Uso de captura de video en vez de fotos con extracción de capturas y calculo

automatizado.

Uso de dosificación motorizada que permita la dosificación exacta y uniforme.

Automatización de las capturas y dosificación con motorización e integración con el

sistema de cálculo.

La última posibilidad es la más compleja y la que permite mayor potencial pues permite

captura de imágenes y dosificar uniformemente a la vez que puede realizar los cálculos. Pero

no solo eso, una buena automatización además permite que se concatenen dosificaciones de

diferentes volúmenes o velocidades a la vez que se toman capturas a diferentes velocidades

dependiendo de necesidades y todo ello manteniendo la precisión del instrumento. Incluso en

los mejores sistemas es posible usar diferentes fluidos simultáneamente aumentando la

capacidad del instrumento.

La automatización tiene más ventajas, combinado con sistemas que permitan la

programación, permite la reproducibilidad del experimento, pues el investigador puede definir

todo lo que se hará en el experimento y emplear esa definición varias veces. Además al hacer

las diferentes tareas de forma automática reducimos la posibilidad de que se den errores

humanos que puedan afectar a los resultados pues los experimentos al repetirse se harán de

la misma forma.

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Arquitectura de la automatización

30

Arquitectura de la automatización

Puesto que a través del punto Experimentación con un tensiómetro/goniómetro, se ha

considerado que la automatización de los experimentos facilita el uso y mejora la capacidad de

este tipo de instrumentos. Al comienzo de esta tesis, Dinaten, estaba en funcionamiento con

un sistema de automatización, este tenía un defecto: el sistema de automatización estaba

escrito de forma que cualquier cambio afectaba al núcleo. A partir de ahí se consideró que era

necesario cambiar el sistema a uno que mantuviera todas las capacidades y flexibilidad a la vez

que permitiera crear un núcleo estable que permitiera introducir nuevas tareas sin necesidad

de ser alterado. En este trabajo se propone una arquitectura flexible capaz de mantener un

alto grado de automatización, añadir o eliminar capacidades sin necesidad de alterar el núcleo

y adaptable a cualquier instrumento.

Se consideró necesario definir una arquitectura capaz de adaptarse lo máximo posible,

soportar multi-hebrado y tiempo real. Es cierto que actualmente Dinaten no trabaja en tiempo

real, no obstante, tras meditar sobre las posibilidades de automatización se llegó a la

conclusión de que era mejor crear una arquitectura abstracta útil para cualquier instrumento

que soportará automatización. De esta forma la implementación será la que se adapte a los

detalles dependiendo de las necesidades de cada instrumento. Se ha se han definido tres

tipos de estructuras detalladas a continuación y esquematizadas en Fig. 5:

Dinámica: Estructura capaz de planificar, verificar y ejecutar las acciones dentro de un

vector de contenedores.

Contenedor: Objeto abstracto que puede ejecutar un código. Contiene el tiempo de

activación, la duración total. En caso de ser una ejecución de tiempo real dispondrá de

la información de afinidad a un procesador y núcleo.

Proceso: Objeto que hereda de contenedor y que puede generar varias fases, estas

fases se generaran de forma dinámica cuando, la duración total vendrá definida por el

tiempo de generación de las fases más el tiempo de cada fase.

Fase: Objeto que hereda de contenedor y ejecuta una acción simple, es importante que

las fases sean tan simpes como sea posible y que en caso de tener que realizar varia

tareas simultaneas se empleen varias fases con el mismo tiempo de inicio.

Dinámica

�Fase 1...Fase 1 Fase 2 Fase N

Proceso 2

Fase N

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Tensiómetros/ goniómetros y su automatización

31

Fig. 5: Esquema de los distintos elementos.

A partir de estas estructuras un experimento es un vector de contenedores operado por una

dinámica. El uso de fases sencillas independientes permite que se puedan añadir nuevas

funcionalidades con el tiempo sin alterar el código ejecutado por la dinámica y manteniendo la

compatibilidad con los experimentos definidos con anterioridad a los cambios. El

funcionamiento de la dinámica se realiza en cinco etapas explicadas a continuación:

1. Se buscan todos los procesos y se calcula los tiempos en los que se ejecutarán las fases

que componen el proceso.

2. Se crean los temporizadores para cada fase, incluidas las generadas por los procesos de

la forma indicada en

3. Se realiza una simulación para verificar que los datos de ejecución en cada fase son

correctos en base a la configuración del instrumento. Si la dinámica es de tiempo real

se realizará además se verificará que los tiempos son correctos y que dos contenedores

no se ejecutarán en el mismo instante sobre el mismo procesador/núcleo.

4. Se activan los temporizadores.

5. Cuando un temporizador se dispara se ejecuta el contenedor:

a. Si es una fase se ejecuta.

b. Si es un proceso se generan la información necesaria en base al estado del

experimento para las fases correspondientes en el momento de la ejecución.

6. Una vez que todos los procesos y fases han finalizado se procede a las tareas de

limpieza como la liberación de memoria y actualización de la interfaz para informar al

usuario de la finalización, permitir definir o empezar nuevos experimentos, etc.

Dinámica

Fase 1Proceso

1Fase 2

Proceso

2Fase 3

Fig. 6: Ejemplo de funcionamiento, antes de ejecución

Como se ve en el sistema de ejecución de la dinámica definido en esta arquitectura permite

realizar experimentos en tiempo real si el instrumento lo permite y admitiendo varias tareas

simultáneamente, verificando en todo momento que la programación del experimento es

correcta.

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Automatización en Dinaten

32

Dinámica

Fase 1 Fase 2 Fase 3

T0 T1 T2 T2 T3

Proceso 1

F1 F2

T1+0.2 T1+0.5

Proceso 1

F1 F2

T1+0.2 T1+0.5

Proceso 1

F1 F2

T3+0.1 T3+0.7

Proceso 1

F1 F2

T3+0.1 T3+0.7

Fig. 7: Ejemplo de funcionamiento, etapa 2

En cuanto al usuario, no es necesario que conozca qué tipos de fases hay o como se realizan.

En la interfaz se le pueden ofrecer tareas complejas incluso obligar a que se ejecuten

secuencialmente de forma que solo tiene que programar los datos del experimento. Una vez

programado el software puede traducir las tareas complejas en procesos o fases y guardar la

información para crear el vector de contenedores que será ejecutado por la dinámica. Un

ejemplo es un experimento en el cual se requiere realizar n mediciones a la vez que se mueven

un actuador durante un tiempo t. El usuario solo dirá que quiere hacer esa tarea, entonces el

software creará las fases necesarias de forma que se programarán las distintas mediciones y el

movimiento del actuador, en este ejemplo pueden ser n+1 fases, n de tipo medición y una de

tipo actuador, de forma que las n fases de medición se realicen de forma secuencial,

calculándose el tiempo de inicio de cada fase de forma que las mediciones se realicen

uniformemente en el tiempo t a la vez la primera fase de medición y la fase de actuador

comenzarán en el instante 0 y la duración total de la fase de actuador será t.

Automatización en Dinaten

Como se ha comentado anteriormente, al comienzo de esta tesis Dinaten ya estaba en

funcionamiento y disponía de un sistema para automatizar los experimentos. En el caso de

Dinaten el experimento estaba basado en un proceso compuesto por fases, la clase dinámica

lee las fases de forma secuencial y ejecuta la información. El problema es que la información

de fase puede conllevar varias tareas simples, capturar una foto, inyectar, cargar, etc.

ejecutadas simultáneamente. Asimismo las tareas simples pueden ser ejecutadas en distintos

tipos de fase. Con el fin de realizar estas tareas la clase dinámica usa una serie de banderas

para decidir que se ejecuta dentro de la fase. El resultado es que en caso de hacer algún

cambio en el funcionamiento de las diferentes fases o añadir nuevas funcionalidades es

necesario modificar la clase dinámica, con los posibles daños colaterales que puede ocasionar,

creando múltiples complicaciones a la hora de mantener el código. Igualmente no permitía el

uso de fases que en función del estado del experimento.

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Tensiómetros/ goniómetros y su automatización

33

Una de las aplicaciones de Dinaten es su uso para la realización de reologías, con el fin de

medir entre otras la elasticidad y viscosidad de un fluido. Una de los métodos para realizar la

medición de las propiedades mencionadas es la inyección y extracción de fluido siguiendo un

patrón sinusoidal con varia repeticiones mientras se mide la tensión superficial del líquido.

Tras finalizar las repeticiones se calcula la elasticidad y viscosidad tal y como se muestra en el

trabajo (Myrvold & Hansen, 1998).

La aplicación de este método en Dinaten, no era posible debido a que funciona con inyectores

Hamilton: MicroLab 500, MicroLab 900 y PSD3. Estos inyectores funcionan a través de puerto

serie en el cual reciben las órdenes para la inyección, extracción, cambio de válvula, etc. El

problema radica en que estos dispositivos solo pueden inyectar o extraer líquido de forma

lineal, por tanto no se puede crear una onda sinusoidal directamente.

Una forma de paliar este problema es empleando una función triangular basada en una

inyección y al terminar una extracción repitiendo esta operación tantas veces como se

necesario. Inicialmente los investigadores tenían que hacer la programación de las inyecciones

y extracciones con la captura de imágenes manualmente. Así pues la primera tarea fue crear

un sistema para que el usuario pudiera programar solo una fase de reología que de forma

trasparente de traduce en varias fases de inyección y extracción con captura aun así el hecho

de tener que modificar la clase de dinámica que gestiona que se hace conllevó problemas de

mantenimiento.

Aquí entra la nueva arquitectura que soluciona los problemas de posibles daños colaterales

cuando se añade nueva funcionalidad. Igualmente arquitectura propuesta en este trabajo

permite que se modifiquen las fases en tiempo de ejecución. Esta última característica es

importante para la creación de reologías sinusoidales basadas en área. Como se ha comentado

el inyector empleado en Dinaten solo admite órdenes para la inyección lineal de volumen,

puesto que no hay una relación fija y exacta entre volumen y área, que funcione en todos los

líquidos, como se mostrará más adelante, no es posible hace un sistema que calcule las fases

necesarias para llevar a cabo esta operación en el momento en que el usuario programa su

experimento. Sin embargo Dinaten dispone de un sistema inteligente para calcular la cantidad

de volumen necesaria en una extracción o inyección con el fin de conseguir un cambio

determinado en el área de una gota. Este sistema está diseñado para mantener el área o la

presión de una gota con el paso del tiempo, lo cual es muy útil en experimentos donde es

necesario mantener la gota durante un tiempo largo con el fin de conseguir un estado de

equilibrio en el fluido. Para el caso presentado en esta tesis la parte interesante es sistema que

controla el área. El área de la gota está relacionada con el volumen de la forma en que se

presenta en la Ecuación 4 (Holgado Terriza, 2002) donde k es aproximadamente 1 (Faour, et

al., 1996)

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Automatización en Dinaten

34

𝑉13⁄ ≈ 𝑘𝐴

12⁄

Ecuación 4: Relación entre el área y el volumen de una gota

Considerando los incrementos de volumen es posible obtener la Ecuación 5 (Holgado Terriza,

2002)

𝑉(𝑡) − 𝑉(𝑡 − 1) ≈ 𝑘𝐴(𝑡)12⁄ [𝐴(𝑡) − 𝐴(𝑇 − 1)]

Ecuación 5: Relación entre volumen y área cuando hay cambios en el volumen

Para obtener un incremento en el área de la gota es necesario un mayor incremento en el

volumen, puesto que la relación varía según el fluido y las condiciones del experimento como

la temperatura y que la formula no es exacta no es posible definir una cantidad específica.

Para solucionar este problema Dinaten implementa un sistema basado en lógica difusa que

combinado con la Ecuación 5 permite calcular el volumen indicado para alcanzar un área de

gota especifica. Haciendo uso del sistema inteligente y con la nueva arquitectura es posible

crear un método de oscilación que aproxime una onda sinusoidal usando el área de la gota.

El método propuesto para la aproximación sinusoidal se basa en realizar varias fases de

control secuencialmente, cada fase tendrá una duración fija. Puesto que Dinaten no trabaja en

tiempo real puede haber retrasos entre fases debido a varios factores como otras tareas en el

sistema operativo o el retraso de la orden en el inyector que de media es aproximadamente

120ms, es imposible determinar con exactitud el área objetivo en cada fase de antemano. Con

la arquitectura propuesta es posible calcular de forma dinámica el objetivo cada vez que se

ejecuta la nueva fase, de esta forma se corrige cualquier retraso que se pueda dar. El objetivo

es que al inicio de cada fase sabiendo el instante t en el que está y cuánto dura sea posible

determinar el área que se debe alcanzar durante la fase en ejecución. Para ello se evalúa la

Ecuación 6.

𝐴 = sin(𝑡)

Ecuación 6: Área que se debe alcanzar en el instante t

Aplicando el método descrito en el párrafo anterior, se ha creado una versión de Dinaten que

usando los nuevos parámetros sea capaz de realizar reologías basadas en área. Para está

prueba se usó Octopus una configuración hardware con dos inyectores Hamilton PSD/3

equipados con válvulas 8/1 y jeringas de 125μl. Se emplearon fases con una duración de

250ms, se escogió esta duración para dar tiempo suficiente al inyector, el cual tiene un tiempo

de respuesta medio 120ms, de forma que se garantice que durante la fase al menos llega una

orden al inyector, se hicieron reologías de entre dos ciclos y veinte ciclos con una amplitud de

5 mm2 y un periodo de 2.5ms. Para el experimento se usó agua pura. Si bien los resultados aún

son preliminares, el sistema funciona adecuadamente, véase Fig. 8. Esto demuestra que la

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Tensiómetros/ goniómetros y su automatización

35

arquitectura que se propone es correcta y cumple con lo que se requiere de ella. No obstante

al ser resultados preliminares se requieren más pruebas para garantizar que no hay algún

error de implementación antes de poner esta versión en producción.

Are

a (m

m)

Tiempo (s)

Fig. 8: Grafica de una reología sinusoidal usando el sistema propuesto, en naranja los datos medidos, en azul puntos teóricos de la función sinusoidal.

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Introducción

36

Capítulo 3. Laboratorios virtuales y remotos

Introducción

Los laboratorios remotos y virtuales proporcionan una nueva alternativa de acceso a

instrumentos científicos de alta precisión de un coste elevado tanto en su adquisición como en

su utilización como sucede con los tensiómetros/goniómetros. En función de la tecnología

distribuida utilizada y el protocolo de comunicaciones es posible monitorizar dichos

instrumentos desde cualquier ubicación.

En este caso encontramos una diferencia ente los LR y los LV, mientras los LR realizan el

experimento de forma similar a como se realizaría de forma presencial, los LV realizan una

simulación en base a unos parámetros y un modelo matemático.

Dentro del ámbito universitario es común en carreras técnicas y científicas manejar distintos

tipos de instrumentos de laboratorio. Debido al alto coste de estos equipos, su acceso suele

estar limitado. Además estos instrumentos pueden requerir un entrenamiento específico por

lo que su uso queda restringido a técnicos de laboratorio que, en caso necesario seguirán las

pautas de un investigador, y realizarán los experimentos. Un ejemplo de este tipo de prácticas

las podemos ver en el centro de instrumentación científica de la UGR, donde son los técnicos

los que manejan los instrumentos.

El uso de laboratorios remotos puede facilitar a investigadores el acceso a equipos de

instrumentación a distancia y desde cualquier lugar geográfico para lo cual se necesita trabajar

con arquitecturas cliente-servidor y donde los resultados pueden ser accesibles a través de la

nube. Por otro lado el uso de un servidor que controle dicho instrumento puede introducir

diversos sistemas de control y registro que eviten un uso inadecuado de los equipos. Incluso

pueden permitir el uso de observadores, estos observadores pueden ser estudiantes

aprendiendo a usar los equipos o técnicos especializados que garanticen que no se realizan

tareas peligrosas con el equipamiento.

Actualmente se pueden encontrar diversos LR y LV en diversas áreas del conocimiento en

electrónica (Landin, et al., 2015), uso de láseres o navegación por satélite (Titov, et al., 2016)

en algunos casos, incluso de forma compartida entre diferentes universidades (Kalúz, et al.,

2013), pero incluso con esta diversidad es posible ver que un motivo recurrente es permitir a

los usuarios el acceso desde cualquier lugar a cualquier hora, también se puede apreciar que

normalmente incluyen sistemas de identificación de usuarios, o que usan sistemas para

protegerse (Williams & Browne, 2016) (Zutin, et al., 2016).

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Laboratorios virtuales y remotos

37

Uno de los problemas comentados en el estado del arte es incluso cuando se crean LRV

muchas veces son tremendamente específicos (Grosclaude, et al., 2008) impidiendo cualquier

tipo de usabilidad. Para cubrir estos aspectos se propone una arquitectura que defina y

especifique las necesidades a la vez que se plantea un framework que de ejemplo y pueda ser

usado para la construcción de LRV. Este framework pretende facilitar la creación de entornos

remotos para el en nuevos instrumentos y la adaptación de equipos existentes tanto en el

campo de la investigación como en el campo de la educación.

Así pues disponer de un sistema informatizado que permita el acceso a los instrumentos de

forma remota podría mejorar las condiciones de uso para los alumnos mejorando su

rendimiento y su aprendizaje. Algunas de las ventajas pueden ser:

1. Acceso al instrumental sin problemas de horario.

2. Flexibilidad en los horarios especialmente en el caso de los estudiantes que trabajan.

3. Reducción del tiempo de espera para uso de los instrumentos al repartir los usuarios en

toda la jornada.

4. Registros de la actividad de los estudiantes.

5. Eliminación de la necesidad de desplazamientos a centros de instrumentación.

6. Incremento en las medidas de seguridad y limites en los experimentos que los usuarios

pueden realizar.

Obviamente no todo pueden ser ventajas, algunos de los problemas que pueden crear los LVR

son:

1. Problemas de seguridad.

2. Es necesario implementar controles exhaustivos de los usuarios y de que hacen.

3. Fallos en el control de las acciones pueden permitir al usuario realizar tares que no

debería ser capaz.

En el ámbito empresarial los desarrolladores de instrumentos de laboratorio tienen la

necesidad de mostrar a los clientes potenciales las bondades de sus productos. Actualmente

solo pueden hacer uso de marketing y a través de la venta de sistemas de demostración faltos

de muchas características de los dispositivos finales o desplazándose hasta donde está el

cliente. Disponer de un sistema que facilite el acceso remoto a sus componentes permitiría

que los consumidores tuvieran la oportunidad de probar los equipos cualquier lugar antes de

su adquisición independientemente de su localización geográfica. También permitiría que

empresas puedan ofrecer alquiler de equipos de forma temporal para la realización de

experimentos de la misma forma que actualmente algunas empresas ofrecen servicios de

impresión 3D.

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Introducción

38

Igualmente estos sistemas pueden ser útiles en el ámbito de la educación, donde se pueden

utilizar en educación a distancia y combinado con eLearning, no obstante esta posibilidad no

se detallará en este trabajo al estar en otro ámbito.

Es cierto que se pueden emplear sistemas como escritorio remoto (RDP) y VNC, sin embargo,

estos sistemas dan acceso completo al usuario al sistema, con los riesgos que ello comporta

de, ahí que en esta propuesta trata de ofrecer una sistema específico que solo permita el

acceso a la instrumentación.

Es cierto que no todos los instrumentos pueden ser adaptados a las exigencias de los sistemas

remotos. Sin embargo existen otras opciones como la monitorización y el uso de móviles que

serán tratadas más adelante.

Esta capitulo se centra en el servidor, que requiere: organizar la arquitectura, que

componentes deberían ser ofrecidos y se propone un caso práctico con el fin de demostrar las

hipótesis propuestas.

En el capítulo anterior se ha hablado de las posibilidades que ofrece la automatización. Esta

automatización permite en el caso de los LVR que el usuario realice una programación de

tareas y las ejecute, evitando cualquier retraso debido al tiempo de reacción humano, a la red,

etc. y permitiendo que pueda realizar experimentos en tiempo real. En el caso de los

monitores, de los que se hablará en el Capítulo 4, donde es necesario observar procesos que

requieren mucho tiempo la automatización permite que el proceso sea dinámico, de forma

que el instrumento adapte las condiciones cuando sea preciso o que al finalizar una

observación automáticamente se comience la siguiente. Así pues añadir automatización a un

instrumento remoto y en especial al monitorizado es un buen complemento pues da mucha

flexibilidad a los estudiantes e investigadores que pueden realizar una programación de tareas

más o menos complejas sobre todo en el casos de monitorización si reducimos la

interactividad al comienzo del experimento podemos obtener todo su potencial, ya que si

todo va bien el investigador no tiene que desplazarse al laboratorio hasta que el experimento

finalice. Así mismo la automatización es un proceso útil en la labor científica, pues una vez

programado el experimento se puede usar en varias ocasiones de la misma forma lo cual

garantizará que los resultados sean reproducibles y evitará que el investigador tenga que

repetir los mismo pasos varias veces lo cual a su vez evitará errores humanos.

Tal y como se verá en el punto Características generales de un laboratorio, se pueden

encontrar características comunes independientemente del tipo de experimentos que se

realizan en cada laboratorio. Por ende aunque puede ser interesante crear un sistema de

laboratorios remotos específico para tensiómetros/goniómetros, se considera más interesante

crear un sistema que pueda ser útil para cualquier laboratorio de forma que pueda ser

aplicado en diversos campos.

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Laboratorios virtuales y remotos

39

Los resultados expuestos en este punto han sido publicados en la revista International Journal

of Online Engineering (Muros-Cobos & Holgado-Terriza, 2012)

Características generales de un laboratorio

Conceptualmente a partir de la Fig. 9 podemos determinar que un laboratorio es un lugar con

diversos instrumentos, en el que los investigadores, y estudiantes trabajan realizando

experimentos y que tiene restricciones de acceso para evitar que personal no cualificado

pueda poner en riesgo su salud, la salud de los otros usuarios, el material contenido, etc. Por

tanto se pueden encontrar tres tipos de actores:

Investigadores/técnicos: Personal cualificado que realiza experimentos como parte de

sus tareas profesionales.

Estudiantes: personas que realizan los experimentos como parte de su formación,

generalmente con poca experiencia.

Personal de apoyo: Personal administrativo y de seguridad que se encarga de definir

quién puede acceder a los laboratorios.

Laboratorio

Fig. 9: Imagen conceptual de un laboratorio

A partir del concepto de laboratorio podemos definir las características necesarias para un LVR

en base a los aspectos que definen sus propiedades y tipos más importantes a través de los

distintos aportes hechos al tema. Además una vez tengamos claros cuales son las cualidades

más deseables de un LVR podremos intentar agregarlas a nuestro diseño.

Ubicación La situación u ubicación del laboratorio o de las partes que forman parte del sistema nos

permitirá diferenciar los laboratorios virtuales en función de donde estén situados (Bencomo

& Medina, 2010)

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Características generales de un laboratorio

40

Acceso local: el laboratorio virtual se ejecuta en la misma máquina del usuario que va a

acceder al laboratorio. Un ejemplo es el sistema Simulink® dentro del marco de Matlab

(MathWorks, 2011).

Acceso remoto: en esta caso la parte principal de control y monitorización del sistema

se ejecuta en una maquina remota. Esta máquina proporciona una aplicación visor o

navegador a través del cual podemos contactar con la máquina remota. Esta opción

puede disponer de la ventaja de que el usuario no sepa si está ejecutando realmente

instrumentación real o es solo una simulación. Un ejemplo es el sistema SmartScience®

(Smart Science, 2011) empleado en algunas universidades para proveer de acceso a

instrumentos y material educativo relacionado con los experimentos.

En el caso de los laboratorios remotos, éstos siempre se ejecutan por definición de forma

remota. Por lo tanto, el equipamiento del instrumento y el experimento que se va a realizar

ocurren en una ubicación distinta a la ubicación en la que se encuentra el usuario. El sistema

proporciona algún tipo de visor o aplicación cliente para que el usuario pueda iniciar, visualizar

y monitorizar el experimento o el fenómeno que está ocurriendo como si estuviera en la

misma ubicación que el laboratorio.

En contraposición, un laboratorio tradicional sería aquel en el que tanto el equipamiento

como el experimento se encuentran en el mismo ordenador o equipo.

Interactividad La interactividad es la propiedad que determina el grado de interacción que tiene el usuario

con el laboratorio remoto/virtual. El grado de interacción permite la inmersión del usuario en

el laboratorio mejorando su experiencia de usuario. A la hora de crear un laboratorio

remoto/virtual este puede dar acceso a diferentes tipos de instrumentos reales o simulados.

Aquí por tanto debemos caracterizar diferentes situaciones:

No interactivos: estos laboratorios remotos/virtuales disponen de acceso a

instrumentos de medida los cuales no pueden ser alterados por los usuarios. Un

ejemplo es MADAMS (Cicirelli, et al., 2006)

Interactivos: estos entornos, además de tomar medidas permiten el uso de los distintos

dispositivos de forma que el usuario pueda hacer uso completo de la herramienta. Un

ejemplo está en Web-Based Courseware (Gomes, et al., 2000)

Definición de experimentos Independientemente de las características anteriores podemos definir las siguientes

cualidades:

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Laboratorios virtuales y remotos

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Definibles: En estos laboratorios el usuario puede desplegar sus propios

procedimientos o programas y comprobar los resultados. Un ejemplo es LabView®

(National Instrument, 2017)

o Entorno definible: Con este tipo de laboratorios solo podemos definir las

variables con las que se ejecutará un experimento.

o Ejecución definible: En este caso se puede definir las variables iniciales del

experimento, podemos definir las acciones a ejecutar así como su orden de

ejecución. En ciertos casos el LVR puede ser de entorno y ejecución definible.

No definibles: Este software emplea los datos de un experimento concreto ya

definidos, y por tanto el usuario no puede realizar ningún tipo de cambio, sino

ejecutarlo tal y como el desarrollador o autor del laboratorio haya determinado. Un

ejemplo es MADAMS (Cicirelli, et al., 2006)

Verificación Independientemente de cómo se defina el experimento el laboratorio puede permitir el uso

de diferentes tipos de test y pruebas para verificar los resultados.

No verificable: El laboratorio virtual/remoto no permite aplicar ningún tipo de test

sobre el experimento.

Verificable: El laboratorio virtual/remoto permite verificar el experimento con una serie

de pruebas.

o Definible: El usuario puede definir los test o pruebas para verificar la correcta

ejecución del experimento.

o No definible: Los test para la verificación viene predefinidos en el propio

sistema.

Distribución

Como muestra la literatura (Cicirelli, et al., 2006) (Grosclaude, et al., 2008), la localización de

los elementos del laboratorio puede ser variable o no, por lo que éstos que pueden ser:

Centralizado: Todos los instrumentos se conectan a un servidor central el cual

proporcionará acceso a todos los dispositivos para los distintos clientes. Un ejemplo es

SmartScience® (Smart Science, 2011)

Distribuido: Los clientes acceden a los instrumentos los cuales estarán conectados

a distintas máquinas que proporcionaran los distintos servicios. Un ejemplo es Grid

Virtual Laboratory Architecture (Grosclaude, et al., 2008)

Simulación

Los laboratorios suelen ofrecer la posibilidad de realizar una simulación para reproducir el

experimento pudiendo cambiar incluso la configuración inicial. Puede haber varios métodos

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Características generales de un laboratorio

42

dependiendo de si usamos un modelo informático o un modelo real a escala como medio de

simulación.

Informática: Los componentes usados en la simulación son imitados por un ordenador.

Simulink® (MathWorks, 2011) emplea este tipo de simulación.

Real: Los componentes usados son componentes reales que imitan un sistema a gran

escala. Por ejemplo MADAMS (Cicirelli, et al., 2006)

Mixta: Emplea tanto componentes virtuales como reales. Un ejemplo es Grid Virtual

Laboratory Architecture (Grosclaude, et al., 2008)

Propósito del laboratorio El desarrollo de un laboratorio virtual/remoto se puede hacer con varios propósitos:

Educativo: Su función es la de formar a estudiantes enseñando como se realizan

determinados experimentos así como analizar los resultados que se obtienen.

Profesional: Están pensados para recrear el comportamiento de un sistema y así poder

verificarlo antes de llevarlo a la práctica.

Mixto: Son laboratorios virtuales/remotos que pueden tener ambos propósitos.

Soporte de video Un laboratorio puede disponer de soporte para video que permita a los usuarios ver lo que

ocurre con la instrumentación.

Con soporte: Admite soporte de video en directo en modo streaming.

Sin soporte: No permite la retransmisión de video.

Instrumentación El objetivo de un laboratorio virtual/remoto es proporcionar acceso a instrumentación.

Dependiendo de las bondades de la implementación podrán incorporarse o no nuevo equipo

así será:

Dinámico: Permite que se añadan, modifiquen o eliminen instrumentos

Estático: Solo soporta los equipos incorporados.

Control de acceso y registro Es muy importante garantizar que el LVR solo puede ser utilizado por personal autorizado,

además debe quedar constancia de quien usa el sistema y como lo usa. Por lo general solo un

usuario empleará el instrumento, no obstante es posible que se permitan observadores:

Personal en formación: Estos observadores podrán ver como se realizan los

experimentos y tiene valor didáctico y no pueden intervenir directamente.

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Laboratorios virtuales y remotos

43

Administradores: Observadores que garantizan que no se realicen acciones

inadecuadas y pueden parar el experimento si lo considera necesario. Función útil para

técnicos de laboratorio.

Características de los tensiómetros/goniómetros

Como se ha comentado en puntos anteriores los tensiómetros y goniómetros son

instrumentos usados para medir la tensión superficial y el ángulo de contacto

respectivamente. Es frecuente que los tensiómetros/goniómetros basados en métodos ópticos

cuenten inyectores u otros sistemas controlados por ordenador para dispensar la gota en la

que se va a medir. De la misma forma que se explicó en el Capítulo 1 es posible automatizar

las tareas y los experimentos reduciendo las interacciones directas del usuario con el

instrumento. Igualmente hay dispositivos como el DSA-100 (KRÜSS GmbH, s.f.) que permiten

desde el ordenador mover tanto la posición del capilar como la posición de la plataforma

donde se sitúan las superficies para la medición de ángulo de contacto o como Dinaten el cual

puede manejar diversos líquidos de forma simultánea. Como se ha comentado en puntos

anteriores los tensiómetros y goniómetros son instrumentos usados para medir la tensión

superficial y el ángulo de contacto respectivamente. Es frecuente que los

tensiómetros/goniómetros basados en métodos ópticos cuenten inyectores u otros sistemas

controlados por ordenador para dispensar la gota en la que se va a medir. Tal y como se

explicó en el Capítulo 1 es posible automatizar las tareas y los experimentos reduciendo las

interacciones directas del usuario con el instrumento. Igualmente hay dispositivos como el

DSA-100 (KRÜSS GmbH, s.f.) que permiten desde el ordenador mover tanto la posición del

capilar como la posición de la plataforma donde se sitúan las superficies para la medición de

ángulo de contacto.

Cuando el instrumento tiene las características citadas anteriormente el investigador lo

prepara, sitúa la muestra en el aparato y a partir de ese momento todas las interacciones se

realizan con un ordenador. Esta combinación de elementos permite su uso de forma remota

pues si se dispone de un técnico en el laboratorio, este podría realizar las operaciones previas

y situar los líquidos y/o superficies en el instrumento, a partir de este momento el investigador

podría de forma remota realizar sus experimentos sin necesidad de estar en el laboratorio.

Una vez finalizado el proceso, el técnico procedería a limpiar el instrumento y en caso de ser

necesario prepararlo para el siguiente investigador.

A nivel educativo puede ser útil por ejemplo en los procesos de gota pendiente, donde se

puede disponer de depósitos con diferentes líquidos, incluyendo agua y alcohol para que los

propios estudiantes puedan limpiar el sistema y realizar mediciones en líquidos con diferentes

propiedades. A la vez que siguen la documentación explicativa de lo que ocurre y su

significado físico/químico.

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Fases de un experimento

44

Fases de un experimento

Los laboratorios proporcionan distintos tipos de herramientas para la definición y

configuración de un experimento, su puesta en marcha, y la obtención de resultados y su

análisis. Para sistematizar el procedimiento de medida es necesario determinar las distintas

fases que tiene un experimento así como los posibles tipos que podrán o no estar disponibles

en un laboratorio virtual o remoto.

Además de las fases del experimento hemos de tener en cuenta que este proceso requiere

una preparación así pues vamos a dedicar el primer punto a determinar las fases de la

preparación de un experimento. Posteriormente trataremos las fases de un experimento.

Etapa de preparación: En esta etapa se realizarán todos los protocolos previos a la

realización de un experimento. Si esta fase no se realiza correctamente, aunque

ejecutemos de forma perfecta un experimento los datos obtenidos no serán correctos.

o Fase de preparación de materiales: Se seleccionan y determinan los materiales y

herramientas necesarias para la realización de un experimento. Si no puede

realizarse de modo automático, un técnico de laboratorio se encargará de

prepararlos.

o Fase de preparación del entorno: En esta fase se adecuará el entorno de trabajo

al experimento que se vaya a realizar.

o Fase de calibración: Diversos mecanismos de recolección de datos requieren ser

configurados y calibrados antes de sus uso.

Etapa del experimento: Durante esta etapa se realizarán las operaciones del

experimento siguiendo un protocolo establecido. Su correcta ejecución nos permitirá

obtener resultados válidos y reproducibles de un experimento.

o Fase de inicialización: Durante esta fase se establece el entorno en el cual se

desarrollará un experimento. Puede haber dos tipos:

De ejecución definible: En este caso se definirán las acciones a ejecutar

además de las variables del entorno.

De ejecución fija: En este caso las acciones a ejecutar son siempre las

mismas y solo se definen las variables propias para el experimento.

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Laboratorios virtuales y remotos

45

o Fase de ejecución: En esta fase se realizará el experimento ejecutando todas las

acciones necesarias. Existen dos posibilidades:

Ejecución interactiva: Con este tipo de ejecución el usuario puede

modificar el experimento durante su realización en tiempo real.

Ejecución no interactiva: Usando este sistema el experimento se realizará

sin permitir ninguna modificación.

o Fase de resultados: Durante este estado se devuelven al usuario los datos

resultantes de las operaciones realizadas durante la ejecución. Hay dos tipos no

excluyentes:

Informe: En este caso los resultados se dan a modo de informe una vez

finalizados los experimentos.

Monitorización: Este tipo de resultados se devuelven en tiempo real

durante la ejecución del experimento, de este modo el usuario puede

visualizar la evolución de las variables de medida.

Arquitectura de un laboratorio remoto

Tras identificar los aspectos que caracterizan un laboratorio, se puede definir un LRV como un

laboratorio compuesto por una serie de elementos: uno o varios instrumentos, un servidor, un

adaptador instrumento-servidor, un cliente y de forma opcional sistemas de captación de

imágenes.

Formalmente, se define como una tupla de elementos:

{{Instrumentos, Cámaras}, Adaptadores, Servidor, Clientes}

En esta propuesta se plantea una arquitectura centralizada que se considera puede ofrecer

todo lo necesario para el desarrollo de LVR, dicha arquitectura ha sido empleada para la

creación de un framework que facilite la reusabilidad a la vez que haga que programar un LRV

sea más rápido y sencillo.

La arquitectura centralizada nos aporta una serie de ventajas:

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Arquitectura de un laboratorio remoto

46

Facilidad de gestión de usuarios: no se requiere sincronizar nodos ni controlar posibles

interbloqueos generados por el acceso simultáneo desde diferentes puntos.

Se eliminan posibles problemas concurrencia derivados de las limitaciones de usuarios

en los dispositivos.

El cliente queda desacoplado del laboratorio.

Seguridad: los clientes solo pueden acceder a los instrumentos a través del servidor,

por lo que se pueden verificar todas las órdenes antes de procesarlas.

Facilidad de gestión en las políticas de seguridad: Solo se deben configurar las políticas

de seguridad y cortafuegos en un ponto.

Por supuesto también existen inconvenientes:

Se pueden producir cuellos de botella en el servidor.

El número de usuarios simultáneos queda limitado por las capacidades del hardware y

de ancho de banda del servidor.

En caso de caída del servidor cae todo el sistema.

Una violación de la seguridad afecta a todos los usuarios.

Puesto que esta propuesta se enfoca en proporcionar lo necesario para el desarrollo rápido y

fácil de LVRs, la sencillez de la arquitectura se vuelve clave, como se desprende de la lista de

características anteriores la arquitectura centralizada nos provee de una alternativa sencilla.

A nivel lógico, la arquitectura propuesta implica cuatro capas Capa de dispositivos: en esta

capa se encuentras los instrumentos, las cámaras y el software de control en caso de ser

necesario.

Capa adaptadora: en esta capa se encuentran los componentes necesarios para

conectar los instrumentos con el servidor de LVR.

Servidor LVR: esta capa es la que se encarga de organizar todos los datos y ofrecer los

servicios a los clientes. Aunque el LVR opere con instrumentos de tiempo real, esta

capa podrá funcionar sin él pues será la capa adaptadora la que se encargue de hacer el

acople entre sistema de tiempo real y sistema sin tiempo real.

Clientes: en esta capa se encuentran las aplicaciones clientes que permitirán a los

usuarios acceder a los instrumentos y realizar experimentos.

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Laboratorios virtuales y remotos

47

Adaptador Adaptador Adaptador

Cap

a d

e

dis

posi

tivo

s

Cap

a

ad

apta

do

raServ

ido

r LV

RC

liente

s

Fig. 10: Capas del LVR propuesto

Debido a su complejidad a continuación se explicará en más detalle las capas adaptadora y de

servidor.

La capa adaptadora tiene la tarea de conectar los instrumentos al servidor y de servir como

último filtro que evite ordenes que puedan dañar los dispositivos. Para ello empelará tantos

adaptadores como sea necesario, de esta forma cada adaptador será específico para el tipo de

instrumento que controle. Al disponer de diferentes adaptadores especializados se pueden

imponer en cada uno tantas restricciones y filtros como sea necesario para evitar que en caso

de error o ataque el instrumento ejecute una orden que pueda dañarlo de forma alguna.

Igualmente el hecho de disponer de varios adaptadores habilita la posibilidad de que cada uno

convierta los datos del formato nativo a uno apto para el servidor. Otra de las ventajas es que

cuando se añada un nuevo instrumento de un tipo diferente no afectará al resto de

dispositivos pues el adaptador será diferente, lo cual reduce el coste de mantenimiento al no

ser necesario hacer cambio en los adaptadores en producción. En consecuencia es posible

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Arquitectura de un laboratorio remoto

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conectar diversos instrumentos con diferentes requisitos, tiempo real, conexiones, protocolos,

etc. como se explicará en los siguientes puntos. Otra posibilidad que se puede dar es que los

adaptadores se deban de desplegar en diferentes ubicaciones y no en el servidor. Esto se debe

a que muchos instrumentos usan conexiones como USB, Firewire, serie, etc. lo cual obliga a

que los adaptadores se desplieguen en el laboratorio y no directamente en el servidor, en este

caso no supone problemas pues pueden instalarse en un ordenador o microcontrolador que

estará conectado a la red de forma que el servidor LVR pueda acceder a los dispositivos.

La capa de Servidor LVR es la más compleja ya que es la encargada de orquestar las acciones

del resto de capas. Esta capa cuenta con varios componentes que permiten controlar las

diversas acciones:

Gestor de instrumentos: este gestor se encarga de conectar con los instrumentos a

través de la capa de adaptadora. Se encarga de gestionar cuando están conectados y de

enviar las correspondientes órdenes a la vez que reciben los datos de las medidas.

Gestor de cámaras: Es un gestor que conectará con las cámaras a través de la capa

adaptadora.

Módulo de video: Este módulo se encarga de suministrar los canales de streaming

ofreciendo las imágenes obtenidas por las cámaras. En caso de ser necesario

recodificará señal para ofrecer una calidad óptima para el cliente.

Gestor de usuarios: Este componente se encarga del almacenamiento de los datos de

usuarios y de realizar el control de acceso de acuerdo a los privilegios que cada persona

tenga cuando se identifica. Además asignara prioridades para el acceso a instrumentos

en función de los grupos.

Módulo de comunicación: En el ámbito educativo o cuando existen observadores es útil

ofrecer un canal de comunicación entre el usuario que realiza el experimento y el resto

de personas conectadas.

Gestor de reservas: Este gestor realiza las tareas de garantizar que los usuarios puedan

reservar el uso de instrumentos y garantizar que sea posible su acceso en la ranura de

tiempo reservada.

Núcleo: este componente se encarga de conectar y orquestar al resto.

La arquitectura mencionada dispone de todos los componentes y recursos para gestionar un

LVR. Los aspectos de tiempo real y seguridad se detallan en los siguientes puntos debido a su

entidad.

A partir de la arquitectura hardware/software explicada, se ha creado un framework que

permita la creación de una forma y sencilla de LVR cuya implementación se detalla en los

puntos siguientes.

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Laboratorios virtuales y remotos

49

Control en tiempo real

Es posible que algunos de los instrumentos que se empleen requieran trabajar en un sistema

de tiempo real (STR), para lo cual deben ser capaces de realizar tareas con plazos de

respuestas máximos acotados.

La alta latencia y las tasas de transmisión variables de redes de banda ancha como Internet

impiden que pueda operarse sobre dicha red en tiempo real estricto. Sin embargo, si el cliente

del laboratorio tiene que supervisar o monitorizar los experimentos que se realizan a través

del laboratorio LRV y las tareas que se realizan no deben llevar un control de tiempo real

desde el cliente, es posible limitar la respuesta confiable y en tiempo real sólo en el lado de los

dispositivos (capa 1 de la arquitectura)

En la arquitectura propuesta se plantea que la capa de dispositivos se implemente en un STR,

de forma que pueda controlar el instrumento los requisitos temporales y las restricciones

temporales para cada uno de los procesos y acciones que se realicen.

La capa adaptadora será la encargada de asegurarse de que la lectura de las mediciones y el

envío de órdenes se realizan dentro de un tiempo acotado, siendo necesaria que implemente

todas las herramientas que puedan requerirse para realizar la comunicación.

De esta forma las transferencia de datos desde el instrumento a la capa adaptadora se

realizará en la ranura de tiempo que esté especificada y durante el tiempo máximo asignado

en caso de ser necesario, la capa adaptadora se encargará de comprobar si los datos de la

medición son completos y consistentes, en ese caso será enviada a la capa servidora; en caso

de ser parciales o inconsistentes, se almacenarán hasta recibir el resto de la medición.

Para el caso de las ordenes, si el instrumento dispone de algún tipo de buffer para la

comunicación, la orden será enviada de forma que cuando el instrumento ejecute el proceso

de lectura de ordenes la lea, comprobando si se ha transmitido completamente y añadiéndola

al planificador en caso positivo, en caso de que debido a las restricciones temporales la orden

no se haya transmitido de forma íntegra, se esperará a la siguiente lectura de órdenes.

Si el instrumento no dispone de buffer para las comunicaciones, se deberán de proveer

mecanismos de sincronización que permitan enviar las órdenes en el momento previsto. Para

esto puede ser necesario que la capa adaptadora cuente con dos componentes uno de tiempo

real que se sincronice con el instrumento y que disponga de buffer para las ordenes y otro que

funcione sin tiempo real que orqueste los intercambios de información con entre el

instrumento y el servidor.

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Arquitectura de un laboratorio remoto

50

En la

Capa adaptadora

Buffer

Capa adaptadora

Component

e sin

tiempo real

Component

e de tiempo

real

sincronizad

o con buffer

Configuración cuando el instrumento cuenta con buffer en la comuniación

Configuración cuando el instrumento no cuenta con buffer en la

comunicación

Fig. 11 se pueden ver esquemáticamente las diferentes posibilidades expresadas en este

punto.

Capa adaptadora

Buffer

Capa adaptadora

Component

e sin

tiempo real

Component

e de tiempo

real

sincronizad

o con buffer

Configuración cuando el instrumento cuenta con buffer en la comuniación

Configuración cuando el instrumento no cuenta con buffer en la

comunicación

Fig. 11: Esquema de los diferentes tipos de capas adaptadoras para ofrecer soporte de tiempo real

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Laboratorios virtuales y remotos

51

Seguridad

El acceso al laboratorio desde cualquier lugar en cualquier instante requiere estudiar las

posibles vulnerabilidades que puede tener el sistema con objeto de reforzar la seguridad. En

propuestas de laboratorios remotos tales como los presentados por (Grosclaude, et al., 2008)

(Williams & Browne, 2016) (Pavón & Ferruz, 2010) no se hace un análisis serio de los posibles

problemas de seguridad que pueden surgir y únicamente se limitan a introducir máquinas

virtuales para aislar espacialmente los distintos laboratorios y utilizar VPN para cifrar la

conexión entre los clientes y la infraestructura (detrás de un servidor web) (Zutin, et al., 2016)

o se limitan a constatar que el riesgo es bajo y por tanto no se requieren medidas especiales

(Lakatoš, et al., 2016). Sin embargo, tal y como se indica en (Broisin, et al., 2017), la seguridad

es una propiedad que debe tenerse en cuenta desde que se conceptualiza un sistema de

laboratorio en la fase de captura de requerimientos. Por lo tanto, el diseño y la

implementación deben realizarse por y para la seguridad.

La inclusión de la seguridad dentro del desarrollo del sistema implica implementar un sistema

mucho más robusto que se manifieste seguro ante vulnerabilidades y la ejecución de distintos

tipos de código malicioso.

La seguridad debe garantizarse en diversos aspectos:

Seguridad de los datos: no se debe permitir que personas no autorizadas puedan

acceder, modificar o borrar los datos de los usuarios.

Seguridad de los dispositivos: Debe evitarse que un usuario malintencionado pueda

acceder directamente a los dispositivos o alterar su configuración.

Seguridad en el acceso: Es necesario controlar quien accede al sistema, como lo hace y

con qué privilegios, al mismo tiempo que se restrinjan ataques de fuerza bruta.

Gestión de turnos y colas: No se puede permitir que un usuario pueda saltarse los

turnos o colas de acceso a los dispositivos.

Se establece una serie de pautas mínimas que protejan el sistema frente a ataques en dos

niveles:

Un ataque directo, en el que se realizan acciones contra el LVR por parte de un usuario

malicioso para aprovecharse del sistema, dañarlo, secuestrarlo, recabar datos privados,

etc.

Un ataque indirecto, se basa en malware distribuido al azar sin objetivos definidos,

principalmente para obtener bots o secuestrar el sistema.

El hecho de que secuestrar el sistema aparezca en ambos tipos de ataque no se debe un error

en la escritura de este documento sino a que la infección por rasonware puede ser distribuida

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Seguridad

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de forma aleatoria con la esperanza de que el ataque tenga éxito como los que afectaron a

empresas como Telefónica en Mayo de 2017 (Muñoz, 2017) o dirigidas de forma específica

como el ataque sufrido por un hotel suizo en el cual los atacantes bloquearon las puertas de

las habitaciones (Bilefsky, 2017).

Con el fin de ofrecer la mayor seguridad posible es necesaria la implementación de las

siguientes medidas:

Usar conexiones SSL con certificados firmados por autoridades o con la clave pública

del servidor almacenada en el cliente, de esta forma se evitarán ataque del hombre en

medio que permitan a usuarios maliciosos se hagan con los datos de acceso al sistema.

Aislar las cámaras e instrumentos del acceso a internet, y sólo permitir dicha conexión a

través del servidor LVR de esta forma se evitará que puedan ser objeto de ataques.

En caso de usar red para las conexiones entre los instrumentos, su adaptadores y el

servidor, esta red deberá ser local o usar una VPN, en cualquiera de los casos debe

estar aislada y ser independiente del resto de redes.

Implementar varias capas de seguridad interna independientes, filtrando las órdenes

tanto en el punto de entrada del sistema como en los gestores de cámaras e

instrumentos como en la capa de adaptadores, de forma que aunque se consiga

introducir una orden desde un cliente que pueda dañar el instrumento, el gestor de

instrumentos o la capa adaptadora devuelvan un error sin llegar a ejecutarla en el

instrumento. Esto supone una latencia de tiempo extra completamente asumible

Establecer copias de seguridad de los datos almacenados de forma que sean

programables y adaptables a las condiciones del sistema donde se encuentre instalado.

Dichas copias se almacenan en ubicaciones aisladas e independientes del servidor de la

plataforma del laboratorio.

Bloquear los archivos de configuración y de datos de forma que ninguna aplicación

externa pueda modificarlos.

Evitar que el servidor donde se encuentra el LVR se destine a más usos.

Aplicar políticas de verificación en dos pasos, al menos cuando la conexión venga de

una localización no esperada como otro país. Con este sistema se puede permitir

conexiones desde cualquier parte a la vez que se ponen controles específicos para

conexiones no esperadas.

Incorporar un número máximo de intentos de identificación que evite la obtención de

contraseñas usando diccionarios o ataques de fuerza bruta.

Si bien es imposible alcanzar la seguridad perfecta, la aplicación de las pautas mencionadas

puede evitar parte de los ataques y mitigar el resto de forma que podamos prevenir daños en

los instrumentos y hacer lo posible por mantener el sistema conectado y funcional para los

usuarios.

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Laboratorios virtuales y remotos

53

RVLab, un caso practico

Con el fin de probar que las pautas y arquitecturas definidas anteriormente son válidas se

procedió a crear un framework llamado RVLab. RVLab se presenta como un framework

destinado a facilitar la creación de servidores LVR. Con este fin provee de los servicios

comunes y un diseño especialmente creado para que sea extensible y se pueda adaptar con

facilidad a diversos instrumentos y cámaras. La implementación se ha realizado en C++

empleando el framework QT, este framework permite programar elementos como socket,

hebras, entradas, salidas etc. de forma transparente sin llamadas al sistema, por lo que el

código resultante es multiplataforma, durante el desarrollo el servidor fue probado en

Windows 7 y CentOS 5.

Este framework se ha desarrollado siguiendo las indicaciones expuestas en los puntos

anteriores. En la Fig. 12 se puede apreciar el diagrama de despliegue, aquí podemos ver los

diferentes dispositivos que no tiene por qué estar conectados físicamente al servidor, la capa

adaptadora integrada en el servidor, la capa servidora implementada en RVLab y por ultimo

clientes que pueden ejecutarse en Pc, tablets, etc.

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RVLab, un caso practico

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Fig. 12: Diagrama de despliegue de RVLab.

El framework consta de los varios componentes (Fig. 13), en base a los comentados

anteriormente, los más importantes son:

Núcleo: Proporciona una centralización de las distintas instancias. Proporciona el

servidor XML-RPC (Laurent, et al., 2001) y conecta las llamadas con los destinos a través

de señales.

Gestión de usuarios: Se encargará de los métodos para validar, crear, modificar y

eliminar usuarios. En la implementación se ofrece un gestor basado en archivos XML

con soporte para cifrado AES (Joan & Rijmen, 2002). Este gestor usa una interfaz por lo

deployment Deployment Mo...

«device»Serv er-Mac/Linux/Windows

«executionEnvironment»:RVLab

«device»Camera1

«device»Camera2

«device»cameraN

«device»Instrument1

«device»Instrument2

«device»InstrumentN

«device»PC-Mac/Linux/Windows

«device»Tablet-Android

«executionEnvironment»Driv er

«executionEnvironment»Client

«executionEnvironment»Client

rtsp Usb http

http

Usb, IEEE1394...

Bluetooh

httphttp

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Laboratorios virtuales y remotos

55

que puede ser implementado para usar un conector a base de datos o cualquier otro

sistema.

Gestión de cámaras: A la hora de gestionar las cámaras se hará a través de la

configuración dada en el archivo config.xml, en él se definirán los datos de acceso a los

dispositivos de video así como la a marca. De esta forma el gestor puede de forma

dinámica cargar la biblioteca necesaria para el uso de las cámaras, por defecto RVLab

implementa clases para cámaras Vivotek y Axis.

Módulo de video: Este módulo accede a las cámaras, recodifica las imágenes con el

codec h.264 para video y acc para audio en un contenedor transport stream (TS) y crea

los servidores de streamening necesarios. Hay que destacar que estos servidores para

la emisión de video son independientes del núcleo, de forma que en caso de que haya

un exceso de clientes pueden caer los cuadros por segundo (fps), pero esto no afectará

a las operaciones con instrumentos ni a la comunicación con el núcleo.

Instrumentación: El módulo de instrumentación soporta todas las operaciones

correspondientes al equipo científico a usar. A los aparatos se les agregará un gestor de

turnos estándar que se encargará de seleccionar que usuario dispone de los

instrumentos.

Chat: Con el framework se incluye un servidor de chat que permite comunicarse a los

usuarios desde la misma plataforma.

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RVLab, un caso practico

56

Fig. 13: Diagrama de componentes de RVLab.

En la Fig. 13 apreciamos como se interconecta los distintos componentes, algo que queda

claro es la existencia de un núcleo al que prácticamente todo queda unido. Así también es

posible ver como se establecen los distintos flujos de datos entre los distintos módulos y los

clientes. Dentro de esos flujos, los streaming multimedia que se generan en los servidores de

video son unos de los principales. También vemos un flujo bidireccional entre el cliente y el

núcleo, este flujo proporcionará la información necesaria para la apertura del resto.

Pruebas y Resultados

Para las pruebas se ha usado un servidor equipado con dos procesadores Intel Xeon E5405 de

cuatro núcleos cada uno a 2Ghz, 4GB de RAM, dos discos duros SAS en RAID 1 de 150GB y una

conexión de 100Mbits/s. Como sistema operativo usa CentOS 5.5 de 64bits. Dentro de este

servidor se ha usado Xen para virtualizar el servidor de prueba, esta máquina virtual cuenta

con cuatro núcleos y 512MB de RAM.

Para la toma de video se han usado tres cámaras: una Vivotek IP7135, una Vivotek PZ7131 y

una Axis M-1054. Como se ve, estas cámaras pertenecen a distintos fabricantes, de hecho su

cmp Component Mo...

Serv er

Video

Turnos Instrumentos

NúcleoUsuarios

«subsystem»http1

«subsystem»http2

«subsystem»httpN

Client

Gestión de datos de

usuarios

Gestión de datos de

grupos

Chat

«flow»

«flow»

«flow»

«flow»

«flow»

«flow»

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Laboratorios virtuales y remotos

57

funcionamiento es muy distinto. Mientras las cámaras Vivotek emplean el códec MPEG-4 la

Axis usa H-264. Otra de las diferencias es que la cámara PZ7131 es totalmente móvil en los

tres ejes además de emplear zoom óptico. La cámara Axis, que es de alta resolución, soporta

un sistema de movimiento virtual cuando funciona a baja resolución, pues realmente la

cámara esta quieta pero permite mover la imagen y hacer zoom digitalmente. Nuestro

framework puede hacer funcionar el movimiento de ambas cámaras aunque se requieran

protocolos diferentes. Con estos demostramos la extensibilidad y adaptabilidad de nuestro

software ya que permite el uso de estos equipos aun siendo muy diferentes.

Los clientes se ejecutaron sobre 40 máquinas situadas en el aula 3.1 de la escuela técnica

superior de ingenierías de informática y telecomunicación, Fig. 14. Los ordenadores son

Pentium Celeron a 1.7Ghz con 512MB de RAM y 160GB de disco duro.

Fig. 14: Muestra de varios ordenadores ejecutando el cliente de laboratorio remoto.

Las cámaras IP empleadas en el estudio (Vivotek y Axis) tienen fijado un máximo en el número

de clientes conectados simultáneamente en quince usuarios. Por este motivo, se realizaron

pruebas manejando más de quince clientes, y así demostrar que realmente nuestro sistema es

fácilmente escalable y posibilita más usuarios que el uso de los dispositivos directamente.

En este ejemplo se ha contado con ciento cincuenta usuarios registrados en la aplicación,

pertenecientes a cuatro grupos diferentes. Para el caso se disponía de veinte reservas, 14

personales y cinco de grupo. Durante la prueba eran válidas dos reservas una personal de

11:00 a 12:00 y una de grupo de 12:00 a 13:00

Para la obtención de las gráficas se ha fijado la hora de inicio de las pruebas a las 11:39 y a las

12:19, en los cuales estuvieron conectados los cuarenta clientes. A partir de ese momento

empezamos a desconectar los ordenadores, en la última fase, una vez conectados los cuarenta

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RVLab, un caso practico

58

clientes se le envió al servidor numerosas peticiones de turno, una de las llamadas más

costosas debido a que tiene que comprobar las reservas realizadas.

En primer lugar hemos realizado una medida del consumo de CPU (4 cuatro núcleos) y su

variación con respecto al tiempo y a los clientes conectados.

Fig. 15: Uso de CPU durante las pruebas

El uso de la CPU es prácticamente constante como demuestra la gráfica presentada en la Fig.

15. Varía relativamente poco en función de los clientes debido a que el mayor esfuerzo se

realiza en la recodificación de las imágenes. Sin embargo hay que tener en cuenta que las

llamadas XML-RPC son procesadas y de hecho vemos que a partir de las 12:15 cuando varios

clientes hicieron peticiones de turno en un corto periodo subió la tasa de uso del procesador.

0102030405060708090

100

11

:39

:01

11

:42

:01

11

:45

:01

11

:48

:01

11

:51

:01

11

:54

:01

11

:57

:02

12

:00

:01

12

:03

:01

12

:06

:01

12

:09

:01

12

:12

:01

12

:15

:01

12

:18

:02

12

:21

:01

12

:24

:01

Po

rce

nta

je d

e u

so

Hora (hh:mm:ss)

Uso de CPU

Uso de CPU

0

100

200

300

400

500

600

11

:39

:01

11

:42

:01

11

:45

:01

11

:48

:01

11

:51

:01

11

:54

:01

11

:57

:02

12

:00

:01

12

:03

:01

12

:06

:01

12

:09

:01

12

:12

:01

12

:15

:01

12

:18

:02

12

:21

:01

12

:24

:01

Me

mo

ría

usa

da

(MB

)

Tiempo (HH:MM:SS)

Consumo de momoria de RVLab

Memoria RAM

Intercambio

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Laboratorios virtuales y remotos

59

Fig. 16: Gráfico de memoria usada

En la siguiente gráfica de la Fig. 16 se muestra el consumo de memoria. Como vemos el

consumo de memoria es muy estable, dado que la carga en memoria del programa se debe

principalmente a los archivos XML, y sobre todo a la recodificación del video. En nuestro caso

con la recodificación de tres streaming simultáneos requiere del uso de menos de 600MB de

RAM. Por tanto, la sobrecarga sobre los clientes conectados es mínima y su número causa un

impacto reducido en el uso de la memoria principal.

En la Fig. 17 vemos como la tasa de envío de datos sube conforme conectamos nuevos

clientes. Este es el comportamiento esperado porque a mayor número de clientes, más

información de video debemos de enviar. En este caso tuvimos un pico de 57.5MBits/s, un

cambio muy significativo con respecto a los 26.2Mbits/s aproximadamente cuando hay 15

clientes. Evidentemente en el momento en que empezaron a disminuir los clientes la tasa de

envío cayó. El apagado de los 40 ordenadores en un corto periodo se muestra en la fuerte

caída de envíos que se ve a partir de las 12:19 hasta quedarse en cero a las 12:24 debido a que

no quedaban clientes recibiendo datos. El comportamiento respecto a los picos de carga es el

normal, ya que cuando hay movimiento en las cámaras, se transmiten más datos que cuando

estas están quietas y la imagen trasmitida permanece estática.

Fig. 17: Tasas de envío de datos

0

10

20

30

40

50

60

70

11

:39

:01

11

:42

:01

11

:45

:01

11

:48

:01

11

:51

:01

11

:54

:01

11

:57

:02

12

:00

:01

12

:03

:01

12

:06

:01

12

:09

:01

12

:12

:01

12

:15

:01

12

:18

:02

12

:21

:01

12

:24

:01

Dat

os

en

Mb

its/

s

Hora (hh:mm:ss)

Tasa de envio de datos

Emisión de datos

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RVLab, un caso practico

60

Fig. 18: Tasa de recepción de datos

Si bien en este caso también hay una subida en la recepción de datos conforme sube el

número de clientes, ver Fig. 18, la variación no es tan fuerte como en el caso anterior, pues de

1.34 Mbits/s con quince clientes pasamos a un pico máximo de 1.74Mbits/s con cuarenta.

Incluso con cero clientes el ancho de banda consumido es de 0.8 Mbits/s. Estos datos se deben

a que la mayor parte de los bits recibidos son los recibidos de las cámaras, los cuales se siguen

recibiendo aun cuando no hay clientes. De hecho si comparamos la emisión y la recepción

mostradas en la figura 21, vemos que realmente la recepción de datos es casi constante en

comparación con la emisión. Lo cual es perfectamente normal tal y como se ha explicado

antes.

0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.00

11

:39

:01

11

:43

:01

11

:47

:01

11

:51

:01

11

:55

:01

11

:59

:01

12

:03

:01

12

:07

:01

12

:11

:01

12

:15

:01

12

:19

:01

12

:23

:01

Dat

os

en

Mb

its/

s

Hora (hh:mm:ss)

Tasa de receción de datos

Recepción de datos

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Monitorización

61

Capítulo 4. Monitorizacio n

Introducción

A pesar de que los laboratorios remotos proporcionan múltiples ventajas para el acceso y

utilización de instrumentos a distancia, siguen teniendo aspectos complejos de resolver con

respecto a la automatización. Todavía es necesaria la ayuda de un técnico de laboratorio

encargado de las tareas de limpieza del equipo y preparación de los experimentos que se van a

realizar con dichos instrumentos, así como una perfecta sincronización con los investigadores

que van a manejar el instrumento remotamente.

En muchos casos, además el técnico debe pasar por un periodo de aprendizaje para llevar a

cabo dichos experimentos que puede ser más o menos complejo en función de las

características del instrumento y de los experimentos que se pueden llevar a cabo, igualmente

puede ocurrir que el desarrollo de un LVR sea demasiado complejo para la problemática en

cuestión o que los administradores no confíen en que el LVR proteja adecuadamente los

instrumentos. Todo esto puede propiciar que en algunos casos un LVR pueda no ser la mejor

solución. No obstante, en aquellos casos en los que los experimentos requieran una

supervisión continuada durante intervalos de tiempo largos de horas e incluso días para

estudiar el fenómeno asociado al mismo, no es posible mantener la atención de un técnico o

del propio investigador durante el desarrollo del experimento. Un ejemplo son los

experimentos de digestión in-vitro realizados en tensiómetros en el que se requieren un

seguimiento de más de ocho horas (Maldonado-Valderrama, et al., 2014).

En estos casos, un programa monitor puede seguir la evolución del experimento permitiendo

el acceso al investigador desde cualquier dispositivo (e.g., un móvil) y en cualquier lugar como

se realiza en el ámbito sanitario (Hernandez, et al., 2015). No sólo eso, sino que además

pueden notificar al investigador de cualquier incidencia que pueda ocurrir durante la

realización del experimento como en (Ai & Chen, 2011).

La monitorización también es usada ampliamente en el ámbito espacial donde obviamente no

es posible acceder a los datos in situ. (Lindqvist, et al., 2016) (Eparvier, et al., 2015) o en

instrumentos que funcionan a alta velocidad (Evtushenko, et al., 2014). Viendo estos ejemplos

se considera que es necesario proponer nuevos sistemas que se adapten a los requisitos

científicos, a experimentos de larga duración, aprovechando lo mejor de las propuestas

dirigidas al ámbito médico y aeroespacial para el resto de áreas científicas.

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Introducción

62

Para ayudar a mejorar el trabajo del investigador, en esta tesis se propone un sistema de

monitorización que permita al investigador estar informado sobre su experimento en su móvil

con dos objetivos:

Registre la evolución del experimento por si el usuario necesita conocer el progreso del

experimento, mostrando datos del experimento con una determinada frecuencia.

Reciba alertas o notificaciones durante el desarrollo de un experimento en cuanto

algunos de los parámetros de medida se encuentren fuera de los márgenes

establecidos previamente.

La monitorización del experimento puede incluir información de otros aspectos del entorno al

experimento como la temperatura, humedad o el estado de la alimentación eléctrica que

puedan afectar al experimento, usando por ejemplo usando mecanismos de fusión de datos a

partir de la lectura de varios sensores como la propuesta por (Rodríguez-Valenzuela, et al.,

2014) De esta forma, el usuario podrá realizar otras actividades mientras el experimento está

en marcha.

La introducción de un sistema monitor aporta algunas ventajas frente al laboratorio remoto:

El instrumento no será controlado por el monitor, como mucho se permitirá una

parada de emergencia.

La adaptación de un instrumento es más sencilla que en el caso de los laboratorios

remotos.

El monitor puede funcionar en segundo plano y solo activarse en caso de necesidad.

La carga computacional en el cliente es baja.

Obviamente también introduce desventajas:

Se pierde el control del instrumento.

Es menos efectivo en el ámbito educativo.

Una de las desventajas expuestas es la perdida de interacción con los instrumentos. Sin

embargo puede ser compensada con el uso de automatización. Al permitir que las tareas se

lleven de forma automática no es necesario que el usuario realice tareas con el instrumento,

basta con que las programe. De esta forma la perdida de interactividad no afecta a la

realización de experimentos que podrán realizarse de la misma forma.

El sistema de monitorización propuesto pretende aportar un nuevo canal de notificación fiable

y tolerante a fallos. Con este fin se propone el uso de dispositivos auxiliares portátiles los

cuales pueden ser alimentados con baterías para hacer frente a pérdidas de electricidad,

conectables al instrumento que se supervisa mediante diversos tipos de protocolos de

comunicación (e.g., Ethernet y Serie), y con conectividad Ethernet o 3G o 4G para transmitir

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Monitorización

63

los datos a Internet al dispositivo del investigador. Para evitar que un fallo de internet pueda

afectar a la monitorización, se considera el envío de datos también a través de la red GSM

(explicación de la abreviatura), que posibilita la transmisión de pequeños mensajes.

En caso de error el sistema de notificación alertará al usuario que podrá parar el experimento,

dejar que continúe, usar un sistema remoto en caso de estar disponible o acudir

personalmente al laboratorio para solucionar la fuente del error y empezar el experimento de

nuevo.

Con el fin de mejorar la experiencia de usuario y mantenerlo activo durante la supervisión se

definen dos posibles modos de supervisión.

Modo activo: en este caso los datos se reciben en todo momento para lo cual se

requiere conexión a internet tanto en el cliente como en el servidor de forma

permanente. El sistema mostraría continuamente la evolución de los parámetros

configurados durante la realización de un experimento. Requiere una atención

continuada que puede ser realizada desde cualquier parte.

Modo pasivo: el sistema notificará sólo en caso necesario al investigador mientras se

ejecuta el experimento. El uso de alertas asíncronas ligeras aumenta la tolerancia a

fallos pues en caso de pérdida de internet se puede recurrir al SMS.

Los resultados expuestos en este punto fueron presentados y publicados en el congreso

CIVEMSA 2012 (Muros-Cobos, et al., 2013)

Sistema de monitorización ubicuo

En este trabajo se propone el diseño de un sistema monitor ubicuo que facilite la supervisión

del experimento realizado por un instrumento desde cualquier ubicación mediante la

utilización de dispositivos móviles.

El monitor propuesto en esta tesis se basa en un dispositivo, sistema de monitorización

instrumental (SMI), conectado al instrumento, por cualquier método, que solo realizará

lecturas o tareas muy básicas siendo incapaz de alterar la configuración del instrumento o

interactuar con él. El cliente se conectará, identificando al usuario, con este dispositivo con el

fin de acceder los datos del experimento o de recibir alerta predefinidas o definidas por el

usuario. Debido al uso de móviles esta propuesta va destinada a permitir el modo de ahorro

de energía. Con el fin de incrementar la tolerancia a fallos se emplean múltiples sistemas de

comunicación simultáneamente. Todo ello se realiza preservando la seguridad del sistema.

Las características principales de la propuesta son:

Eliminar la necesidad de conexión en el instrumento.

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Sistema de monitorización ubicuo

64

Desacople del instrumento y el móvil.

Múltiples conexiones hacia el exterior en el SMI.

Múltiples conexiones al SMI desde el cliente (SMS, WIFI, 3g-4g).

Sistema de identificación del cliente.

Sistema de notificación basado en todos los sistemas de conexión.

Uso de comunicaciones cifradas.

Los distintos componentes mencionados se han separado en diversos puntos con el fin de

explicar con claridad cada uno de los elementos, se comienza con la arquitectura, se continua

con las comunicaciones instrumento-servidor y servidor-cliente, después se especifica el

sistema de múltiples conexiones, el cliente y para finalizar las pruebas realizadas.

Arquitectura La arquitectura propuesta se basa en tres elementos el instrumento, el SMI y el cliente móvil

como se muestra en la Fig. 19. El instrumento incluye los equipos de medida y el adaptador

para la conexión con el software de control del SMI.

SMI

Fig. 19: Arquitectura del física monitor

EL SMI se despliega sobre un sistema totalmente independiente tanto software como

hardware que desacopla el móvil del instrumento evitando que el instrumento deba

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Monitorización

65

conectarse a internet y por tanto reduciendo su exposición a posibles ataques informáticos, a

la vez queda oculto al cliente móvil. Con el fin de aumentar más la seguridad, la comunicación

entre el monitor y el instrumento quedará limitada una señal para verificar que el instrumento

está en funcionamiento y una parada de emergencia de forma que una intrusión en el SMI no

podrá causar daños al instrumento.

Por último el cliente móvil es una app que mostrará los datos recibidos desde el SMI y

permitirá crear las alertas. Las alertas serán creadas en el SMI, como se ha comentado

anteriormente, por motivos de seguridad el SMI no podrá enviar esta clase de información al

instrumento.

Comunicación instrumento-SMI La comunicación entre el instrumento y el SMI se puede crear con cualquier tipo de protocolo

de comunicación como puede ser USB, puerto serie, LAN o cualquier otra conexión disponible.

Sobre la conexión que se establezca se empleará un protocolo de datos para transferir la

información. En la prueba de concepto explicada al final de este capítulo se muestra un

sistema de mensajes sencillo y ligero con el fin de reducir el tiempo necesario para transmitir

los datos, la carga computacional y el uso de memoria. Por supuesto, en las

implementaciones se puede usar cualquier otro método como el estándar IEEE-488.2,

(Standard Commands for Programmable Instrumentation) o un sistema propietario sobre

JSON o XML. Para casos en los que el instrumento funcione en tiempo real se debe reducir el

protocolo al mínimo a la vez que emplear un sistema de comunicación que garantice la

velocidad y tiempo de respuesta de forma que el tiempo de transmisión de datos quede

acotado.

La API creada para la prueba de concepto se detalla en la Tabla 1. El protocolo consiste en una

serie de mensajes para enviar o recibir datos, alertas, patrones y actualizar el estado de las

mediciones.

Tabla 1: API de conexión instrumento-monitor

Function run by embedded device Description

getData Computer send experiment data it there is available.

getStatus

Return status of measurement application (0: no experiment in progress, 1: experiment in progress)

getExperimentsNames Get names of all experiments

startExperiment + String Start the experiment with the name written in the String

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Sistema de monitorización ubicuo

66

Function run by embedded device Description

stopExperiment Stop experiment in progress

Function run by computer Description

setPattern + String Send the pattern used to represent information

setData + String… Send data following the pattern desbribeb in setPattern

sendAlert + String[2] Send an alert with two string title and description

Comunicación SMI-cliente

La comunicación entre el SMI y el cliente, requiere al menos de un protocolo reducido para su

funcionamiento en modo pasivo usando SMS. Este protocolo podrá extenderse para ofrecer

mayor funcionalidad cuando el usuario opere usando internet. Aun así en el modo activo es

interesante reducir al máximo el uso de datos. Es cierto que los móviles disponen de gran

capacidad de cálculo y que gracias a los avances de las comunicaciones móviles de 4ª

generación se dispone de un ancho de banda suficiente para transmitir gran cantidad de

datos. Sin embargo, no debemos olvidarnos de que lo móviles funcionan habitualmente con

batería, por lo que es necesario reducir en lo posible la complejidad computacional y de

comunicaciones para reducir el consumo de energía

Para nuestra prueba de concepto se ha creado una API, la cual puede ser consultada en la

Tabla 2 y la Tabla 3. Puesto que el SMI está expuesto a internet puede ser objeto de ataques,

es necesario contar con un sistema de autentificación a la vez que se cifran todas las

comunicaciones. Con el fin de evitar ataques del “hombre en medio” (Callegati, et al., 2009) es

recomendable que el monitor cuente con un certificado digital firmado por una autoridad

certificadora o que la firma del certificado se encuentre registrada en el cliente.

Es necesario ofrecer un sistema de acceso con el fin de que se identifique y registre a los

usuarios. Existen varias alternativas como el uso de certificados digitales personales, de esta

forma cuando se establece la conexión el smartphone usara el certificado digital. En la Fig. 20

se muestra un ejemplo de la secuencia de identificación usando certificados. También es

posible el uso de un usuario y contraseña aunque en este caso es altamente recomendable un

sistema de dos pasos al disponer de un cliente móvil es posible usar un SMS para verificar que

la identificación de forma transparente permitiendo que el cliente lea los SMS recibidos, como

se muestra en la Fig. 21

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Monitorización

67

Usuario Cliente SMI.Internet

Identificacion()

mostrarUsuarioValido()

Identificacion(firmaCertificado)

return(usuarioValido)

SMI.Storage

verificaCertificado(firmaCertificado)

return(certificadoValido)

IniciarMonitor()

Fig. 20: Secuencia de autentificación valida usando certificado digital.

Usuario Cliente SMI.internet

identificacion(usuario, contraseña)

identificacion_paso_1(usuario,contraseña)

SMI.SMS SMI.Storage

verificadatos(usuario,contraseña)

return(usuarioValido

inicia2paso(usuario)

getTelefono(usuario)

return(telefono)

enviaSMS(telefono)

identificacion_paso_2(codigoSMS)

return(usuarioValido)

muestraUsuarioValido()

onSMSRecibido(SMS)

iniciarMonitor()

Fig. 21: Ejemplo de autentificación valida, usando dos pasos de forma transparente.

Tabla 2: API sobre internet para la conexión cliente-monitor

Function run by embedded device

Description

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Sistema de monitorización ubicuo

68

Function run by embedded device

Description

setPattern + String Send the pattern used to represent information

setData + String… Send data following the pattern desbribeb in setPattern

setAlert + String[2] Send an alert with two string title and description

Function run by client Description

login + String[] Client identifies his socket using user and password

getStatus

Return status of measurement application (0: no experiment in progress, 1: experiment in progress)

getExperimentsNames Get names of all experiments

startExperiment + String Start the experiment with the name written in the String

stopExperiment Stop experiment in progress

getPendingAlert Request pending alert in server

Tabla 3: API SMS para la conexión cliente-monitor

Sms sent by client Description

getCode+String[2] Return a ramdon code

getExperimentsNames+String[2]

Get names of all experiments, it uses it user and code

startExperiment + String[3]

Start the experiment with the name written in the String. It uses it user and code

stopExperiment +String[2]

Stop experiment in progress. It uses his user and code.

Sms sent by server Description

Alert+String[2] It sends an alert with it name and it description.

Los elementos de seguridad mencionados anteriormente no pueden ser aplicados a la interfaz

SMS, en este caso se pueden ofrecer dos alternativas, una versión reducida que límite al

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Monitorización

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máximo el uso de SMS y emplearlos solo para las alertas. O una versión completa donde los

mensajes son enviados desde la aplicación. En este caso se requerirá una identificación válida

a través de internet previa. Durante esta identificación se podrá negociar una contraseña que

posteriormente se empleará para cifrar y descifrar los SMS enviados y recibidos. En caso de

que se decida a implementar la interfaz SMS sin cifrado, lo cual no es recomendable debido a

las debilidades del protocolo SMS. Se propone usar un sistema en dos pasos, en el primero el

usuario se identifica con su usuario y contraseña, como respuesta recibe un token o código

temporal, el resto de peticiones al sistema, durante un periodo de tiempo determinado las

hará empleando el token de forma que se reduce en lo posible la captación del usuario y

contraseña.

Conexiones Uno de los puntos fuertes de esta propuesta es la de emplear notificaciones, estas

notificaciones aseguran que en caso de error el usuario será alertado. Con el fin de garantizar

que el usuario siempre reciba las notificaciones SMI tiene que disponer múltiples conexiones

hacia el exterior: Ethernet, WIFI, 3g, GSM, etc. Al haber varias conexiones en caso de que una

falle el sistema podrá emplear otra que esté disponible. Para que este sistema sea eficaz, es

necesario que haya al menos dos proveedores distintos.

Con el fin de reducir costes y mejorar los tiempos de respuesta, esta propuesta impone un

sistema de prioridades de forma que en condiciones normales se opte por el uso de una red

cableada y en caso de fallo de esta se cambie a inalámbricas anteponiendo WIFI a redes

móviles, la última prioridad debería ser el uso de GSM debido a sus limitaciones.

Puesto que por norma general el cliente no dispondrá de ip fija y puede estar tras un router o

un proxy, será el cliente el encargado de establecer la conexión y mantenerla. Es cierto que los

sistemas de ahorro de energía presentes en los móviles pueden ocasionar al desconexión de

redes wifi, puede que incluso los datos 3g, no obstante el sistema GSM suelen funcionar de

forma diferente por lo que siempre está activo y por tanto se pueden recibir SMS. Otra opción

para contrarrestar estos problemas es que el cliente implemente métodos para saber cuándo

hay un experimento en marcha y durante la duración tomar acciones para evitar que las

directivas de ahorro de energía lo desconecten. Evitar el modo de ahorro energía depende de

dispositivo y sistema operativo donde funcione el cliente, no obstante puede desencadenar un

consumo excesivo de la batería, por lo que debe de usarse con precaución.

Notificaciones

El objetivo principal de este sistema es alertar a los usuarios en caso de que se produzca un

evento previamente programado o crítico. El uso de notificaciones evita que el investigador

tenga que estar pendiente constantemente de del monitor pues en caso de que ocurra algo

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Sistema de monitorización ubicuo

70

una notificación avisará del evento al teléfono del usuario pudiendo este tomar las medidas

que considere oportunas.

El proceso que sigue en nuestra propuesta (Fig. 22) es el siguiente:

Fig. 22: Diagrama de flujo para las alertas

1. El instrumento informa del estado actual al SMI.

2. El SMI comprueba si los datos disparan alguna alerta o si se ha producido un evento

externo como perdida de energía.

a. Todo es correcto por lo que se retorna al paso 1.

b. Se producido un evento programado por lo que se pasa al paso 3

3. El sistema verifica las prioridades

a. En caso de que la prioridad sea notificación a través de internet se pasa al paso

4

b. En caso de usar SMS como prioridad se pasa al paso 6

4. El SMI comprueba si dispone de conexión a internet y con el dispositivo

a. En caso afirmativo pasa al paso 5.

b. En caso negativo se procede con el paso 6.

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Monitorización

71

5. Notifica a través de internet el evento.

6. Verifica si dispone de cobertura.

a. En caso positivo pasa al paso 7.

b. En caso negativo pasa al caso 4.

7. Notifica a través de SMS que se ha producido un evento.

El hecho de emplear prioridades se debe a que el SMS es más fiable pues la cobertura

suele ser mejor en todos los países además que debido a la baja velocidad tolera mejor el

ruido. Sin embargo dependiendo de la situación puede ser más caro. En cambio internet

suele estar disponible en cualquier laboratorio y suele estar incluido en los gastos propios

de la universidad o empresa. De esta forma se puede regular si se reduce o no el número

de SMS. En cualquier caso nuestra propuesta cuenta con diversas formas de conexión

reduciendo la posibilidad de falta de comunicación al mínimo.

Cliente móvil

Hay dos posibilidades a la hora de crear el cliente móvil. La primera y más recomendable en un

smartphone. Debido a las características de los teléfonos inteligentes estos permiten el uso de

internet así como implementar todas las medidas de seguridad descritas anteriormente.

Igualmente estos teléfonos disponen de pantallas de gran resolución y tamaño así como ancho

de banda, memoria RAM y capacidad de cómputo suficiente para recibir datos simples o

complejos como gráficos de forma constante a la vez que los presenta de lo forma más

adecuada. Todo ello junto a una experiencia de usuario agradable. Igualmente se pueden

añadir capacidades de data-logger de forma que el usuario pueda tener todos los datos del

experimento en el móvil como copia de seguridad en caso de fallo catastrófico en el

instrumento.

Otra posibilidad es usar cualquier tipo de móvil con la interfaz de SMS, sin embargo al no

poder usar una aplicación específica los mensajes deben enviarse en texto plano, usuario y

contraseña incluidos, lo cual lo hace inseguro y por tanto no recomendable. Además este tipo

de interfaz es muy limitada y se basa en la transmisión de datos simples.

En el caso de optar por un cliente nativo móvil es necesario tener en cuenta restricciones,

como se ha comentado en puntos anteriores aunque los smartphones disponen de capacidad

de cómputo y ancho de banda suficiente, reducir el consumo de ambos puede repercutir en

una mayor duración de la batería. En estos casos se debe permitir que el teléfono entre en

estado de hibernación y comprobar las alertas regularmente, pues tenemos la seguridad de

que en caso de estar la conexión no disponible el sistema empleará la interfaz SMS.

Es recomendable que se sigan tres reglas:

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Sistema de monitorización ubicuo

72

1. Después de la creación de una nueva conexión, el cliente se identificará con su usuario

y contraseña.

2. En la primera conexión y de forma regular el cliente debe comprobar que SMI dispone

del número de teléfono actualizado.

3. Cuando el móvil este en modo de ahorro de energía deben evitarse las conexiones en

lo posible.

Prueba de concepto Con el fin de demostrar la validez de esta propuesta se presenta un caso práctico desarrollado

para conectarse con Dinaten, el cual permite monitorizar experimentos para el estudio de la

tensión superficial y el ángulo de contacto en líquidos, entre los posibles experimentos están

el estudio se surfactantes, absorción de proteínas en procesos de digestión, monocapas

insolubles, etc.

Los componentes usados para la prueba de concepto son:

Beagleboard xM Rev C con Debian

Conexión Ethernet sobre usb incluida en Beagleboard xM

Tarjeta de red wifi USB con chip Railink e73

Modem GSM-3g USB Huawei e1752

Complemento software para Dinaten. Instrumento “Octopus”

Con el fin de adaptar Dinaten al SMI de nuestro caso práctico se creó un complemento en C++.

Una vez comienza el experimento Dinaten transmite los datos que mide, tensión superficial,

volumen, área, etc. al complemento añadido que los convierte al protocolo establecido de

acuerdo a la APIs presentadas en los puntos anteriores y se encarga de la comunicación vía

LAN a través de la red emulada por el USB de forma que el conector Ethernet incluido en la

Beagleboard quede disponible para las conexiones externas. Igualmente establece el puerto

de escucha para poder parar el experimento en caso de que recibir la orden de parada de

emergencia.

El SMI también está implementado en C++ empleando el framework QT por lo que es

multiplataforma, en este caso fue compilado en el propio microcontrolador para funcionar en

Linux sobre CPU ARM. Para las pruebas se dispuso de tres conexiones a internet

independientes, LAN, Wifi e internet móvil 3G controladas por el SMI a través de comandos

del terminal. Para el uso de SMS se implementaron comandos a través de libgammu (Čihař,

s.f.) y usando el mismo modem GSM. EL orden de preferencia para las conexiones es: LAN,

Wifi, 3G, y SMS. Con respecto a la seguridad se creó un certificado autoafirmado cuya clave

pública fue integrada en el cliente móvil y se inhabilitó cualquier tipo de conexión no segura. El

servidor se creó con la API de QT forzando el uso de SSL (secure sockets layer).

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Monitorización

73

Una vez lanzado nuestro SMI este queda a la escucha de las actualizaciones desde el

instrumento o los mensajes desde el cliente. En el caso de actualizaciones desde el

instrumento estas quedas registradas y almacenadas, se admite un máximo de 5

experimentos, almacenados, luego se sobrescriben. Las actualizaciones también son

procesadas para, en caso de ser necesario, lanzar las alertas correspondientes. Una vez el SMI

recibe la conexión de un cliente, comprueba la identidad del usuario y entonces puede

empezar a mandar datos. En caso de alerta verificará si el socket sigue abierto, en caso

afirmativo lanzará la alerta a través de internet, en caso negativo, comprobará la cobertura y

empleará la interfaz SMS, en caso de no haber cobertura lo reintentará hasta conseguirla o

hasta registrar una conexión a internet. Este prototipo solo admite la conexión de un usuario

de forma simultánea.

El cliente móvil se ha implementado de forma nativa para Android y ha sido probado en un

HTC One X con Android 4.1.1. La elección de Android se debe a que es el sistema operativo

móvil más extendido. Además es fácil de probar en u móvil e incluso distribuirlo sin costo

extras y disponía de los conocimientos para hacer la implementación sin aprender a manejar

nuevas tecnologías.

La aplicación dispone una interfaz de usuario responsiva para cualquier dispositivo, con una

lista de las mediciones y la posibilidad de realizar gráficos para los datos. Este cliente ha sido

construido para ser genérico por lo que admite cualquier tipo de dato numérico simple para

ser representado. Una vez el usuario pulsa en el dato, se expande para mostrar otros

secundarios. Con el fin de conectar con el SMI, la app tenía almacenadas las diferentes ips para

las distintas conexiones. De esta forma iba probando una a una hasta conseguir la conexión.

Con el fin de intentar ahorra batería tal y como se ha recomendado en puntos anteriores el

cliente solo actualiza los datos desde el IMS cuando está en primer plano, cuando la aplicación

entra en segundo plano o se apaga la pantalla hay dos posibilidades: no hay experimentos en

marcha, la aplicación pasa a esta de hibernación; hay un experimento en marcha, un servicio

en segundo plano comprobará de forma regular, cada dos minutos, la conexión, si se ha

perdido tratará de reconectar, una vez lo consiga comprobará si hay alertas. En caso de

encontrar una alerta se mostrará una notificación en la barra de estado de Android como se

puede ver en la Fig. 23. En cualquier caso el servicio estará alerta para procesar cualquier SMS

que se reciba para comprobar si se trata de una alerta.

Para probar el funcionamiento se realizó un experimento a la vez que desde el móvil se

monitorizaba, posteriormente se probó el sistema de múltiples conexiones activado y

desactivando las distintas interfaces de red. Debido a las condiciones del laboratorio donde se

encuentra Dinaten no fue posible usar Ethernet, por tanto las pruebas se hicieron con WIFI, 3g

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Sistema de monitorización ubicuo

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y GSM en el SMI. En el móvil se usó WIFI y SMS. Los resultados pueden ser consultados en la

Tabla 4.

Tabla 4: Pruebas del uso de las distintas conexiones

Conexiones activas SMI

Conexiones activas móvil

La alerte se recibió usando

WIFI, 3g, GSM WIFI, GSM Internet

3g, GSM WIFI, GSM Internet

WIFI, GSM WIFI, GSM Internet

WIFI, 3g WIFI, GSM Internet

WIFI WIFI, GSM Internet

3g WIFI, GSM Internet

GSM WIFI, GSM SMS

WIFI, 3g, GSM GSM SMS

3g, GSM GSM SMS

WIFI, GSM GSM SMS

WIFI, 3g GSM SMS

WIFI GSM SMS

3g GSM SMS

GSM GSM SMS

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Monitorización

75

Fig. 23: Interfaz de usuario del cliente desarrollado para el caso práctico

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Introducción

76

Capítulo 5. Ínstrumentacio n mo vil

Introducción

En los capítulos anteriores hemos desarrollado formas de universalizar y facilitar el uso de

instrumentos, especialmente aquellos destinados a la medida de la tensión interfacial

empleando técnicas que permitan su uso de forma remota o la monitorización de los

experimentos de larga duración. No obstante hay otra posibilidad: el uso de un instrumento

móvil basado en smartphone con un hardware compacto fácil de transportar y barato de

fabricar.

Cada vez es más común ver instrumentos basados en móviles para realizar medidas

avanzadas, como por ejemplo procesamiento de imágenes, tratamientos de datos, diagnosis

clínicas y monitorización (Contreras-Naranjo, et al., 2016) (Uloza, et al., 2015) (Parisi, et al.,

2016) (Cierpka, et al., 2016). En los últimos años los móviles han ganado mucha capacidad

computacional, tanto con CPU multi-cores como en RAM, además los últimos dispositivos del

mercado cuentan con cámaras avanzadas.

Durante la estancia del autor de esta tesis en la Universidad de York en Toronto (Canadá), se

ha investigado en las posibilidades que pueden ofrecer los móviles para medir tensión

superficial, ángulos de contacto y medición de energía directamente sobre el propio

dispositivo móvil. Al emplear móviles podemos crear instrumentos con un costo efectivo de

producción más favorable que los sistemas usados actualmente. Combinando el móvil con

soportes de dosificación impresos en 3D se puede reducir el peso, espacio y complejidad de

instalación (Fig. 24). Los instrumentos creados a nivel de universidad como los fabricados a

nivel comercial suelen emplear cámaras cuyo costo suele estar en 750-1000€, además

necesitan un ordenador para la adquisición de imágenes y realizar los cálculos cuyo costo no

es inferior a 400€. Ambas funciones pueden ser incluidas en un Smartphone de gama media-

alta cuyo costo actual está ronda los 300-350€. Este abaratamiento junto con la reducción de

espacio conseguida con el sistema de dosificación creado (foto necesaria) y la mejora de

interfaces basadas en los estándares móviles puede facilitar su uso a nivel docente.

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Instrumentación móvil

77

Fig. 24: Instrumento típico basado en el método ADSA comparado con los elementos de un Smartphone.

Además de la creación de laboratorios remotos y monitores, existe otra posibilidad que

permite universalizar el uso de instrumentos. El uso de impresoras 3D combinado con

dispositivos como los smartphone, que todo el mundo lleva en el bolsillo permite realizar

experimentos con un coste efectivo menor. En este se demuestra que es posible crear un

instrumento que funcione con soportes impresos y se ejecute en un móvil.

Adaptar los sistemas tradicionales a un móvil conlleva varios retos el más importante es la

adaptación a los diferentes tipos de móviles del mercado, ya que disponen de diferentes

tamaños de pantallas, potencia, RAM y sobretodo calidad de la cámara. Otra dificultad es las

derivada de la calibración, estos sistemas sobre todo en gota pendiente son poco tolerantes a

los errores en la calibración. Además los instrumentos tradicionales están creados para

trabajar con imágenes muy limpias generadas en un entorno más controlado que el de

nuestras pruebas de concepto, con nuestro sistema es necesario el uso del zoom digital en la

imagen, lo cual requiere el uso de diferentes mecanismos para garantizar que las medidas

tomadas sobre la imagen son precisas.

El resultado ha sido la creación de cuatro instrumentos desplegados en plataformas Android

para la medición de tensión superficial en gotas pendientes, medición de ángulo de contacto

en gotas sésil, ángulo de contacto en gotas inclinadas y medición de energía superficial.

Para probar este concepto y garantizar la calidad del sistema propuesto se han seguido

diversos pasos para comprobar todas las etapas del cálculo y verificar que el sistema es

confiable.

El primer paso ha sido la creación del núcleo de cálculo y su verificación de forma sistemática

además de probar la tolerancia a errores derivados del reconocimiento de imagen o de las

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Núcleo de cálculo

78

condiciones experimentales. El segundo paso fue probar las diferentes posibilidades para el

procesamiento de imagen y resolver los problemas derivados del uso del zoom en la captura

de imágenes. Para finalizar hemos integrado el sistema y verificado su funcionamiento

comparando las medidas con las tomadas por un instrumento comercial (Drop Shape Analysis

de Krüss Machine). Esto instrumento se compone de dos partes la parte software, encargada

de realizar las medidas y la parte hardware, la cual permite fijar el móvil, la jeringa y las

superficies. Aunque el autor de esta tesis ha participado indicando sugerencias sobre el

hardware, este ha sido desarrollado por el Dr. Chen, por tanto no se describirá en esta tesis.

La información expuesta en este capítulo fue presentada en la reunión anual Adhesion

Socciety con la publicación (A. Amirfazli, 2017) y posteriormente aceptada para su publicación

en la revista Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (Chen, et al.,

2017).

Núcleo de cálculo

El núcleo de cálculo es el subsistema empleado para hallar la tensión superficial o el ángulo de

contacto a partir de una matriz de puntos que define el perfil de la gota detectado de forma

experimental por subsistema de procesamiento de imagen. Este núcleo implementa dos

métodos de cálculo, Young-Laplace, para gotas pendientes, sésil y medición de energía y

polinomial de segundo grado para gotas sésil, inclinada y medición de energía.

El núcleo de cálculo ha sido programado para la resolución de las ecuaciones diferenciales de

Young-Laplace, Ecuación 7, usa como valores iniciales la longitud del perfil (s), 130mN/m

como tensión superficial (γ) y el diferencial de la densidad (∆ρ) y los radios R1 y R2 Fig. 25. A

partir de los datos iniciales se optimiza la distancia entre la curva teórica y la experimental

hasta alcanzar el mínimo dentro de la tolerancia marcada (10-8) tal y como se comentó en el

Capítulo 2.

𝑑𝑥

𝑑𝑠= 𝑐𝑜𝑠𝜃

𝑑𝑦

𝑑𝑠= 𝑠𝑒𝑛𝜃

𝑑𝜃

𝑑𝑠= (

1

𝑅1+

1

𝑅2) ±

∆𝜌𝑔𝑦

𝛾−𝑠𝑖𝑛𝜃

𝑥

Ecuación 7: Ecuaciones diferenciales usadas para la generación de gotas teóricas donde P es la presión de la gota, γ la tensión superficial, ∆ρ el diferencial de densidad, g la gravedad, y la coordenada en el eje de ordenadas , x la coordenada en el eje de abscisas y θ el ángulo de contacto.

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Instrumentación móvil

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Cabe destacar que se han introducido algunos cambios en la forma habitual como la indicada

en (Rıo & Neumann, 1997), en vez de optimizar todos los valores de la curva como el ángulo, la

tensión superficial, etc. de forma simultánea, primero se resuelve de forma aproximada la

curva teórica después se optimiza la posición del ápice, tras esto se optimiza y con estos datos

se realiza una optimización para obtener la medición. Con lo cual se realizan cuatro procesos

de optimización con entre una y tres variables en lugar de uno con cinco. El motivo para este

cambio es que en nuestra implementación el sistema resultante es un 66% más rápido.

Fig. 25: Representación de los radio tomados radios de la gota usados para calcular aproximadamente la presión.

En el caso de uso del método polinómico para cálculo de ángulo de contacto, se coge el 9% de

la gota a partir de la zona del contacto con la superficie y se realiza un ajuste a la curva de

segundo grado, Ecuación 8. La elección del uso de un polinomio de segundo grado y el hecho

de usar el 9% del perfil se debe las pruebas realizadas en (Chini & Amirfazli, 2011) donde

determinan que son las mejores opciones.

𝑦 = 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐

Ecuación 8 : Ecuación polinómica de segundo grado

Si bien el método de cálculo no es ninguna novedad, su empleo en móviles si lo es, por tanto,

al ser una nueva implementación requiere una verificación a fondo con el fin de garantizar que

si el perfil detectado es bueno, el resultado será preciso. Con este fin se han realizado una

serie de pruebas que se detallarán a continuación. Con el propósito de verificar el

comportamiento del sistema con las diferentes tensiones superficiales y ángulos de contacto

R1

R2

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Núcleo de cálculo

80

se ha empleado el programa ALFI (axisymmetric liquid-fluid interfaces), el cual para una

capilaridad (c) Ecuación 9 y una curvatura en el apéndice (b) general el perfil teórico de la gota

junto con los datos de tensión superficial, ángulo de contacto, superficie y volumen. Podemos

usar el perfil generado, el cual es perfecto para validar si nuestro algoritmo.

𝑐 =𝑔 ∗ ∆𝑝

𝛾

Ecuación 9: Ecuación para el cálculo de la capilaridad

Pruebas para gota pendiente

Aunque el método de Young-Laplace es el mismo, al ser distintos tipos de gotas es necesario

realizar pruebas por separado. En este apartado se realizarán las pruebas con gota pendiente y

en el siguiente con gota sessile.

Prueba 1: resolución teórica

En esta prueba se han generado perfiles con ALFI y con ODE45 para verificar que a partir de los

mismos datos obtenemos los mismos perfiles. De esta forma podemos garantizar que la

implementación de las ecuaciones de Young-Laplace es correcta. Se han generado 14 perfiles

con tensiones superficiales de 15mN/m a 80mN/m usando valores aleatoria para b. Las curvas

se componen de 100 puntos con una separación de 0.1mm. El volumen de las gotas generadas

ha variado de 4μl to 24μl.

En la Fig. 26 Fig. 26: Comparación de las gotas generadas por ALFI y ODE45. Se puede apreciar

en ejemplo de como las curvas generados por ambos sistemas son las mismas.

0

0.5

1

1.5

2

-2 -1 0 1 2

Y (

mm

)

X (mm)

Alfi vs fitDrop6 - 20 mN/m

Alfi FitDrop6

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Instrumentación móvil

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Fig. 26: Comparación de las gotas generadas por ALFI y ODE45.

Prueba 2: Optimización

En la prueba 1 se ha verificado que la implementación de las ecuaciones y su resolución para

unos datos dados es correcta. En este paso se plantea el uso del perfil provisto por ALFI como

si fuera el detectado por nuestro subsistema de procesamiento de imagen para calcular la

tensión superficial o el ángulo de contacto. Puesto que al generar los datos con ALFI tenemos

las medidas exactas para poder comparar con nuestro sistema y ver hasta qué punto es

preciso. Tal y como se aprecia en la Tabla 5, el error es mínimo.

Tabla 5: Resultados de usar nuestro sistema de optimización sobre gotas teóricas

Error medio

(mN/m)

Mediana

(mN/m)

Error Máximo

(mN/m)

0.0002 -0.0001 0.0011

En este caso disponemos de los datos de ALFI, los cuales son teóricamente perfectos, sin

embargo en cuando opere en el dispositivo, la unión de la gota con el capilar será

determinado por el usuario. Esto implica que puede haber errores si no se toma suficiente

longitud de la gota. Con el fin de calcular el porcentaje mínimo de gota necesario para

garantizar un mínimo de precisión. Para realizar estas pruebas se han tomado ocho gotas con

tensiones superficiales entre 15 y 80 mN/m y se han cortado múltiples veces hasta determinar

a partir de qué punto el error se dispara. En la Tabla 6se muestra un ejemplo de los cortes

realizados y en la Fig. 27 el perfil grafico donde el error es extremadamente alto.

Tabla 6: Series de cortes en una gota de 30mN/m

Tensión

superficial

medida

(mN/m)

Tensión

superficial

real (mN/m)

Error

(mN/m)

Altura (mm)

29.990121 30 0.009879 2.599

30.04811 30 0.04811 2.4614

30.138149 30 0.138149 2.3732

30.188068 30 0.188068 2.2871

30.085523 30 0.085523 2.1829

30.33954 30 0.33954 2.075

30.194181 30 0.194181 1.9892

30.250204 30 0.250204 1.8579

30.184287 30 0.184287 1.7682

30.521262 30 0.521262 1.6766

31.011784 30 0.811784 1.583

31.634651 30 1.034651 1.4877

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Núcleo de cálculo

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128.237644 30 98.237644 1.3906

29.289325 30 0.710675 1.2922

128.433341 30 98.433341 1.1928

125.834119 30 95.834119 1.0929

129.440837 30 99.440837 0.99303

132.770505 30 102.770505 0.89375

28.752117 30 1.247883 0.79577

Tras analizar los datos se puede ver que el sistema es bastante tolerante y que solo empieza a

dar errores cuando el perfil tomado es demasiado parecido a un círculo. Esto es normal pues si

la porción tomada es muy pequeña es muy circular, y por tanto el efecto de la gravedad es

bajo por lo que los perfiles de gotas de diferentes tensiones superficiales son muy similares,

haciendo que la optimización pueda errar. A continuación en la Tabla 7 podemos encontrar los

resultados de los cortes para las ocho gotas que se han mencionado anteriormente.

Fig. 27: Ejemplo de corte de la gota.

Tabla 7: Porcentaje del perfil mínimo para que el error se encuentre por debajo de 1mN/m.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5

Y (

mm

)

X (mm)

Ejemplo de corte de gotas

Alfi FitDrop6

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Instrumentación móvil

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Tensión

superficial

(mN/m)

Altura de la

gota(mm)

Mínimo

porcentaje de

la gota

15 1.9022 44.58%

20 2.176 63.90%

30 2.599 53.51%

40 2.9989 48.75%

50 3.4923 36.84%

60 3.9523 36.76%

70 3.9842 31.86%

80 4.4519 38.06%

Tomando los datos de la Tabla 7 se puede comprobar que si se cuenta con más de un 65% de

la altura de la gota los resultados son precisos, no obstante se recomienda un mínimo de un

75% con el fin de mantener un margen de error suficiente ante casos que no se hayan dado

en las pruebas de laboratorio.

Prueba 3: Rotación de la gota

Si bien los datos anteriores muestran que el algoritmo funciona correctamente cuando recibe

un buen perfil, lo más seguro es que en casos reales el perfil detectado no sea perfecto. En

estas pruebas se presenta la tolerancia a error cuando la foto no se ha tomado

completamente recta. En estos casos, el perfil estará inclinado hacia un lado.

Para esta prueba se han tomado los 750 perfiles sintéticos creados para la prueba anterior y se

han rotado 0.5º,1º, 2º, 3º y de forma aleatoria entre -3º y 3º. Una vez rotados se ha usado el

sistema de cálculo propuesto para medir la tensión superficial en cada una de las gotas. Los

resultados, Tabla 8, muestran que el sistema es robusto en este tipo de situaciones debido a

que se corrige el ángulo eficazmente durante el cálculo.

Tabla 8: Error en la medida de gotas rotadas.

Angulo Error medio

(mN/m)

Mediana

(mN/m)

Error Máximo

(mN/m)

0º 0.0002 -0.0001 0.0011

0.5º 0.00026 0.0002 0.0013

1º 0.00026 0.0002 0.0013

2º 0.00026 0.0002 0.0014

3º 0.00026 0.0002 0.0014

±3º -0.0018 0.0002 0.4566

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Núcleo de cálculo

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Prueba 4: Transformación de la gota

Con el fin de calcular correctamente la tensión superficial es necesario transformar de pixel a

milímetros en los puntos de perfil. Si la calibración tiene un problema de precisión el resultado

va a ser incorrecto. Con el fin de determinar el grado de robustez de la implementación se han

tomado las 750 gotas sintéticas que se usaron en las pruebas anteriores y se han modificado

para hacerlas más grandes, más pequeñas. Los tamaños para aumentarlas han sido: 5µm,

10µm, 15μm, 20µm y 50µm. Se han determinado estas medidas de forma experimental a

partir la calibración que se obtenía en diversas imágenes.

El método empleado para agrandarlas o reducirlas, dibujado en Fig. 28 ha sido tomar dos

puntos del perfil consecutivos p1 y p2, calcular el punto medio, pm, calcular la recta normal a la

recta que une p1 y p2 y pasa por pm, entonces se ha usado el punto pa y pr que está a distancia d

de la recta que une p1 y p2. Siendo pa y pr el punto agrandado y reducido respectivamente.

Fig. 28: Esquema del método usado para agrandar y reducir el tamaño de las gotas sintéticas.

Los resultados de esta prueba se muestran en la Tabla 9, se puede apreciar que en general y

en caso de tener que decidir usar una gota la versión agrandad es mejor que la reducida

cuando el error se encuentra por debajo de los 20µm y tomar la reducida si es mayor. Estos

resultados serán tenidos en cuenta a la hora de determinar el perfil de la gota. También es

importante tratar de hacer lo posible para reducir el error por debajo de 10µm para mantener

el error acotado dentro de términos razonables (aproximadamente 0.5mN/m).

Tabla 9: Error medido cuando la gota es agrandada o reducida

Distancia Error medio

(mN/m)

Mediana

(mN/m)

Error Máximo

(mN/m)

0µm 0.0002 -0.0001 0.0011

+5µm 0.115 0.111 0.315

-5µm -0.011 0.0005 0.203

+10µm 0.259 0.244 0.503

-10µm 0.135 0.122 0.385

+15 µm 0.312 0.307 0.777

-15 µm 0.448 0.441 0.954

+20µm 1.633 1.560 2.962

-20 µm 0.914 0.886 1.778

+50µm 2.396 2.029 5.909

pa

pr pm

p2

p1

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Instrumentación móvil

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-50µm 0.082 -0.180 4.71

Prueba 5: Aleatorización del perfil de la gota

Si bien debido a la calibración lo normal es que el perfil o se agrande entero o se reduzca en la

misma medida, puede ser que debido al sistema de procesamiento de imagen, a ruido en la

captura, o a la detección del perfil se tomen puntos que no estén exactamente en el perfil.

Para simular esta circunstancia se ha tomado cada punto del perfil y se ha movido de forma

aleatoria dentro de un rango, 5µm, 10µm, 15µm, 20µm y 50µm, y se ha procedido a calcular

la tensión superficial.

En la Tabla 10 podemos ver los resultados que son bastante mejores que en la prueba anterior

debido a que los movimientos en un pixel pueden contrarrestar los de otro. Igualmente para

mantener el error máximo en el orden de 0.5mN/m es recomendable que el error no sea

mayor de 10µm.

Tabla 10: Error medido cuando se mueven los pixeles aleatoriamente.

Distancia Error medio

(mN/m)

Mediana

(mN/m)

Error Máximo

(mN/m)

0µm 0.0002 -0.0001 0.0011

±5µm -0.069 -0.058 0.393

±10µm -0.075 -0.053 0.547

±15µm -0.073 -0.059 0.826

±20µm -0.071 -0.062 0.878

±50µm -0.113 -0.101 2.316

Pruebas para gota sésil Aunque el núcleo de cálculo es el mismo para gota pendiente que para sésil cuando se emplea

el método de Young-Laplace, es posible que no funcione igual de bien. Por ello se han repetido

las pruebas para verificar que el subsistema de cálculo es preciso. La primera prueba se omite

pues no emplea optimización.

Prueba 1: Optimización

En este caso se han tomado los perfiles sintéticos de 75 gotas entre 15mN/m y 89mN/m

generados por ALFI usando un número aleatorio, entre 0.4 y 0.8 para el parámetro b. Cada

gota ha sido cortada reduciendo su altura en 0.1mm y cada vez se ha calculado el ángulo de

contacto, las alturas de las gotas variaban de 2.1mm a 3.6mm. La serie de experimentos han

arrojado ángulos entre 20º y 145º, para un total de 2240 gotas.

Los resultados se pueden ver en la Tabla 11, podemos apreciar que los resultados son bastante

precisos.

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Núcleo de cálculo

86

Tabla 11: Error detectado para el calculo de angulo de contacto

Error medio (º) Mediana (º) Error máximo (º)

0.0215 0.0112 0.7773º

Prueba 2: Rotación

Al igual que antes se han rotado las gotas sintéticas y calculado el error par a los 2240

ejemplos, para simular que pasa si la cámara o la superficie no están totalmente niveladas. En

la Tabla 12 se pueden ver los resultados. Al igual que con gotas pendientes el sistema de

cálculo es tolerante al cambio de ángulo.

Tabla 12: Error medido para el ángulo de contacto con el método de Young-Laplace cuando la gota se rota

Angulo Error

medio

(º)

Mediana

(º)

Error

máximo

(º)

Gotas con

error mayor a

Gotas con

error mayor a

0º 0.02 0.011 0.777 0 0

1º 0.043 0.024 0.976 0 0

2º 0.043 0.024 0.976 0 0

3º 0.044 0.023 0.99 0 0

±3º 0.050 0.039 1.1 3 (0.001%) 0

Prueba 3: Transformación de la gota

Al igual que en gota pendiente, la calibración puede afectar al cálculo de por lo que se ha

procedido a agrandar y reducir de la misma forma que se hizo en la prueba 4 de gota

pendiente. Teniendo en cuenta los datos empíricos obtenidos donde la calibración indicaba

que en nuestro sistema un pixel representa generalmente menos de 1010µm se decidió

prescindir de hacer los experimentos cuando los puntos del perfil se agrandan o reducen en

50µm. Como se aprecia en la Tabla 13, en este caso también es mejor contar con gotas más

agrandadas que reducidas.

Tabla 13: Error en el cálculo de ángulo de contacto cuando la gota se agranda o reduce.

Distancia Error

medio

(º)

Mediana

(º)

Error

máximo

(º)

Gotas con

error mayor a

Gotas con

error

mayor a 2º

+0µm 0.02 0.011 0.777 0 0

+ 5µm 0.302 0.256 1.173 11 (0.4911%) 0

+ 10µm 0.346 0.353 1.085 5 (0.22%) 0

+ 15µm 0.387 0.345 1.290 66 (2.95%) 0

+ 20µm 0.510 0.384 2.089 276 (12.32%) 16 (0.71%)

- 5µm 0.385 0.358 2.116 58 (2.59%) 0

- 10µm 0.812 0.776 2.16 500 (22.32%) 2 (0.09%)

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Instrumentación móvil

87

- 15µm 0.790 0.773 2.208 861 (38.44%) 7(0.31%)

- 20µm 0.970 0.935 2.208 1053(47%) 128 (5.71%)

Prueba 4: Aleatorización de los puntos del perfil de la gota

Una vez más hemos procedido como en el caso de gota pendiente, tomando cada punto del

perfil sintético y variando su posición de forma aleatoria dentro de una distancia determinada,

5µm, 10µm, 15 µm y 20 µm. Los resultados se muestran en la Tabla 14. Como en casos

anteriores es preciso tratar de evitar un error mayor a 10µm en la detección del pixel que

compone el perfil.

Tabla 14: Error medido cunado los puntos se mueven aleatoriamente.

Distancia Error

medio

(º)

Mediana

(º)

Error

máximo

(º)

Gotas con

error mayor a

Gotas con

error

mayor a 2º

+0µm 0.02 0.011 0.777 0 0

± 5µm 0.337 0.289 2.891 38 (1.69%) 4 (0.17%)

± 10µm 0.416 0.348 2.825 120 (5.37%) 9 (0.4%)

± 15µm 0.548 0.404 3.411 260 (11.60%) 47 (2.09%)

± 20µm 0.860 0.471 3.673 465 (20.76%) 176 (7.86%)

Resumen de las pruebas

En este punto podemos asumir que el sistema de cálculo es fiable y preciso. Asimismo es

tolerante a fallos que se puedan producir en pasos anteriores, aunque obviamente, los errores

en el perfil obtenido van a conllevar una disminución de la precisión del instrumento. Por

tanto serán necesarias ciertas medidas con el fin de aportar el perfil más

Procesamiento de imágenes

Con el fin de encontrar el perfil de la gota, que nos permita realizar el cálculo empleando el

subsistema explicado en el punto anterior, es necesario procesar las imágenes tomadas por la

cámara. Este procesamiento se realiza en dos partes:

Segmentación de la imagen.

Detección de perfil.

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Procesamiento de imágenes

88

Fig. 29: Imagen original de la gota

Como hemos visto en el estado del arte, hay diversos métodos para realizar la segmentación.

Es normal el uso de métodos de detección de bordes como Canny o Sobel como en Dinaten.

Estos métodos funcionan muy bien debido a que se usa una luz homogénea de fondo que

satura el sensor creando un gran contraste entre la gota y el fondo. Podemos ver como a partir

de la Fig. 29 tomada en con una cámara <modelo> cómo al usar Canny, Fig. 30, el perfil queda

muy claro y es fácil de encontrar disminuyendo la posibilidad de error.

Fig. 30: Captura de gota procesada usando Canny

La calidad de la imagen Fig. 30, se puede obtener, generalmente, en los sistemas que

implementan ADSA que usan cámaras CCD específicas para uso industrial y de investigación

con zoom óptico. Sin embargo, nuestro sistema tiene una peculiaridad, al usar la cámara

integrada en el smartphone es necesario emplear zoom digital para obtener una imagen

suficientemente grande de la gota que evite problemas de calibración. El problema está en

que el zoom digital introduce ruido en la imagen de forma que los métodos de segmentación

no funcionan adecuadamente. En ejemplo se obtiene al procesar la Fig. 31, si usamos el

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Instrumentación móvil

89

método Canny con umbrales automáticos como en Fig. 30 obtenemos la Fig. 32 en la cual es

casi imposible encontrar el perfil de la gota de forma automática, pero incluso si forzamos a

que tenga que ser el usuario el que decida para cada imagen, lo mejor que podemos obtener

queda representado en Fig. 33, podemos probar también con Sobel, Fig. 34, en cualquier caso

no es fácil determinar dónde está el perfil de la gota. Esto se produce porque al actuar el zoom

digital y crear pixeles en base a los vecinos crea información que afecta al funcionamiento de

los métodos basados en bordes.

Fig. 31: Imagen original obtenida con LG G4

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Procesamiento de imágenes

90

Fig. 32: Imagen procesada con Canny usando umbrales automáticos

Fig. 33: Imagen procesada con Canny usando umbrales manuales

Fig. 34: Imagen procesada con Sobel

Visto esto se probaron otros sistemas que permitieran trabajar incluso cuando trabajamos con

zoom. Debido a limitaciones temporales se probaron tres tipos diferentes de segmentación, el

método Otsu, basado en multi-thresholding, el método k-means, basado en clustering, y el

método statistical region merging (SRM). Para verificar cual funcionaba mejor se tomaron

varios ejemplos en los cuales se analizó una línea de pixeles en la zona donde se encuentra el

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Instrumentación móvil

91

perfil de la gota, se realizaron varios cortes para ver el funcionamiento en varios sectores en la

Fig. 35 se muestran los sectores escogidos. En la Fig. 36 está representado un ejemplo

característico, en él se puede apreciar que tanto Canny como SRM ofrecen varios puntos

candidatos separados por lo que no es sencillo determinar cuál compone el perfil ni seguirlo.

En cambio OTSU y k-means ofrecen un sistema más sencillo de seguir y una forma más fácil de

encontrar la gota, además disponemos de varios pixeles por lo que podemos decidir en base a

la evaluación del sistema de cálculo cual debemos de usar. Debido al rendimiento se decidió

que Otsu para incluirlo en nuestro sistema. Podemos ver la imagen representada en Fig. 31

una vez procesada con Otsu en la Fig. 37.

Fig. 35: Cortes producidos en la gota para verificar el funciónenlo de cada método.

En la Fig. 37 podemos ver que todavía hay ruido, no obstante el perfil de la gota es fácilmente

reconocible.

Una vez disponemos de una imagen intermedia creada con el método Otsu, podemos definir

el perfil de la gota. Para encontrarlo partimos de las posiciones aproximada de los punto de

contacto con la superficie o el capilar aportados por el usuario. A partir de ahí buscamos el

posible punto de contacto más cercano al dado por el usuario. Una vez disponemos de ambos

candidatos, y si la gota es sésil, buscamos si el capilar está insertado en la gota, si es así

buscamos los puntos de contacto gota-capilar. Una vez tenemos todos los datos necesarios,

partimos del punto de contacto izquierdo y empleando un sistema de máscaras, Fig. 38,

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Procesamiento de imágenes

92

seguimos el perfil hasta llegar al punto derecho o encontrar el capilar. Si se encuentra el

capilar se repetirá el proceso de búsqueda desde el punto derecho hasta el capilar. Hay que

destacar que el sistema de máscaras se basa en la posición actual y la posición anterior para

definir los posibles candidatos. En caso de que entre los posibles candidatos no se encuentre

una valido, se amplía con nuevos candidatos, si aun así no se encuentra, se toma la dirección

anterior y se vuelve a probar, si tras cinco intentos no se encuentra un candidato valido, el

algoritmo se para e indica que no ha encontrado el perfil de la gota.

Fig. 36: Ejemplo representativo del funcionamiento de los diferentes métodos para un corte determinado

Fig. 37: Imagen procesada usando Otsu

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100

Inte

nsi

ty

Pixel

G4 zoom - Cut 2 - Y=3003

Canny

Original

k-means

Otsu

srm

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Instrumentación móvil

93

Fig. 38: Mascaras usadas para encontrar el perfil de la gota

Pendant, sessile, tilted y energy

Llegados a este punto se dispone de un sistema de procesamiento de imagen funcional y un

núcleo de cálculo sólido, por tanto se disponen de las herramientas necesarias para el

desarrollo de las apps que usando la cámara del móvil podrán medir los diferentes valores

físicos propuestos, tensión superficial, ángulo de contacto, etc. Para adecuarnos a las distintas

necesidades se han creado cuatro apps:

Pendant: App destinada al cálculo de la tensión superficial, área y volumen de una gota

pendiente usando las ecuaciones de Young-Laplace.

Sessile: Instrumento para calcular el ángulo de contacto y opcionalmente el área y

volumen en gotas sésiles usando las ecuaciones de Young-Laplace o el ajuste

polinómico.

Tilted: Sistema para hallar el ángulo de avance y retroceso de una gota sobre una

plataforma inclinada usando ajuste polinómico.

Energy: Aplicación que mide la energía libre de una superficie con el uso de entre uno

y tres líquidos diferentes tras medir el ángulo de contacto y usando las aproximaciones

de Neumann, Oss and Good, Y Fowkes todos explicado en el apartado ¡Error! No se

encuentra el origen de la referencia..

En estos casos es apropiado llamar al resultado instrumento pues además del software se

dispone de un hardware Fig. 39, creado por el equipo del Prof. Amirfazli del departamento de

ingeniería mecánica de York University.

Pixel anterior

Pixel actual

Candidatos a siguiente pixel

Candidatos a siguiente

pixel extendido

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Automatización

94

Fig. 39: Hardware para la realización de experimentos

El software mencionado se ha desarrollado en Android y está programado usando diversas

herramientas. El núcleo de cálculo y el método de Otsu se han implementado en Matlab y

convertido a C usando la herramienta Matlab Coder, el resto del software ha sido programado

en Java.

Se optó por Android por la diversidad de dispositivos que se puede encontrar en el mercado

con este sistema operativo, puntos a su favor fue el hecho de que permite desarrollar,

desplegar y distribuir aplicaciones sin necesidad de ningún pago ni control externo. En el caso

de las implementaciones en Matlab se debe a que dispone de muchas herramientas

matemáticas para cálculo y procesamiento de imagen, este software tiene muy buena

reputación, funciona correctamente y está muy optimizado. Con el uso de la herramienta

Matlab Coder es muy sencillo transformar el código a C, lenguaje conocido entre otras cosas

por su velocidad de ejecución, y que se puede compilar en Android usando el Native

Develoment Kit (NDK) e integrar con el código Java usando Java Native Interface (JNI).

El uso de smartphone aporta nuevas capacidades como el uso de los sensores del móvil para

determinar la inclinación del dispositivo. Como se ha visto en las pruebas, si la foto se toma

con cierto ángulo puede afectar negativamente al resultado. Por tanto podemos evitar que el

usuario pueda tomar una foto si el ángulo es excesivo, igualmente si sabemos el ángulo exacto

en el que está la cámara podemos rotar la imagen para corregirlo y obtener un mejor

resultado.

Automatización

Aunque debido a la interfaz y al estado de desarrollo de la app, la automatización disponible

es limitada, durante el desarrollo se ha procedido a seguir las indicaciones de arquitectura

expresadas en el Capítulo 2 así pues se ha definido una clase basada en Runnable que admite

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Instrumentación móvil

95

en su construcción una lista de Object que obviamente deberá procesar. Así mismo se dispone

de un planificador simple que decide cuando se ejecuta las tareas. Actualmente se dispone de los siguientes procesos y fases:

Captura.

o Captura

o Guardado de imagen

Procesamiento de imagen

o Pre-procesamiento

o Detección de perfil

Calculo de los valores físicos.

Por ahora la automatización está limitada a dos posibilidades la captura de imágenes múltiples

y el recalculo de todos a parte de las imágenes de un proyecto. El planificador funciona tal y

como se ha explicado en el apartado ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Emplea varias hebras, en la versión actual hasta cuatro, una específica para la captura de

imágenes, y un pool de tres hebras para procesamiento, es capaz de definir temporización

para la toma de imágenes múltiples, así como retrasar los procesos de procesamiento y

calculo cuando el heap de Java está saturándose y evitar que dos fases de pre procesamiento

se ejecuten simultáneamente, esto último se debe a que se pueden producir condiciones de

carrera. Cabe destacar que utiliza las funciones de Android para modificar el estado de

hibernación del dispositivo manteniéndolo activo incluso si el usuario apaga la pantalla. En el futuro con el hardware de dosificación motorizado que se encuentra en desarrollo se

ampliaran las funciones automatizadas que permitirán tares más complejas como la captura a

la vez que se realizan cambios en el volumen de la gota.

Pruebas

Con el fin de probar la app completa (Sessile y Pendant) se han realizado una serie de pruebas

comparando los resultados del instrumento móvil propuesto en este trabajo con el

instrumento Drop Shape Analyzer 100E (DSA100E) de Krüss Machine. Para evitar diferencias

de medida debidas a contaminaciones, errores humanos, alteración de las superficies, etc. se

procedió de la siguiente forma:

Se situó el instrumento aquí presentado en perpendicular el DSA-100. Fig. 40

Los experimentos fueron llevados a cabo por dos personas de forma que se sincronizo

entre ambos la toma de la imagen.

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Pruebas

96

Este procedimiento tiene como resultado que se han tomado las imágenes sobre la misma

gota en el mismo instante (dentro del margen de un segundo).

Fig. 40: Esquema representativo de la situación de los experimentos vista desde arriba

Para gota pendiente se ha probado la aplicación Pendant usando tres líquidos diferentes y

comparando los resultados con los obtenidos en DSA. Los fluidos usados han sido: agua,

etilenglicol y dodecano, los resultados se muestran en Tabla 15. Tras analizar los resultados no

se han encontrado diferencias significativas, por lo que queda comprobado que el instrumento

presentado en estas tesis funciona adecuadamente para el caso de gota pendiente.

Tabla 15: Comparación de resultados entre el instrumento Pendant y DSA-100E

Liquid Drop Tensión superficial LG 4 (mN/m)

Tensión superficial DSA-100E (mN/m)

Dodecano 1 24.63±0.107 24.59±0.054

Dodecano 2 23.08±0.18 23.30 ±0.016

Dodecano 3 23.38±0.34 23.24±0.13

Etilenglicol 1 47.29±0.061 47.29±0.11

Etilenglicol 2 47.51±0.21 47.27±0.083

Etilenglicol 3 47.34±0.31 47.12±0.151

Agua 1 72.40±0.229 72.22±0.178

Agua 2 72.47±0.123 72.14±0.442

Agua 3 72.38±0.22 72.64±0.133

Liquid Drop Tensión superficial Nexus 5 (mN/m)

Tensión superficial Nexus 5 (mN/m)

Dodecano 4 23.12±0.092 23.14±0.050

Dodecano 5 23.19±0.075 23.16±0.078

Dodecano 6 23.42±0.187 23.33±0.064

Etilenglicol 4 47.35±0.278 47.72±0.287

Etilenglicol 5 47.64±0.229 47.76±0.531

Etilenglicol 6 47.14±0.21 47.08±0.129

Agua 4 72.34±0.257 72.28±0.100

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Instrumentación móvil

97

Agua 5 72.51±0.144 72.30±0.288

Agua 6 72.18±0. 111 72.38±0.229

Con el fin de verificar el comportamiento del instrumento aquí presentado midiendo ángulos

de contacto, se realizó una prueba con tres series de gotas de agua en diferentes superficies:

cristal, polietil-metacrilato (PEMA), superficie de polímero (PS), teflón y una superficie súper

hidrofóbica (SHS).

Tabla 16: resultados de la medida de diferentes gotas de agua sobre cristal

Sessile DSA-100E

Cristal Método Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

1 Young-Laplace

28.34 28.34 28.1 28.1

1 Polinomial 33.49 26.1 29.8 24.9

2 Young-Laplace

27.1 27.1 27.5 27.5

2 Polinomial 29.42 32.3 27.4 27.7

3 Young-Laplace

27.86 27.86 28.2 28.2

3 Polinomial 24.34 34.18 27.2 27.6

Tabla 17: Medidas de ángulo de contacto de tres gotas de agua sobre PEMA

Sessile DSA-100E

PEMA Método Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

1 Young-Laplace

76.88 76.88 76.4 76.4

1 Polynomial 78.8 73.16 75 74.5

2 Young-Laplace

75.3 75.3 74.4 74.4

2 Polynomial 75.85 77.27 71.9 71

3 Young-Laplace

74.93 74.93 74.4 74.4

3 Polynomial 76.31 70.5 74 71.9

Tabla 18: Ángulo de contacto para tres gotas en superficie PS

Sessile DSA-100E

PS Método Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

1 Young- 88.3 88.3 88.4 88.4

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Pruebas

98

Laplace

1 Polinomial 85.66 89.09 86.2 85.3

2 Young-Laplace 87.6 87.6 87.9 87.9

2 Polinomial 87.58 90.71 87.1 85.8

3 Young-Laplace 88.68 88.68 88.2 88.2

3 Polinomial 84.85 88 85.7 85.2

Tabla 19: Medidas de tras gotas sobre teflón

Sessile DSA-100E

Teflon Método Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

1 Young-Laplace 124.75 124.75 125.6 125.6

1 Polinomial 122.79 121.76 122.3 121.7

2 Young-Laplace 123.29 123.29 123.8 123.8

2 Polinomial 122.57 124.21 119.2 122.2

3 Young-Laplace 127.25 127.25 126.8 126.8

3 Polinomial 127.37 127.86 128.2 122.8

Tabla 20: Resultados de las medidas sobre SHS

Sessile DSA-100E

SHS Método Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

Ángulo izq. (º)

Ángulo dcho. (º)

1 Young-Laplace 144.62 144.62 145.4 145.4

1 Polinomial 141.59 141.4 141.8 139.2

2 Young-Laplace 162.22 162.22 145.4 145.4

2 Polinomial 142.34 143.8 141.8 139.2

3 Young-Laplace 168.75 168.75 169.1 169.1

3 Polinomial 150.02 154.59 158.5 155.4

Al analizar los gráficos anteriores podemos ver que no hay una diferencia estadística

significativa ya que el propio DSA tiene un error de ±0.3º. Se ha probado el método de ajuste

polinomial y optimización de ecuaciones de Young-Laplace.

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Instrumentación móvil

99

En este documento no se presentan resultados de gota inclinada, esto se debe a que no es

posible realizar este tipo de experimentos con ambos sistemas simultáneamente y puesto que

la disposición de la gota puede alterar la geometría de la gota en caso de diferencias de

medidas, no sería posible determinar a qué se debe. No obstante en el caso de gota inclinada

se usa el método polinomial el cual ha sido debidamente verificado y por tanto la medida será

correcta.

Tras analizar los resultados presentados se puede confirmar que el instrumento y que es

posible el uso de móviles para el desarrollo de instrumentación científica.

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Conclusiones

100

Capítulo 6. Conclusiones y trabajos futuros

Conclusiones

A partir del trabajo realizado en esta tesis se ha contribuido al campo de la instrumentación

aportando nuevos métodos y técnicas para trabajar con sistemas de instrumentación de alta

precisión que requieren una supervisión continuada durante la realización de experimentos

durante largos periodos de tiempo, y en particular para los tensiómetros/goniómetros que

permiten la medida precisa de la tensión superficial y el ángulo de contacto, entre otros.

Para ello, se han trabajado con varias soluciones en cinco niveles:

1. Mejora de la automatización incluyendo nuevas arquitecturas y métodos para

programar y ejecutar experimentos garantizando la reproducibilidad a nivel de

instrumento y evitando errores humanos. Al tiempo que sienta las bases para que el

uso remoto y la monitorización puedan operar con sistemas de tiempo real.

2. Se ha desarrollado un framework, RVLab, que facilita la construcción de laboratorios

remotos de forma que los usuarios puedan acceder de forma ubicua a los instrumentos

y realizar experimentos como si estuvieran en el laboratorio.

3. La definición de un sistema de monitorización ubicua para el seguimiento del progreso

de los experimentos en cualquier parte a través del uso de dispositivos móviles y recibir

alertas en caso de que algo no vaya como debería, permitiendo que el investigador

pueda abandonar el laboratorio durante experimentos largos.

4. El uso de la automatización que se detalla en esta memoria, junto a los componentes

de RVLab y el monitor descrito, permiten que instrumentos que requieren de tiempo

real sean usados incluso cuando se emplean redes como internet. Esto se debe a que

en esta propuesta se emplean las herramientas de RVLab para programar

experimentos en un entorno sin tiempo real para luego ejecutarlos en el sistema de

tiempo real. En el caso de la monitorización, al introducir un componente intermedio el

instrumento puede funcionar a tiempo real sin verse afectado por comunicaciones no

acotadas en el tiempo.

5. Se ha creado un tensiómetro/goniómetro portable que se usa directamente en el móvil

y dispone de un hardware compacto y ligero para la realización del experimento en

cualquier ubicación, y no necesariamente en el laboratorio. Todo esto se consigue sin

renunciar a la precisión de instrumentos más grandes y pesados.

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Conclusiones y trabajos futuros

101

Estas soluciones han definido nuevos métodos que mejoran el uso de la instrumentación

científica al tiempo en que la hacen más accesible.

En esta tesis se han propuesto soluciones conceptuales válidas para la mayoría de

instrumentos, no obstante se ha hecho un especial énfasis en los tensiómetros/goniómetros

con el fin de probar nuestras hipótesis y aplicar los conocimientos generados en un campo

concreto, pues el ámbito de la instrumentación científica es muy extenso.

Trabajo futuro

En el futuro cercano la investigación del autor de esta tesis se centrará en la mejora del

software del instrumento móvil así como la creación de un nuevo software denominado

Constrained para gotas cautivas con el fin de su lanzamiento al mercado. No obstante queda

mucho que investigar como nuevos métodos de procesamiento de imagen más rápidos y

precisos que Otsu, el uso de esta nueva filosofía de instrumentación móvil aplicándola a otros

experimentos en el campo de la física y mecánica de fluidos o la investigación en la mejora de

la arquitectura de automatización propuesta. No obstante aún queda mucho por investigar y

descubrir en el campo de la instrumentación remota con el fin de que realmente se empiece a

aplicar más que en casos particulares completando el framework de servidor propuesto

añadiéndole capacidades para la creación de clientes de forma sencilla y multiplataforma

incluyendo móviles y Tablet. En este aspecto sería interesante añadir funcionalidades para

automatización con el fin de definir una suite que permita desarrollar un LVR completo de la

forma más sencilla y rápida posible. En este ámbito nuevas propuestas dirigidas a la

monitorización podría ser más fáciles y rápidas de aplicar en el futuro.

Lista de publicaciones

Título: Surface Tension Measurement with a Smartphone using a Pendant Drop (In Press) Revista: Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects Año: 2017 Autores: Huachen, Chen; Muros-Cobos, Jesús Luis; Holgado-Terriza, Juan Antonio; Amirfazli, Alidad Índice de impacto (ISI): 2.174 Índice de impacto (SCImago): 0.797 Cuartil (SCImago): Q2 Título: Distributed Service-Based Approach for Sensor Data Fusion in IoT environments Revista: Sensors Año: 2014 Volumen: 14 Número: 10

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Lista de publicaciones

102

Página inicial: 19200 Página final: 19228 Autores: Rodríguez-Valenzuela, Sandra; Holgado-Terriza, Juan Antonio; Gutiérrez-Guerrero, José Miguel; Muros-Cobos, Jesús Luis Índice de impacto (ISI): 2.245 Índice de impacto (SCImago): 0,645 Cuartil (SCImago): Q2 Título: Bile salts at the air-water interface: Adsorption and desorption Revista: COLLOIDS AND SURFACES B-BIOINTERFACES Año: 2014 Volumen: 120 Número: Página inicial: 176 Página final: 183 Autores: Maldonado-Valderrama, Julia; Muros-Cobos, Jesús Luis; Holgado-Terriza, Juan Antonio; Cabrerizo-Vílchez, Miguel Ángel Índice de impacto (ISI): 4.152 Índice de impacto (SCImago): 1,215 Cuartil (SCImago): Q1 Título: A Componentizable Server-Side Framework for Building Remote and Virtual

Laboratories Revista: INTERNATIONAL JOURNAL OF ONLINE ENGINEERING Año: 2012 Volumen: 8 Número: 4 Página inicial: 43 Página final: 51 Autores: Muros-Cobos, Jesús Luis; Holgado-Terriza, Juan Antonio Índice de impacto (SCImago): 0,19 Cuartil (SCImago): Q3

Título de la aportación: Contact Angle Measurement: The Big Instrument versus Small Instrument Nombre del congreso: Annual Meeting of Adhesion Society Año: 2017 Lugar: St. Petersburg, FL, COSTA MESA, CA, USA Autores: Amirfazli, Alidad; Muros-Cobos, Jesús Luis; Chen, Huachen Título de la aportación: Redes de Sensores I2C Inteligentes Nombre del congreso: XXIV Jornadas de Concurrencia y Sistemas Distribuidos Año: 2016 Lugar: Granada, España

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Conclusiones y trabajos futuros

103

Autores: Gutiérrez-Guerrero, José Miguel; Holgado-Terriza, Juan Antonio; Muros-Cobos, Jesús Luis; Pomboza, Gonzalo Título de la aportación: Towards sustainability in multi-modal urban planners Nombre del congreso: International Conference on Connected Vehicules and Expo Año: 2014 Lugar: Viena, Austria Autores: Baena-toquero, Manuel; Muros-Cobos, Jesús Luis; Rodríguez-Valenzuela, Sandra; Holgado-Terriza, Juan Antonio Título de la aportación: Desarrollo de sistemas industriales a través de sistemas empotrados basados en Java Nombre del congreso: IV Jornadas de Computación Empotrada Año: 2013 Lugar: - Madrid, España Autores: Gutiérrez-Guerrero, José Miguel; Muros-Cobos, Jesús Luis; Rodríguez-Valenzuela, Sandra; Damas-Hermoso, Miguel Título de la aportación: Monitoring experiments using mobile devices Nombre del congreso: 2013 IEEE International Conference on Computational lntelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications Año: 2013 Lugar: Milán, Italia Autores: Muros-Cobos, Jesús Luis; Cabrerizo-Vílchez, Miguel Ángel Título de la aportación: Data Fusion Mechanism based on a Service Composition Model for the Internet of Things Nombre del congreso: Actas de las III Jornadas de Computación Empotrada Año: 2012 Lugar: Elche, España Autores: Rodríguez-Valenzuela, Sandra; Holgado-Terriza, Juan Antonio; Muros-Cobos, Jesús Luis; Gutiérrez-Guerrero, José Miguel Título de la aportación: RVLab: A server-side framework to build remote and virtual laboratories Nombre del congreso: 9th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation Año: 2012 Lugar: Bilbao, España Autores: Muros-Cobos, Jesús Luis; Holgado-Terriza, Juan Antonio Título de la aportación: The OCTOPUS: a new subphase multi-exchange pendant drop tensiometer for in-vitro digestion studies Nombre del congreso: 5th International Workshop BUBBLE AND DROP INTERFACES

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Lista de publicaciones

104

Año: 2012 Lugar: Krakow, Polonia Autores: Maldonado-Valderrama, Julia; Cabrerizo-Vílchez, Miguel Ángel; Holgado-Terriza, Juan Antonio; Muros-Cobos, Jesús Luis Título de la aportación: Java para el Desarrollo de Sistemas Empotrados Nombre del congreso: II Jornadas de computación Empotrada Año: 2011 Lugar: Granada, España Autores: Holgado-Terriza, Juan Antonio; Rodríguez-Valenzuela, Sandra; Muros-Cobos, Jesús Luis

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Conclusiones y trabajos futuros

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Conclusiones y trabajos futuros

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Conclusiones y trabajos futuros

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Conclusiones y trabajos futuros

115

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Lista de publicaciones

116

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214.

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Conclusiones y trabajos futuros

117

Acronimos

ADSA. Axisymmetric Drop Shape Analysis

ALFI. Axisymmetric Liquid-Fluid Interfaces (Interfaces liquido-fluido axisimetricas)

API. Application Programming Interface

CPU. Central Processor Unit (Unidad de procesamiento central)

DSA. Drop Shape Analyzer

fps. Frames Per Second

IP. Dirección numerica para el protocolo ip (internet protocol)

JNI. Java Native Interface

JSON. JavaScript Object Notation

LAN. Local Area Network

LR, 20, Laboratorio remoto

LV. Laboratorio Virtual

LVR, 18, 19, 40

NDK. Native Development Kit

PCNN. Pulse-Coupled Neural Network

PEMA. poli (etil metacrilato)

PS. superficie de polímero

RAM, 57, 59, Random Access Memory (Memoria de acceso principal)

RMI, 20

SHS. superficie súper hidrofóbica

SIL. Sistema Informático de Laboratorio

SMI. Sistema de monitorización instrumental

SMS. Short Message System, sistema de mensajes cortos

SRM. statistical región merging

SSL. Secure Software Layer

STR. Sistema de tiempo real

TS. Transport stream

VNC, 19

VPN. Virtual Private Network

XML, 54, 58, 59, eXtensible Markup Language

XML-RPC, 54, 58

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Lista de publicaciones

118

Í ndice de figuras

Fig. 1: Construcción típica de un instrumento para el uso de métodos ópticos para el cálculo de

la tensión superficial .................................. ¡Error! Marcador no definido.

Fig. 2: Instrumento típico basado en el método ADSA. .......................... 26

Fig. 3: Diagrama de flujo del método ADSA para el cálculo de la tensión superficial de una gota

pendiente. ............................................................................................... 26

Fig. 4: Calculo de los valores físicos de una gota. ................................... 27

Fig. 5: Esquema de los distintos elementos. ........................................... 31

Fig. 6: Ejemplo de funcionamiento, antes de ejecución ......................... 31

Fig. 7: Ejemplo de funcionamiento, etapa 2 ........................................... 32

Fig. 8: Grafica de una reología sinusoidal usando el sistema propuesto, en naranja los datos

medidos, en azul puntos teoricos de la función seno............................. 35

Fig. 9: Imagen conceptual de un laboratorio .......................................... 39

Fig. 10: Capas de un LVR ......................................................................... 47

Fig. 11: Esquema de los diferentes tipos de capas adaptadoras para ofrecer soporte de tiempo

real ........................................................................................................... 50

Fig. 12: Diagrama de despliegue de RVLab. ............................................ 53

Fig. 13: Diagrama de componentes de RVLab. ....................................... 55

Fig. 14: Muestra de varios ordenadores ejecutando el cliente de laboratorio remoto. 56

Fig. 15: Uso de CPU durante las pruebas ................................................ 57

Fig. 16: Gráfico de memoria usada ......................................................... 58

Fig. 17: Tasas de envío de datos .............................................................. 58

Fig. 18: Tasa de recepción de datos ........................................................ 59

Fig. 19: Arquitectura del física monitor .................................................. 63

Fig. 20: Secuencia de autentificación valida usando certificado digital. 66

Fig. 21: Ejemplo de autentificación valida, usando dos pasos de forma transparente. 66

Fig. 22: Diagrama de flujo para las alertas .............................................. 69

Fig. 23: Interfaz de usuario del cliente desarrollado para el caso práctico74

Fig. 24: Instrumento típico basado en el método ADSA comparado con los elementos de un

Smartphone. ............................................................................................ 76

Fig. 25: Representación de los radio tomados radios de la gota usados para calcular

aproximadamente la presión. ................................................................. 78

Fig. 26: Comparación de las gotas generadas por ALFI y ODE45. ........... 80

Fig. 27: Ejemplo de corte de la gota. ....................................................... 81

Fig. 28: Esquema del método usado para agrandar y reducir el tamaño de las gotas sintéticas.

................................................................................................................. 83

Fig. 29: Imagen original de la gota .......................................................... 87

Fig. 30: Captura de gota procesada usando Canny ................................. 87

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Conclusiones y trabajos futuros

119

Fig. 31: Imagen original obtenida con LG G4 .......................................... 88

Fig. 32: Imagen procesada con Canny usando umbrales automáticos .. 89

Fig. 33: Imagen procesada con Canny usando umbrales manuales ....... 89

Fig. 34: Imagen procesada con Sobel ...................................................... 89

Fig. 35: Cortes producidos en la gota para verificar el funciónenlo de cada método. 90

Fig. 36: Ejemplo representativo del funcionamiento de los diferentes metodos para un corte

determinado ............................................................................................ 91

Fig. 37: Imagen procesada usando Otsu ................................................. 91

Fig. 38: Mascaras usadas para encontrar el perfil de la gota ................. 92

Fig. 39: Hardware para la realización de experimentos ......................... 93

Fig. 40: Esquema representativo de la situación de los experimentos vista desde arriba 95

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Lista de publicaciones

120

Í ndice de tablas

Tabla 1: API de conexión instrumento-monitor...................................... 64

Tabla 2: API sobre internet para la conexión cliente-monitor ................ 66

Tabla 3: API SMS para la conexión cliente-monitor ................................ 67

Tabla 4: Pruebas del uso de las distintas conexiones ............................. 73

Tabla 5: Resultados de usar nuestro sistema de optimización sobre gotas teóricas 80

Tabla 6: Series de cortes en una gota de 30mN/m ................................. 80

Tabla 7: Porcentaje del perfil mínimo para que el error se encuentre por debajo de 1mN/m. 81

Tabla 8: Error en la medida de gotas rotadas. ........................................ 82

Tabla 9: Error medido cuando la gota es agrandada o reducida ............ 83

Tabla 10: Error medido cuando se mueven los pixeles aleatoriamente. 84

Tabla 11: Error detectado para el calculo de angulo de contacto .......... 85

Tabla 12: Error medido para el ángulo de contacto con el método de Young-Laplace cuando la

gota se rota ............................................................................................. 85

Tabla 13: Error en el cálculo de ángulo de contacto cuando la gota se agranda o reduce. 85

Tabla 14: Error medido cunado los puntos se mueven aleatoriamente. 86

Tabla 15: Comparación de resultados entre el instrumento Pendant y DSA-100E 95

Tabla 16: resultados de la medida de diferentes gotas de agua sobre cristal 96

Tabla 17: Medidas de ángulo de contacto de tres gotas de agua sobre PEMA 96

Tabla 18: Ángulo de contacto para tres gotas en superficie PS .............. 96

Tabla 19: Medidas de tras gotas sobre teflón......................................... 97

Tabla 20: Resultados de las medidas sobre SHS ..................................... 97