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UNIVERSIDAD DE JAÉN Nombre del Centro

Trabajo Fin de Grado

SISTEMA DE MONITORIZACIÓN DE BAJO CONSUMO CON PANTALLA

DE TINTA ELECTRÓNICA Y CONEXIÓN A INTERNET

Alumno: Nicolás Martínez Catena Tutor: Ángel Gaspar González Rodríguez Dpto: Ingeniería de Sistemas y Automática

Febrero, 2018

Agradecimientos

En primer lugar agradecer a mis padres por hacer posible que este a un paso de

graduarme como ingeniero electrónico. Gracias a su apoyo, confianza y esfuerzo

que han tenido que realizar para que yo llegará hasta aquí.

A mi hermana Maria del Pilar y a mi hermano Álvaro porque son un apoyo vital

en la consecución de mis objetivos, y siempre están y estarán ahí cuando los

necesite.

Agradecer también a mis compañeros de clase por todo lo que me han ayudado

durante los años de carrera y por los buenos momentos pasados en la universidad.

Por último agradecer a mi tutor Ángel Gaspar por aceptar mi propuesta de TFG

y hacer posible la realización de este proyecto.

Índice 1. CONTEXTO ................................................................................................................................... 1

2. INTRODUCCIÓN AL PROYECTO ............................................................................................ 2

2.1. Domótica ................................................................................................................................ 3

2.1.1. Aplicaciones generales de la domótica ..................................................................... 3

2.2. Objetivos ................................................................................................................................ 4

2.3. Resultados esperados ......................................................................................................... 5

3. METODOLOGÍA A DESARROLLAR ......................................................................................... 6

3.1. Diseño y fabricación de la carcasa .................................................................................... 7

3.2. Circuito electrónico ............................................................................................................. 10

3.2.1. Arduino UNO ............................................................................................................... 10

3.2.2. Sensores ...................................................................................................................... 12

3.2.3. Pantalla E-Paper ......................................................................................................... 27

3.2.4. Hardware Pcb .............................................................................................................. 29

3.2.4.1. Componentes electrónicos ................................................................................ 29

3.2.4.2. Diseño y simulación ............................................................................................ 31

3.3. Software del microcontrolador .......................................................................................... 36

3.3.1. Arduino Software IDE ................................................................................................. 36

3.4. Desarrollo de plataforma web ............................................................................................... 37

3.5. Implementación del software de comunicación con la plataforma web ..................... 39

3.5.1. Internet de las cosas .................................................................................................. 39

3.5.2. GSM .............................................................................................................................. 41

3.5.3. GPRS ............................................................................................................................ 42

3.5.4. Módulo Wifi ESP8266 ................................................................................................ 43

3.6. Flujograma del código utilizado ........................................................................................ 46

3.6.1. Programa principal ...................................................................................................... 46

4. RESULTADOS ............................................................................................................................ 48

4.1. Pruebas de funcionamiento .............................................................................................. 48

4.2. Montaje final ........................................................................................................................ 50

5. PRESUPUESTO ......................................................................................................................... 51

5.1. Estimación de costes ......................................................................................................... 51

5.2. Precios unitarios del producto .......................................................................................... 52

5.3. Precio total del proyecto .................................................................................................... 53

6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ......................................................................... 53

6.1. Diseño futuro ....................................................................................................................... 55

7. Biliografía ..................................................................................................................................... 50

INDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 3.1. Diseño de la carcasa frontal en SolidWorks ........................................................ 7 Ilustración 3.2. Diseño de la carcasa lateral en SolidWorks ......................................................... 7 Ilustración 3.3. Diseño de la carcasa y la tapadera en SolidWorks............................................. 8 Ilustración 3.4. Proceso de impresión 3D de la carcasa ............................................................... 8 Ilustración 3.5. Carcasa del sistema ................................................................................................. 9 Ilustración 3.6. Logo Arduino ............................................................................................................. 10 Ilustración 3.7. Microcontrolador Arduino UNO .............................................................................. 11 Ilustración 3.8. Fotorresistencia LDR ............................................................................................... 13 Ilustración 3.9. Características LDR ................................................................................................. 14 Ilustración 3.10. Esquema de conexión LDR ................................................................................... 14 Ilustración 3.11. Conexión LDR a Arduino ....................................................................................... 15 Ilustración 3.12. Sensor de temperatura y humedad DHT11 ........................................................ 15 Ilustración 3.13. Hoja de especificaciones DHT11 .......................................................................... 16 Ilustración 3.14. Conexión DHT11 a Arduino ................................................................................... 17 Ilustración 3.15. Sensor de llama infrarrojo ...................................................................................... 18 Ilustración 3.16. Sensor de llama infrarrojo múltiple ....................................................................... 18 Ilustración 3.17. Espectro de emisión ............................................................................................... 19 Ilustración 3.18. Gráfica emisiones-longitud de onda sensor de llama ........................................ 20 Ilustración 3.19. Esquema de conexión sensor de llama ............................................................... 21 Ilustración 3.20. Sensores de gases MQ .......................................................................................... 21 Ilustración 3.21. Sensor de gas MQ-2 ............................................................................................... 23 Ilustración 3.22. Sensor de detección de inundación ..................................................................... 24 Ilustración 3.23. Conexión sensor de agua a Arduino .................................................................... 25 Ilustración 3.24. Sensor PIR ............................................................................................................... 25 Ilustración 3.25. Funcionamiento sensor PIR .................................................................................. 26 Ilustración 3.26. Display E-Paper ....................................................................................................... 27 Ilustración 3.27. Interruptor ................................................................................................................. 29 Ilustración 3.28. Conector batería ...................................................................................................... 29 Ilustración 3.29. Módulo Wifi ESP8266 ............................................................................................. 30 Ilustración 3.30. Diseño PCB en Schematic Capture ..................................................................... 32 Ilustración 3.31. Diseño PCB en PCB Layout .................................................................................. 33 Ilustración 3.32. Diseño PCB en 3D Visualizer (cara superior) ..................................................... 34 Ilustración 3.33. Diseño PCB en 3D Visualizer (cara inferior) ....................................................... 35 Ilustración 3.34. Software Arduino ..................................................................................................... 36 Ilustración 3.35. Página oficial Thingspeak ...................................................................................... 38 Ilustración 3.36. Canal Thingspeak ................................................................................................... 38 Ilustración 3.37. Internet de las cosas ............................................................................................... 39 Ilustración 3.38. GSM........................................................................................................................... 42 Ilustración 3.39. GPRS ........................................................................................................................ 43 Ilustración 3.40. ESP8266 ................................................................................................................... 43 Ilustración 3.41. Esquema de conexión ESP8266 .......................................................................... 44 Ilustración 3.42. Conexión ESP8266 a Arduino ............................................................................... 44 Ilustración 3.43. Flujograma del código ............................................................................................ 47 Ilustración 4.1. Monitorización variables E-Paper ........................................................................... 48 Ilustración 4.2. Monitorización alarmas E-paper.............................................................................. 48 Ilustración 4.3. Monitorización variables Thingspeak 1 .................................................................. 49 Ilustración 4.4. Monitorización variables Thingspeak 2 .................................................................. 49 Ilustración 4.5. Montaje final ............................................................................................................... 50

INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1. Diagrama de conexión E-Paper a Arduino .................................................................... 28 Tabla 3.2. Resistencias ....................................................................................................................... 30 Tabla 3.3. Conectores .......................................................................................................................... 30 Tabla 3.4. Comandos AT ESP8266 ................................................................................................... 45 Tabla 5.1. Costes indirectos ............................................................................................................... 51 Tabla 5.2. Presupuesto del producto ................................................................................................. 52

Resumen del proyecto

El objetivo de este proyecto será diseñar, construir e implementar un sistema

de monitorización de diferentes sensores basándonos en el internet de las cosas.

Este sistema pretende crear una red de sensores que permite conocer desde

cualquier lugar con acceso a Internet la temperatura, humedad y luminosidad de las

diferentes habitaciones de una vivienda. Información que influye directamente sobre

el estado de bienestar. También incluye un sistema seguridad mediante sensores de

alarma de detección de gases, incendio, inundación y movimiento.

Para ello, se ha implementado en el prototipo una pantalla de tinta electrónica,

esta ofrece al usuario la oportunidad de visualizar los datos que entregan los

sensores en tiempo real.

A lo largo de esta memoria, se expone de forma detallada cómo se ha llegado

a la realización de este proyecto.

Escuela Politécnica Superior de Jaén 1

Contexto CONTEXTO

1. CONTEXTO

En los últimos años la tecnología ha avanzado de manera exponencial. Hoy en

día estamos acostumbrados a vivir dependientes del móvil, del ordenador o de una

Tablet. Pero estas comodidades tecnológicas han surgido en los últimos 10 años. Lo

mismo está ocurriendo aunque de una manera menos acusada en las viviendas,

edificios o incluso en las ciudades. Ya es común encontrar viviendas con vigilancia

conectada a los ordenadores u otros dispositivos del hogar, tener sistemas de

alarmas para el control de la vivienda desde fuera del hogar o el control de un

invernadero o de un simple huerto.

El progreso de la tecnología, y en particular de las llamadas Tecnologías de la

Información y Comunicaciones (TIC) ha hecho que hoy en día se piense en un paso

más allá en el control de una vivienda, un paso más hacia los edificios inteligentes,

viviendas domóticas, e incluso de ciudades inteligentes. El hogar digital cada vez

suena más real y se acerca más a los que vemos en las películas, el hogar digital es

una realidad, que poco a poco se va incorporando a los hogares.

Movido por el auge de estas tecnologías y por el cada vez más conocido

internet de las cosas se ha elaborado este proyecto, con el fin de crear un sistema

de bajo coste que nos permita monitorizar en tiempo real desde cualquier lugar

datos como la temperatura o humedad que hay en nuestra vivienda, a la vez de

dotarla de una seguridad.

Todo visto desde un sistema de bajo coste, el cual podría ir de la mano y que

incluyo en el capítulo de trabajos futuros, del control domótico de las variables con

las que trabaja este sistema.

2 Escuela Politécnica Superior de Jaén

INTRODUCCIÓN AL PROYECTO Domótica

2. INTRODUCCIÓN AL PROYECTO

Durante los últimos años se ha experimentado una importante evolución

tecnológica que ha permitido no solo mejorar la calidad de vida, sino también la

percepción de lo que nos rodea. Dicho avance ha ocasionado que a través de la

tecnología de internet, las tareas cotidianas sean más fáciles, rápidas y asequibles,

sin la necesidad de salir de la vivienda.

Queda en el recuerdo las películas de ciencia ficción donde los personajes son

capaces de interactuar con su hogar. Apagar o encender las luces con el sonido de

una palmada o interactuar con una casa inteligente ya no es ciencia ficción, y esto

se debe a la domótica. Actualmente en la era del internet de las cosas (IoT) es

impensable que estas tareas no sean posibles. Existen relojes que dicen las

pulsaciones, los pasos registrados o hablar con amigos y familiares. Teléfonos

móviles que no solo permiten la comunicación entre personas, sino también trabajar

a distancia desde el propio terminal, con cámaras de gran calidad y con juegos de

gráficos de alta resolución. Gracias a estos avances en telefonía inteligente y al

llamado internet de las cosas se puede conectar todo tipo de objetos a internet para

controlarlos desde un Smartphone o Smartwatch.

En contraposición todos estos artículos conectados suponen un gran

desembolso económico, en algunos aspectos con precios prohibitivos. Por la fuerza

adquirida tanto a conceptos de Software Libre o Hardware Libre los entusiastas del

DiY (hazlo tu mismo) tienden a fabricar sus propios sistemas domóticos. Usando en

su mayoría arduinos o raspberry pi, debido a su simplicidad a la hora de

programación y de uso.

Arduino está íntimamente ligado a conceptos como IoT o DiY, esto se debe a la

existencia de una gran comunidad detrás de esta plataforma. Se pueden encontrar

módulos de comunicación, de sensórica y de control entre otros, además de sus

correspondientes librerías que permiten programar todo el sistema, sin la necesidad

de conocer que es un registro o su función.


Domótica INTRODUCCIÓN AL PROYECTO

2.1. Domótica

La domótica es el conjunto de sistemas y subsistemas que permiten

automatizar una vivienda generando valor añadido en cuanto a comunicación,

bienestar, eficiencia energética y seguridad. Surge en Estados Unidos en la época

de los años 70 con el objetivo de reducir el consumo energético, el cual aparece

debido a la crisis energética mundial que se produjo durante esta década. Es

exactamente en 1978 cuando aparece el sistema X-10, considerado el primer

sistema domótico. En sus inicios solo fue usado en lugares donde el consumo

energético era elevado como hoteles y hospitales hasta llegar a los hogares, en la

actualidad es común encontrarlo en casas y oficinas de todo el mundo.

2.1.1. Aplicaciones generales de la domótica

Eficiencia energética:

El origen de la automatización del hogar viene derivado de la necesidad del

ahorro energético y sigue siendo el principal objetivo de la domótica. Se produce al

gestionar de forma eficiente la temperatura, luminosidad y el sistema eléctrico.

Temperatura:

Los sistemas de climatización consiguen un ahorro energético evitando el uso

excesivo de sistemas de frío o calor estableciendo un rango de temperatura óptima.

Luminosidad:

Teniendo control sobre las persianas y el sistema de iluminación se puede

establecer una luminosidad adecuada minimizando el consumo eléctrico.

Gestión eléctrica:

Permite desconectar los equipos prescindibles cuando no estén en uso o no

sea necesario su utilización, además usa de forma inteligente ciertos equipos en los

horarios de tarifa reducida. Por otro lado, se puede controlar la gestión de la energía

renovable. Estas últimas gestiones afectan al ahorro económico del uso energético,

más que al ahorro energético propiamente dicho.


INTRODUCCIÓN AL PROYECTO Objetivos

Estado de bienestar:

La integración de servicios de valor añadido mediante IoT permite la utilización

de electrodomésticos de forma remota. Para que sea posible debe existir una

interfaz de usuario fácil e intuitiva.

Seguridad:

Los diferentes sensores utilizados en domótica permiten conocer el estado de

la vivienda a tiempo real. Esta información hace que se pueda detectar cualquier

anomalía, tales como incendios, inundaciones, o una presencia no esperada que

alertaría de robo.

2.2. Objetivos

El objetivo de este trabajo fin de grado trata sobre el diseño y la programación de un

equipo inteligente de dimensiones reducidas y de bajo coste que, por un lado, integre la

capacidad de leer la información suministrada por un conjunto específico de sensores y,

por el otro, tenga la capacidad de enviar la información adquirida a través de Wifi. El equipo

será escalable en cuanto a número de sensores y tendrá la capacidad de mostrar

determinada información de interés mediante una pantalla integrada de tinta electrónica.

Los principales objetivos de este proyecto podemos dividirlos en tres bloques:

Electrónica : Implementación de los diferentes sensores al microcontrolador Arduino para

crear un sistema capaz de leer los datos entregados por estos sensores. Para ello se ha

diseñado una placa de circuito impreso.

Informática : Mediante el software de Arduino se ha creado un programa que permite el

envio de datos de los sensores a la pantalla de tinta electrónica, así como a una

plataforma de internet de las cosas..

Mecánica : Creación de un contenedor que soportará todo el sistema además de

favorecer la portabilidad del prototipo.


Resultados esperados INTRODUCCIÓN AL PROYECTO

2.3. Resultados esperados

Al finalizar el proyecto, se obtendrá un sistema capaz de monitorizar en una

pantalla de tinta electrónica la temperatura, humedad y porcentaje de luminosidad

del lugar donde se coloque, además de dotarlo de seguridad activando una alarma

sonora en caso de detección de gases, incendio, inundación y movimiento.

El sistema además enviará estos datos a una plataforma de internet vía wifi

para obtener un mayor control de las variables indicadas.


METODOLOGÍA A DESARROLLAR Diseño y fabricación de la carcasa

3. METODOLOGÍA A DESARROLLAR

La metodología que se desarrollará en este proyecto será:

• Realizar un diseño en 3D de la carcasa donde irá implementado todo el

sistema, que se imprimirá en una impresora 3D.

• Implementación de los diferentes sensores en el microcontrolador

Arduino, así como de la batería, la pantalla Epaper, el módulo Wifi y los

componentes discretos necesarios para el correcto funcionamiento del

sistema. Además del diseño de una placa de circuito impreso para una

mejor adaptación entre los sensores y Arduino.

• Diseñar el software a través de un microcontrolador, para mandar la

información a la pantalla de tinta electrónica y a la plataforma web,

previamente creada. En este proyecto el software se ha realizado con el

software libre Arduino.

Siguiendo esta metodología comentada, para explicar el desarrollo de este

proyecto se ha dividido en diferentes apartados para una mejor comprensión del

mismo.


Diseño y fabricación de la carcasa METODOLOGIA A DESARROLLAR

3.1. Diseño y fabricación de la carcasa

Para realizar los planos que componen la carcasa del prototipo se ha utilizado

la herramienta de diseño SolidWorks, este software CAD es utilizado para modelizar

piezas y conjuntos de piezas, además de hacer simulaciones. En la ilustración 3.1 y

3.2 se observa el resultado del diseño en 3D con esta herrmanienta.

Ilustración 3.1. Diseño de la carcasa frontal en Sol idWorks

Ilustración 3.2. Diseño de la carcasa lateral en So lidWorks


METODOLOGÍA A DESARROLAR Diseño y fabricación de la carcasa

Para una mejor implementación se ha dejado una parte de la carcasa abierta y

se ha diseñado una pieza individual para añadirla a la carcasa principal una vez que

el sistema este montado, tal y como se puede observar en la ilustración 3.3.

Ilustración 3.3. Diseño de la carcasa y la tapadera en SolidWorks

Una vez realizado el diseño se ha pasado a la construcción física de dicha

carcasa, para llevarla a cabo, se ha utilizado una impresora 3D usando PLA como

material de fabricación. La Polilactida o PLA es un termo-plástico biodegradable

procedente de recursos renovables tales como el maíz, raíces de tapioca, féculas y

almidones varios y de la caña de azúcar. Gracias a su consistencia más fluida a

temperatura de extrusión, es ideal para imprimir piezas con paredes finas como

cajas. Además, sufre mucha menos retractación que el ABS por lo que no es

necesario el uso de la cama caliente. En la ilustración 3.4 se puede apreciar una

parte del proceso de impresión en 3D.

Ilustración 3.4. Proceso de impresión 3D de la carca sa


Diseño y fabricación de la carcasa METODOLOGIA A DESARROLLAR

Una vez finalizado el proceso de impresión se puede apreciar en la ilustración

3.5 la carcasa ya lista para contener en su interior el circuito electrónico desarrollado

y los demás componentes que incluye el sistema.

Ilustración 3.5. Carcasa del sistema

El resultado ha sido una carcasa capaz de contener el prototipo, ligera y

fácilmente transportable a cualquier lugar donde se requiera de su utilización.

Finalmente se han diseñado unas pegatinas para la carcasa, siempre

intentando que estas, además de darnos información sobre la ubicación de los

sensores, sugieran ya una idea de la utilización del prototipo. Para realizar el diseño

de estas pegatinas se ha utilizado InkScape, un programa de diseño vectorial

gratuito.


METODOLOGÍA A DESARROLAR Circuito electrónico

3.2. Circuito Electrónico

El circuito electrónico del prototipo está formado por dos placas

interconectadas entre sí, para el procesamiento de los datos se ha utilizado una

plataforma de hardware libre llamada Arduino, en este caso se ha utilizado el modelo

Arduino Uno, conectado a esta placa se encuentra otra, esta es utilizada

básicamente para incorporar algunas funcionalidades necesarias para el correcto

funcionamiento del prototipo.

3.2.1. Arduino

Arduino es una plataforma de electrónica libre basado en software y hardware

flexibles y de fácil uso para la creación de diferentes prototipos. Al ser open-

hardware puede emplearse para realizar cualquier tipo de proyecto sin haber

adquirido ninguna licencia.

Ilustración 3.6. Logo Arduino

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVr y

puertos de entrada / salida. Los microcontroladores más utilizados son el

Atmega168, Atmega328, Atmega1280, y Atmega8 por su sencillez y bajo coste que

permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un

entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación

Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado en la placa. Se

programa en el ordenador para que la placa controle los componentes electrónicos.


Circuito Electrónico METODOLOGIA A DESARROLLAR

En este proyecto se utilizará el Arduino UNO R3 que utiliza el microcontrolador

ATmega328. En adición a todas las características de las tarjetas anteriores, el

Arduino UNO utiliza el ATmega16U2 para el manejo de USB en lugar de 8U2 (o del

FTDI encontrado en generaciones previas). Esto permite ratios de transferencia más

rápidos y más memoria. No se necesitan drivers para Linux o Mac (el archivo inf

para Windows es necesario y está incluido en el IDE de Arduino).

La tarjeta Arduino UNO R3 incluso añade pins SDA y SCL cercanos al AREF.

Es más, hay dos nuevos pines cerca del pin RESET. Uno es el IOREF, que permite

a los shields adaptarse al voltaje brindado por la tarjeta. El otro pin no se encuentra

conectado y está reservado para propósitos futuros. La tarjeta trabaja con todos los

shields existentes y podrá adaptarse con los nuevos shields utilizando esos pines

adicionales. La ilustración 3.7 muestra el microcontrolador Arduino donde se pueden

apreciar los diferentes pines para su conexión.

Ilustración 3.7. Microcontrolador Arduino UNO

El Arduino UNO R3 puede ser utilizado para desarrollar objetos interactivos o

puede ser conectado a software de la computadora (por ejemplo, Flash, Processing,

MaxMSP). EL IDE open-source, del que se hablará en capítulos posteriores, se

puede descargar gratuitamente (actualmente para Mac OS X, Windows y Linux).[1]


METODOLOGÍA A DESARROLAR Circuito Electrónico

Características;

• Microcontrolador ATmega328

• Voltaje de entrada 7-12 V

• 14 pines digitales de I/O (6 salidas PWM)

• 6 entradas análogas

• 32k de memoria flash

• Reloj de 16MHZ de velocidad

3.2.2. Sensores

Para la realización del prototipo se han utilizado diferentes soluciones

comerciales, adaptando estos sistemas a las necesidades del proyecto y ampliando

ciertas funcionalidades que estos sistemas comerciales no implementan. Mediante

los sensores escogidos se obtendrán las medidas necesarias para su posterior

monitorización.

En la siguiente lista se muestran los sensores utilizados para la realización del

proyecto:

1. Fotoresistencia LDR

2. Sensor de temperatura y humedad (DHT11)

3. Sensor detector de llama infrarrojo

4. Sensor de detección de gases MQ2

5. Sensor de detección de inundación

6. Sensor de movimiento PIR

A continuación, se describirán los sensores que componen el circuito utilizado

para la fabricación del prototipo, así como su esquema de conexión al

microcontolador:



• Fotoresistencia LDR:

Un fotoresistor, o LDR (light-dependent resistor) es un dispositivo cuya

resistencia varía en función de la luz recibida. Podemos usar esta variación para

medir, a través de las entradas analógicas, una estimación del nivel de luz. En la

ilustración 3.8 se puede apreciar un fotoresistor.

Ilustración 3.8. LDR

Un fotoresistor está formado por un semiconductor, típicamente sulfuro de

cadmio CdS. Al incidir la luz sobre él algunos de los fotones son absorbidos,

provocando que electrones pasen a la banda de conducción y, por tanto,

disminuyendo la resistencia del componente.

Por tanto, un fotoresistor disminuye su resistencia a medida que aumenta la luz

sobre él. Los valores típicos son de 1 Mohm en total oscuridad, a 50-100 Ohm bajo

luz brillante.

Por otro lado, la variación de la resistencia es relativamente lenta, de 20 a 100

ms en función del modelo. Esta lentitud hace que no sea posible registrar

variaciones rápidas, como las producidas en fuentes de luz artificiales alimentadas

por corriente alterna. Este comportamiento puede ser beneficioso, ya que dota al

sensor de una gran estabilidad. En la ilustración 3.9 se puede apreciar como varía la

resistencia relativa y la longitud de onda frente a la temperatura.



Ilustración 3.9. Características LDR

Por tanto, un LDR es un sensor que resulta adecuado para proporcionar

medidas cuantitativas sobre el nivel de luz, tanto en interiores como en exteriores, y

reaccionar, por ejemplo, encendiendo una luz, subiendo una persiana, u orientando

un robot.

La conexión habitual de las fotorresistencias en un circuito, especialmente en

los microcontroladores, suele ser como un divisor de tensión. Se dispone del LDR

entre la alimentación positiva y la salida de señal (la entrada analógica del

microcontrolador) y desde ahí se conecta con una resistencia a la alimentación

negativa, tal y como se muestra en la ilustración 3.10. Si fuera necesaria mucha

precisión o realizar ajustes sobre el circuito terminado, se podría usar una

resistencia variable en lugar de la resistencia fija. [2]

Ilustración 3.10. Esquema de conexión LDR a microcon trolador



Por su parte, el montaje eléctrico en Arduino quedaría tal y como se muestra

en la ilustración 3.11.

Ilustración 3.11. Conexión LDR a Arduino

• Sensor de temperatura y humedad (DHT11):

El DHT11 es un sensor de temperatura y humedad digital de bajo costo. Utiliza

un sensor capacitivo de humedad y un termistor para medir el aire circundante, y

muestra los datos mediante una señal digital en el pin de datos (no hay pines de

entrada analógica). La ilustración 3.12 muestra el sensor DHT11 y la descripción de

sus pines. En el caso de este proyecto se ha utilizado una placa comercial que

simplifica la conexión y mejora el diseño.

Ilustración 3.12. Sensor de temperatura y humedad DH T11



Es bastante simple de usar, pero requiere sincronización cuidadosa para tomar

datos. El único inconveniente de este sensor es que sólo se puede obtener nuevos

datos una vez cada 2 segundos, así que las lecturas que se pueden realizar serán

mínimo cada 2 segundos. En comparación con el DHT22, este sensor es menos

preciso, menos exacto y funciona en un rango más pequeño de temperatura /

humedad, pero su empaque es más pequeño y menos caro.

Este sensor se caracteriza por tener la señal digital calibrada por lo que

asegura una alta calidad y una fiabilidad a lo largo del tiempo, ya que contiene un

microcontrolador de 8 bits integrado. Está constituido por dos sensores resistivos

(NTC y humedad). Tiene una excelente calidad y una respuesta rápida en las

medidas. Puede medir la humedad entre el rango 20% – aprox. 95% y la

temperatura entre el rango 0ºC – 50ºC. Estas características mencionadas, además

de las correspondientes a este sensor se muestran en la ilustración 3.13.

Ilustración 3.13. Hoja de especificaciones DHT11

Cada sensor DHT11 está estrictamente calibrado en laboratorio, presentando

una extrema precisión en la calibración. Los coeficientes de calibración se

almacenan como programas en la memoria OTP, que son empleados por el proceso

de detección de señal interna del sensor.



El protocolo de comunicación es a través de un único hilo (protocolo 1-wire),

por lo tanto hace que la integración de este sensor en nuestros proyectos sea rápida

y sencilla. Además presenta un tamaño reducido, un bajo consumo y la capacidad

de transmitir la señal hasta 20 metros de distancia.

En el desarrollo del firmware para las lecturas de temperatura y humedad se ha

utilizado una librería para arduino y una placa donde se pasará de utilizar de cuatro

pines a tres pines para simplificar su uso.

La librería permite crear una instancia a un objeto DHT11 que almacena dos

variables con la información de la humedad y la temperatura de la última lectura

realizada. Este objeto permite identificar si está conectado el microcontrolador, así

como realizar lecturas cuando el microcontrolador principal lo estime necesario. [3]

El montaje que se ha realizado en la placa Arduino es el mostrado en la

ilustración 3.14:

Ilustración 3.14. Conexión DHT11 a Arduino



• Sensor detector de llama infrarrojo:

Un sensor de llama óptico es un dispositivo que permite detectar la existencia

de combustión por la luz emitida por la misma. Esta luz puede ser detectada por un

sensor óptico, y ser capturado por las entradas digitales y las entradas

analógicas de Arduino.

Este sensor se encuentra muy frecuentemente encapsulado con un soporte y

un potenciómetro para ajustar la sensibilidad. Incluso se vende en formato múltiple,

con varias cabezas apuntando en distintas direcciones.

En la realización de este proyecto se ha optado por la primera opción. En las

ilustraciónes 3.15 y 3.16 se pueden ver un sensor unitario y otro múltiple

respectivamente:

Ilustración 3.15. Sensor de llama infrarrojo

Ilustración 3.16. Sensor de llama infrarrojo múltipl e



La llama es un fenómeno de emisión de luz asociado a los procesos de

combustión. La combustión es un proceso que desprende grandes cantidades de

energía en forma de calor. Durante la reacción se generan compuestos intermedios

que liberan parte de su energía mediante la emisión de luz.

El espectro de emisión de llama depende de los elementos que intervienen en

la reacción. En el caso de combustión de productos con carbón en presencia del

oxígeno tenemos dos picos característicos en ultravioleta en longitudes de onda de

185nm-260nm y en infrarrojo en longitudes de onda 4400-4600nm, tal y como se

muestra en la ilustración 3.17.

Ilustración 3.17. Espectro de emisión

Los sensores de llama son ampliamente utilizados en la industria. Muchas

máquinas ejecutan procesos susceptibles de generar llamas, como por ejemplo

procesos de mecanizado o de electroerosión. Frecuentemente se realizan en

presencia de elementos combustibles como aceite o viruta. No es el caso para este

proyecto, ya que la idea principal es utilizar este sistema en un hogar, pero aun así

amplía el abanico de seguridad de este sistema.

Por este motivo se incorporan sensores de llaman como dispositivo de

seguridad, permitiendo detener el proceso en caso de detectar cualquier indicio de

combustión. Estos dispositivos se ajustan a las longitudes de onda características

de la aparición de la llama y normalmente combinan las señales ultravioleta y de

infrarrojo.



Este tipo de sensores de llama infrarrojos suelen incorporar una placa de

medición estándar con el comparador LM393, que permite obtener la lectura tanto

como un valor analógico como de forma digital cuando se supera un cierto umbral,

que se regula a través de un potenciómetro ubicado en la placa.

Ilustración 3.18. Gráfica emisiones-longitud de ond a sensor de llama

Como se puede apreciar en la ilustración 3.18, las longitudes de onda de estos

sensores baratos poco tienen que ver con las emisiones características de las

llamas y de los sensores industriales. De hecho, son afectados incluso por la

iluminación interior, dando lugar a numerosos falsos positivos.

Por tanto, la sensibilidad y fiabilidad de estos detectores baratos no son

suficientes para considerarlos un auténtico dispositivo de seguridad. Esto es una

característica a tener en cuenta en este proyecto, ya que es un sistema de bajo con

una cierta seguridad pero no puede ser considerado un sistema de alarma

totalmente seguro.

El esquema eléctrico es sencillo. El módulo se alimenta conectando GND y 5V

a los pines correspondientes de Arduino. Para usar la lectura digital, se conecta la

salida DO a una de las entradas digitales de Arduino tal y como se puede ver en la

ilustración 3.19 en la que quedaría libre la salida A0. [3]



Ilustración 3.19. Esquema de conexión sensor de llam a

Al diseño de este sensor se le ha añadido un zumbador de aviso en caso de

detección de fuego.

• Sensor de detección de gases:

Los sensores de gases MQ son una familia de dispositivos diseñados para

detectar la presencia de distintos componentes químicos en el aire. Podemos

conectar estos dispositivos a un autómata o procesador como Arduino.

Existe una gran variedad de sensores MQ. Cada modelo está diseñado para

detectar una o más sustancias, pensadas para un uso específico, como por ejemplo

detección gases inflamables, calidad del aire o detección de alcohol en aire

respirado. En la ilustración 3.20 se muestran tres tipos diferentes de sensores, cada

uno de los cuales mide concentración de diferentes gases.

Ilustración 3.20. Sensores de gases MQ



Los sensores de gases MQ suelen proporcionarse con una placa de medición

estándar con el comparador LMC662 o similar, que permite obtener la lectura tanto

como un valor analógico, como un valor digital cuando se supera un cierto umbral

regulado a través de un potenciómetro ubicado en la placa.

Los sensores de gases deben ser calibrados antes de obtener una medida

precisa. Aun calibrados estos sensores no disponen de la garantía necesaria para

formar parte de un sistema de seguridad.

Pese a sus limitaciones, los sensores de gases tipo MQ son muy usados en

proyectos de electrónica casera con Arduino. Por ejemplo, podemos hacer encender

o apagar un ventilador en función de la calidad del aire, hacer un pequeño detector

de alcoholemia, o una alama que suene al detectar humos.

Los sensores MQ están compuestos por un sensor electro-químico que varía

su resistencia al estar en contacto con las sustancias.

Son dispositivos con alta inercia, es decir, la respuesta necesita tiempos largos

para estabilizarse tras un cambio de concentración de los gases medidos. Ello es

debido a la necesidad física de que el gas abandone el material sensible, lo cual es

un proceso lento.

Todos los modelos MQ disponen de un calentador necesario para elevar la

temperatura del sensor, y que sus materiales adquieran la sensibilidad. Mientras el

calentador no alcance la temperatura de funcionamiento, la lectura del sensor no

será fiable.

El tiempo de calentamiento depende de cada modelo de sensor. En la mayoría

de modelos es suficiente para con unos pocos minutos pero algunos modelos

requieren hasta 12 y 48 horas hasta obtener mediciones estable.

Por otro lado, cada modelo necesita su propia tensión para alimentar el

calentador. En muchos modelos esta tensión es de 5V, pero algunos modelos tienen

condicionantes especiales para la alimentación.



El consumo de los sensores MQ puede ser elevado debido al calor necesario

para funcionar el calentador, que puede llegar hasta 800 mW en algunos modelos.

Esto es superior a la potencia que puede suministrar el regulador de Arduino, por lo

que será necesario proporcionar una fuente de alimentación externa. [4]

En este proyecto se ha utilizado el sensor MQ-2, mostrado en la ilustración

3.21, ya que detecta metano, butano, GLP y humo, aunque dependiendo del lugar

donde se coloque el sistema se podría optar por otros modelos. De esta manera se

podría detectar un incendio o una fuga de gas.

Ilustración 3.21. Sensor de gas MQ-2

Dentro de las concentraciones de gases que permite medir este sensor se ha

optado por la medición de la concentración de gas butano, ya que las fugas de este

gas en un hogar pueden suponer grandes peligros. Aunque se podría optar por la

detección de cualquiera de los gases mencionados que ofrece este sensor

simplemente modificando el código de Arduino. [5]

Opcionalmente, se ha calibrado el umbral de disparo de la salida digital con el

potenciómetro instalado en el módulo para mejorar el funcionamiento del sensor

A igual que para el sensor de llama a este también se le ha incluido una alarma

sonora en caso de detección de gases.



• Sensor de detección de inundación:

Este sensor está diseñado para la detección de agua y se puede usar

para confirmar la presencia de lluvia, nivel de agua en un determinado punto o alerta

por fuga de agua.

En este proyecto se ha incluido en el diseño para avisar si ha habido un

escape de agua, o para saber si hay condensación en una cierta zona. En la

ilustración 3.22 se puede observar los dos tipos de sensores de agua con los que se

ha probado. Llegando a la conclusión de que el mostrado a la izquierda de la

ilustración tiene más precisión y por lo tanto es el que se ha incorporado al sistema.

Ilustración 3.22. Sensor de detección de inundación

Básicamente el sensor de agua se compone de un conector, un bloque

resistivo de 1 MΩ y una serie de líneas conductivas. Las líneas conductivas si

detectan agua cierran el circuito interno dando una caída de tensión que podemos

leer por el pin de señal.

El sensor de agua nos va a devolver una tensión “baja” mientras no haya agua

ya que simplificando leemos la tensión puesta a masa. Pero si hay agua entre las

líneas conductivas el circuito se conecta y tendremos una tensión “alta”.[5]



La conexión a Arduino es la que se muestra en la ilustración 3.23;

Ilustración 3.23. Conexión sensor de agua a Arduino

A igual que a los demás sensores de seguridad a este también se le ha

incluido una alarma sonora en caso de detección de inundación.

• Sensor de movimiento PIR:

Los sensores infrarrojos pasivos (PIR) son dispositivos para la detección de

movimiento. Son baratos, pequeños, de baja potencia, y fáciles de usar. Por esta

razón son frecuentemente usados en juguetes, aplicaciones domóticas o sistemas

de seguridad.

Los sensores PIR se basan en la medición de la radiación infrarroja. Todos los

cuerpos (vivos o no) emiten una cierta cantidad de energía infrarroja, mayor cuanto

mayor es su temperatura. Los dispositivos PIR disponen de un sensor piezoeléctrico

capaz de captar esta radiación y convertirla en una señal eléctrica, tal y como se

puede apreciar en la ilustración 3.24 en la cual además se puede ver el diseño del

sensor.

Ilustración 3.24. Sensor PIR



Cada sensor está dividido en dos campos y se dispone de un circuito eléctrico

que compensa ambas mediciones. Si ambos campos reciben la misma cantidad de

infrarrojos la señal eléctrica resultante es nula. Por el contrario, si los dos campos

realizan una medición diferente, se genera una señal eléctrica. La ilustración 3.25

muestra el modo de funcionamiento del sensor PIR.

Ilustración 3.25. Funcionamiento sensor PIR

De esta forma, si un objeto atraviesa uno de los campos se genera una señal

eléctrica diferencial, que es captada por el sensor, y se emite una señal digital. El

otro elemento restante para que todo funcione es la óptica del sensor. Básicamente

es una cúpula de plástico formada por lentes de fresnel, que divide el espacio en

zonas, y enfoca la radiación infrarroja a cada uno de los campos del PIR.

De esta manera, cada uno de los sensores capta un promedio de la radiación

infrarroja del entorno. Cuando un objeto entra en el rango del sensor, alguna de las

zonas marcadas por la óptica recibirá una cantidad distinta de radiación, que será

captado por uno de los campos del sensor PIR, disparando la alarma. [6]

Este sensor se ha incorporado en la parte delantera de la carcasa para que el

sensor piezoeléctrico del dispositivo pueda cubrir todas las zonas de la habitación.

De igual forma que para todos los sensores de seguridad se ha utilizado un

aviso de alarma sonora para la detección de movimiento.



3.2.3 Pantalla E-Paper

La pantalla utilizada para monitorizar los datos recibidos por los sensores es la

mostrada en la ilustración 3.26:

Pantalla E-Paper SPI 2.9’ 296x128 (monocromo)

Ilustración 3.26. Display E-Paper

La tecnología E-Paper, también llamada E-Ink o tinta electrónica, fue creada en

el MIT en 1997 y es una tecnología que permite crear pantallas gráficas con un

consumo prácticamente nulo, sin necesitad de retroalimentación y con un contraste

tan alto que se puede ver a plena luz del sol sin dificultad. Cuando ves una pantalla

de éste tipo por primera vez es bastante extraño ya que parece como si estuvieras

viendo un papel, ¡pero es digital! [7]

Una de las razones de la elección de este display es que solo consume

corriente cuando es refrescada y una vez hecho, sigue mostrando la imagen o

gráficos de forma indefinida sin consumir prácticamente nada.

Ésta pantalla es realmente espectacular, pero no es precisamente rápida ya

que tarda varios segundos en poder ser actualizada por completo. Por lo tanto, no

es válida para proyectos donde necesites actualizar con rapidez la información, pero

es ideal para proyectos de muy bajo consumo donde se actualizan datos de forma

puntual, pasando a deep-sleep y mostrando igualmente la última información por

pantalla.



En el caso de este sistema es ideal ya que no es necesario actualizar la

información de los sensores con mucha rapidez, además de disminuir el consumo

del sistema.

Funciona con un bus SPI así que es compatible con cualquier sistema que

tenga dicho bus: Arduino, Raspberry, Feather etc Necesita una alimentación de 3.3V

así como los niveles SPI al mismo voltaje. No puede utilizarse directamente con

sistemas de 5V pero puedes utilizar un conversor de niveles.

La pantalla que se ha utilizado en este proyecto tiene las siguientes

características:

• Alimentación: 3.3V • Interfaz: SPI (3 o 4 cables) • Dimensiones externas: 89.5 × 38 mm • Dimensiones pantalla: 66.89 × 29.05 mm • Pitch: 0.138 × 0.138 • Resolución: 296 × 128 píxeles • Color: Negro y blanco (monocromo) • Niveles de grises: 2 • Refresco parcial: 0.3s • Refresco completo: 2s • Consumo en refresco: 26.4mW • Consumo en stand-by: < 0.017mW • Ángulo de visión: >170°

El diagrama de conexión a Arduino se puede observar en la tabla 3.1;

Tabla 3.1. Diagrama de conexión E-paper a Arduino



3.2.4 Hardware placa de circuito impreso

Para este proyecto se ha tenido que realizar el diseño e implementación de una

placa de circuito impreso para cubrir las necesidades específicas del sistema,

incorpora un led para indicar el funcionamiento del prototipo, incorpora el conector

de la batería además del interruptor de encendido y apagado. También se ha

incorporado a la placa el módulo Wifi y los circuitos correspondientes a cada sensor.

Esta placa irá conectada a Arduino actuando como un shield para simplificar el

cableado del sistema. Además cada sensor tendrá su conector en esta placa.

En este capítulo se explicará cómo se ha realizado el diseño e implementación

de esta placa así como los componentes que se han utilizado.

3.2.4.1 Componentes electrónicos

Los componentes utilizados, sin incluir los sensores que ya hemos

mencionado, son los siguientes:

• Interruptor: Es el encargado del encendido y apagado del prototipo.

Ilustración 3.27. Interruptor

• Conector batería: Conector utilizado para alimentar el sistema.

Ilustración 3.28. Conector batería



• Resistencias

R1, 330Ω R2 10K

Tabla 3.2. Resistencias

• Conectores: Utilizados para conectar la placa a Arduino y para la

conexión de los sensores.

J1-J2-EPAPER-ESP Conn-sil8 J3 Conn-sil6 J9 Conn-sil10

BAT-LED- Conn-sil2 S.AGUA-DHT-PIR Conn-sil

Tabla 3.3. Conectores

• Zumbador: Dispositivo que permite convertir una señal eléctrica en una

onda de sonido. Utilizado para generar un sonido de aviso en caso de

alarma

.

• Módulo Wifi ESP8266: Es un módulo muy sencillo que incluye todo lo

necesario para conectarse a un punto de acceso WIFI mediante

comandos AT, vía una puerta serie, que puede ser configurada a

diferentes velocidades.

Ilustración 3.29. Módulo Wifi ESP8266

La ilustración 3.29 muestra el módulo wifi, del que se dará más

información acerca de su funcionamiento y configuración en un capitulo

posterior.



3.2.4.2 Diseño y Simulación

Para el diseño de la placa, se ha utilizado el programa Proteus 8 Professional ,

que es un programa de diseño en 3D de placas electrónicas, para posteriormente

realizar esta placa.

La aplicación de diseño de circuitos Proteus permite, de forma sencilla, realizar

simulaciones que resultan bastante útiles a la hora de realizar el diseño de una placa

de circuito impreso. Esta herramienta presenta una biblioteca muy extensa de

componentes que actualmente existen en el mercado aunque no todos, por ello

permite también la creación de componentes que no figuren en su biblioteca, aunque

esto limita la simulación del circuito diseñado.

El programa ISIS, Itelligent Schematic Input System (Sistema de Enrutado de

Esquemas Inteligente) permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea

realizar.

Además de lo apuntado anteriormente, Proteus también permite la creación del

diseño final de la placa de circuito impreso a través de ARES, Advanced Routing and

Editing Software (Software de Edición y Ruteo Avanzado), es la herramienta de

enrutado, ubicación y edición de componentes, se utiliza para generar los ficheros

necesarios en la fabricación de las placas de circuito impreso. [8]

Para este diseño se llevan a cabo tres partes en el programa:

• La primera parte se trata de encontrar todos los elementos que se van a

poner en la placa, para obtener las huellas que dejarían los componentes en

la placa.

Cuando se tienen todos los elementos seleccionados se debe de diseñar

el circuito que se coloca en la placa con la parte de Proteus llamada

Schematic Capture.



Quedaría el circuito tal y como se puede observar en la ilustración 3.30:

Ilustración 3.30. Diseño PCB en Schematic Capture

Es importante mencionar que los conectores J2, J3, J1 y J9 corresponden

con los pines de Arduino, consiguiendo un shield perfectamente conectable

con el microcontrolador.



• La segunda parte de este programa se realiza en la parte del programa

llamada PCB Layout y se utiliza para colocar el circuito que se ha diseñado

anteriormente en la placa especificando las medidas de esta. Una vez que se

colocan estos componentes en la placa, se deben conectar a través de pistas,

que son las pistas que quedarán en la placa final. El programa te permite

realizar esta acción automáticamente.

Ilustración 3.31. Diseño PCB en PCB Layout

Tal y como se puede apreciar en la ilustración 3.31 se han colocado todos los

componentes de la forma más compacta posible y se han conectado entre si

utilizando las dos caras de la placa. También en PCB Layout aparte de ver como

quedarían los componentes en la placa, te muestra el tamaño que ocupará esta.

En este caso tiene las mismas medidas que el microcontrolador Arduino. Son

tamaños correctos para que entren en la carcasa previamente creada.



• La tercera y última parte de este diseño da la posibilidad de visualizar en tres

dimensiones la placa que hemos diseñado con la función de proteus 3D

visualizer, que nos muestra cómo quedaría nuestra placa con todos los

componentes que se han diseñado.

En la ilustración 3.32 y 3.33 se muestra cómo quedaría la placa, tanto por la

cara superior como por la cara inferior respectivamente, una vez impresa.

Ilustración 3.32. Diseño PCB en 3D Visualizer (Cara Superior)

Cada componente que se puede observar en la simulación va acompañado del

nombre de la conexión que realiza para mejorar el entendimiento de este a la

hora de realizar las conexiones reales.



Ilustración 3.33. Diseño PCB en 3D Visualizer (Cara Inferior)

Se pueden observar los diferentes componentes conectados a Arduino y las

pistas que los unen entre sí. Esta parte del programa es meramente visual,

para mostrar si el diseño creado quedará como se había pensado en un

principio.


METODOLOGÍA A DESARROLAR Software del microcontrolador

3.3. Software del microcontrolador

3.3.1. Arduino Software IDE

Una vez que cualquier Arduino se conecta a un ordenador, se necesita

descargar de forma gratuita la interfaz oficial para trabajar con él. El entorno es el

mostrado en la ilustración 3.34. Esta interfaz te permite escribir directamente sobre

hojas en blanco (sketches), que se van guardando en el directorio predeterminado o

preasignado. Cada sketch tiene una propia carpeta con el mismo nombre que el

archivo, y permite guardar y cargar librerías definidas por el usuario o descargadas

de la red.

Ilustración 3.34. Software Arduino

Las sketches de Arduino funcionan principalmente en código C++, con tres

grandes bloques principales. Por un lado y al inicio, está el bloque en el que se

cargan las librerías y se definen e inicializan las variables. En segundo lugar, se

encuentra el bloque principal llamado setup, donde se definen las configuraciones,

como por ejemplo la configuración de algún pin de entrada o salida, también es el

lugar donde se inicia la comunicación serial, se resetean las variables y se llevan a

cabo las acciones que ocurren solamente la primera vez que se ejecute el código.

Por último lugar, se encuentra el cuerpo del programa llamado loop. Este cuerpo es

una función que en su interior contiene el código del programa con todas las

acciones que se deben ejecutar. El loop es una función especial que permanecerá

ejecutándose de forma cíclica sin interrupciones a menos que se detenga

expresamente con alguna declaración condicionada en su interior.


Desarrollo de la plataforma Web METODOLOGIA A DESARROLLAR

Otra parte necesaria para el correcto funcionamiento del Arduino es la

comunicación serial. Esta comunicación consiste en la transmisión e intercambio de

paquetes de datos multiplexados en tiempo, bit a bit, entre dos o más destinatarios.

Para el Arduino es especialmente útil esta comunicación, ya que es su medio para

conectarse con toda clase de periféricos y programas externos, como el utilizado en

este proyecto para capturar en un archivo de texto los datos impresos de los

sensores.

Así mismo, aun sin una comunicación establecida entre Arduino y otro

hardware o software, la interfaz de programación permite una visualización del

puerto serial con un PC en tiempo real, lo que facilita el trabajo con ella.

El puerto serial de Arduino permite la trasmisión de datos desde 300 baudios a

230,400 baudios. El baudio (band en inglés) es una unidad de medida utilizada en

teoría de comunicaciones para representar el número de símbolos por segundo en

un medio de transmisión digital. Dependiendo del esquema de modulación, cada

símbolo podrá codificar 1 o más bits. [9]

3.4. Desarrollo de plataforma web.

Tal y como se ha comentado a lo largo de esta memoria uno de los objetivos

de este proyecto es el envió de datos vía Wifi a una plataforma de Internet para así

poder monitorizar los datos entregados por los sensores desde cualquier lugar con

acceso a Internet.

Se ha optado por la utilización de una plataforma llamada ThingSpeak que es

un framework gratuito que permite comunicarte de una forma sencilla con equipos

que dispongan de acceso a internet. Permite a los desarrolladores interactuar con

los dispositivos utilizando tecnologías Web estándar. ThingSpeak puede funcionar

bien a través de un servicio gratuito de host, o bien servidores personales. Algunos

aspectos de la plataforma ThingSpeak incluyen registro, procesado y distribución de

la información, servicios basados en la localización, actualizaciones de estado,

integración con redes sociales, aplicaciones y plugins.


METODOLOGÍA A DESARROLAR Desarrollo de la plataforma Web

Dentro de estos plugins podemos encontrar ejemplos de conexión con Arduino,

interacción de ambiente con Matlab e incluso plugins para enviar mensajes vía

Twitter. [10]

El entorno de esta plataforma es el mostrado en la ilustración 3.35.

Ilustración 3.35. Página oficial ThingSpeak

La página de ThingSpeak, nos permite crear un canal privado o público, donde

los datos que reciba serán guardados y mostrados a través de gráficas o plugins.

También nos permite descargar la base de datos de todo el canal con la extensión

.cvs.

La creación del canal se lleva a cabo de manera sencilla siguiendo los pasos

que la misma página Web ofrece. Para este proyecto se ha creado un nuevo canal,

el cual se puede observar en la ilustración 3.36.

Ilustración 3.36. Canal Thingspeak


Implemetación del software de comunicación con la plataforma Web METODOLOGIA A DESARROLLAR

3.5. Implementación del software de comunicación con la plataforma web

Para subir los datos a la plataforma, hay que utilizar un módulo para Arduino y

tener conocimientos previos de algunos conceptos antes de utilizar este módulo.

3.5.1. Internet de las cosas

La expresión “internet de las cosas” hace referencia a la interconexión entre

objetos de consumo o de uso cotidiano (aparatos electrónicos, electrodomésticos,

etc.) a través de ciertos dispositivos capaces de conectar a estos a la red. En la

ilustración 3.37 se resume este concepto.

Ilustración 3.37. Internet de las cosas

Las utilidades del internet de las cosas pueden considerarse prácticamente

infinitas. Cada vez son más los medios que tenemos a nuestra disposición para

implementar, de manera no muy compleja, un posible dispositivo capaz de dotar a

cierto objeto una función de conexión a la red. Gracias a la llegada de un protocolo

de comunicación llamado IPv6 se hace posible la gestión de direccionamiento de

innumerables dispositivos.


METODOLOGÍA A DESARROLAR Implementación del software de comunicación con la plataforma Web

Por otro lado, ya son muchas las aplicaciones móviles y servicios en la nube

que nos permiten la conexión a todos estos dispositivos y proporcionan una vía para

el tratamiento de una inmensa cantidad de datos en el tiempo real, facilitando la

integración de infinidad de sensores aplicables prácticamente a cualquier tipo de

necesidad. De hecho, ya han surgido incluso redes sociales de sensores, como la

plataforma “Xively” o “ThingSpeak” que ya se ha mencionado antes, donde los

usuarios comparten datos a tiempo real procedentes de distintos sensores.

En los próximos años se espera un gran aumento en el número de equipos de

uso cotidiano interconectado, entre otras cosas, gracias a la inminente llegada de

todos estos sensores si se le puede llamar inteligentes, conectados a nuestros

hogares.

Dentro de las diversas plataformas, se puede resaltar que Arduino ha marcado

un punto de inflexión en el sentido de lograr obtener la conexión a esta

comunicación de manera realmente sencilla, convirtiéndose en la herramienta ideal

para llevar a cabo multitud de prototipos y obtener nuevos casos de uso. Gracias a

su bajo costo, sencillez, versatilidad y variedad de modelos, resulta una herramienta

de gran ayuda a la hora de implementar ideas y soluciones.

Además es posible conectar casi cualquier tipo de sensor que se requiere y

para ser precisos podemos conectar otros dispositivos de diferentes tecnologías de

comunicación (GSM/GPRS, 3G, Bluetooth, RFID, Wi-fi, etc.) aprovechando una

variedad de shields en su expansión. [10]

En principio se contemplo la idea de realizar la comunicación entre Arduino y

Internet vía GSM o GPRS, pero basandose en la idea fundamental de crear un

sistema al menor coste posible se optó por el módulo Wifi ESP8266.


Implementación del software de comunicación con la plataforma Web METODOLOGIA A DESARROLLAR

3.5.2. GSM

Es la abreviatura de “Sistema Global para las comunicaciones Móviles” (en

inglés, Global System for Mobile communications). Conocido como estándar de

segunda generación (2G), su principal diferencia respecto a la primera generación

de teléfonos móviles es que se estandarizó totalmente digital. En Europa las bandas

de frecuencia utilizadas son 850, 900 y 1800 MHz, mientras que en E.U.A. se usa la

banda de frecuencia de 1900MHz. Por lo que los dispositivos pueden operar en todo

el mundo y conoce como cuatribanda (Quadband). El estándar permite

transmisiones digitales de voz y datos, como mensajes de texto (SMS) o mensajes

multimedia (MMS).

Respecto a su arquitectura de red, en GSM todo terminal móvil debe estar

constituido de una tarjeta SIM (Módulo de identificación de abonado) y el propio

dispositivo, normalmente un teléfono móvil. La tarjeta SIM es la encargada de

identificar en la red al usuario y al terminal móvil.

Estos dispositivos se identifican gracias a un número exclusivo de identificación

denominado IMEI (Identificador internacional de equipos móviles), compuesto por 15

dígitos. Por otro lado, cada tarjeta SIM también posee un número de identificación

denominado IMSI (Identificador internacional de abonados móviles).

La red GSM está compuesto por múltiples estaciones base (BTS), y a su vez,

se conecta a un controlador de estación base (BSC), encargado de administrar la

red. A esto se le conoce como subsistema de estaciones base. En un nivel superior

los Centros de conmutación móvil (MSC), al que se conectan físicamente los

controladores de estaciones base. Este es encargado de establecer la conexión con

la red de telefonía pública y con internet. Su operación depende del operador de red

telefónica.



En la ilustración 3.38 se muestra una representación de esta comunicación a

grandes rasgos. [11]

Ilustración 3.38. GSM

3.5.3. GPRS

El conocido como Servicio General de Paquetes vía Radio “GPRS” (en inglés,

General Packet Radio Service) es una evolución del sistema GSM. Es también

conocido como GSM++, pero dado que se trata de un estándar de telefonía móvil

intermedio entre la segunda generación (2G) y la tercera (3G), normalmente recibe

la nomenclatura de 2.5G.

GPRS extiende la arquitectura del estándar GSM para permitir la transferencia

de datos mediante la conmutación de paquetes con velocidad de transferencia que

rondan los 114 kbps. La transmisión de datos sólo utiliza la red cuando es necesario,

permitiendo una transmisión por volumen de información en lugar de tiempo de

conexión, por lo que sólo se utilizará la red cuando se envíe o se reciba un paquete

de datos. Para el acceso a la red de datos, se utilizara el protocolo IP, mientras que

para el transporte de voz la arquitectura de la red GSM [12]



En la ilustración 3.39 se puede observar un esquema de representación de

comunicación GPRS.

Ilustración 3.39. GPRS

3.5.4. Módulo Wifi ESP8266

En este proyecto se ha optado por la comunicación Wifi a través del módulo

ESP8266, aunque también se podrían utilizar las comunicaciones mencionadas

anteriormente.

El módulo WIfi ESP8266 permite a la tarjeta Arduino conectarse a la red. Una

vez que le instruimos para que se conecte a nuestra WIFI, el módulo es capaz de

enviar información que le remitimos vía la puerta serie a una dirección IP y puerto

que deseemos. En la ilustración 3.40 se pueden observar las partes de las que

consta este módulo.

Ilustración 3.40. ESP8266



Cuando se trata de recibir, limpia todo el empaquetado TCPIP y nos reenvía

por la puerta serie la información de datos limpia de polvo y paja, con lo que tiene la

enorme virtud de permitirnos olvidarnos de la gestión del TCPIP y de las demandas

de procesador y memoria que suponen.

A cambio no es exactamente una conexión WIFI, porque no tenemos acceso al

stack o al socket IP pero para el Arduino esto es casi una ventaja.

El módulo ESP8266 incluye un pequeño procesador interno que podríamos

programar para funcionar de modo autónomo y que incluso dispone de un par de

puerto GPIO (General Purpose Input Output).

En la ilustración 3.41 se observa el patillaje del módulo visto desde la parte

superior donde se puede observar la antena integrada:

Ilustración 3.41. Esquema de conexión ESP8266

Y la conexión realizada a Arduino corresponde con el esquema de la ilustración

3.42:

Ilustración 3.42. Conexión ESP8266 a Arduino



Incluye todo lo necesario para conectarse a un punto de acceso WIFI

mediante comandos de texto AT, vía una puerta serie, que puede ser configurada a

diferentes velocidades. En la tabla 3.4 se muestran los diferentes comandos AT

necesarios para la configuración del módulo:

Tabla 3.4. Comandos AT ESP8266


METODOLOGÍA A DESARROLAR Flujograma del código utilizado

3.6. Flujograma del código utilizado

3.6.1. Programa principal.

Este código se basa en la lectura de los datos de los sensores cada cierto

tiempo especificado por el usuario para su posterior monitorización por display y

envío a la plataforma ThingSpeak.

En este programa, en primer lugar se incluirán las librerías necesarias para

realizar el código y se declararán las variables necesarias, en este caso se usará

una librería para el uso de SoftwareSerial, otra librería correspondiente la pantalla E-

paper y otra para el sensor DHT11.

Al inicio del programa también se configura el módulo Wifi, es necesario incluir

el SSID y contraseña de la red a la que se conectará en el apartado del código

correspondiente. Además se debe de escribir el API key correspondiente al canal de

Thingspeak en la parte del código indicada.

El código se ha realizado de tal manera que los datos de los sensores

(temperatura, humedad y luminosidad) se muestran en el display durante un cierto

tiempo, después se borran estos datos y se muestran en pantalla las alarmas

(inundación, gas y movimiento), en el caso de que existieran. Se ha realizado el

código de tal manera que si algún sensor entra en el rango de alarma (previamente

programado) active una alarma sonora.

Después de la monitorización se mandan los datos de los sensores a

Thingspeak. Este necesita un cierto tiempo para refrescarse pero tal y como se ha

comentado no supone un problema para esta aplicación.


Flujograma del código utilizado METODOLOGIA A DESARROLLAR

En la ilustración 3.43 se puede observar el flujograma del código utilizado para

la realización de este proyecto.

Ilustración 3.43. Flujograma del código


RESULTADOS Pruebas de funcionamiento

4. RESULTADOS

Una vez implementado todo el sistema electrónico, diseñado la plataforma Web

y cargado el código en el microcontrolador se han realizado las pruebas necesarias

para comprobar que el sistema cumple con sus especificaciones.

Después de realizar las pruebas necesarias se ha realizado el montaje final,

implementado todos los componentes electrónicos en la carcasa elaborada.

4.1. Pruebas de funcionamiento

En primer lugar se ha probado que los datos recogidos por los sensores de

temperatura, humedad y luminosidad son mostrados correctamente en el display E-

paper, tal y como se muestra en la ilustración 4.1.

Ilustración 4.1. Monitorización variables E-Paper

A continuación se prueba el funcionamiento de los sensores de seguridad

(inundación, gas y movimiento), probando que se activa correctamente la alarma

sonora en los casos en los que los sensores detectan un nivel alto de agua, detectan

gas o movimiento. Además de monitorizarlos en el display, tal como se puede

apreciar en la ilustración 4.2.

Ilustración 4.2. Monitorización alarmas E-Paper


Pruebas de funcionamiento RESULTADOS

Después de probar el correcto funcionamiento de los sensores y el display se

comprueba que el módulo ESP8266 envía los datos a la plataforma Thingspeak.

A continuación, en las ilustraciones 4.3 y 4.4 se muestra el canal creado en

Thingspeak con las mediciones hechas a lo largo de un día de los sensores de

temperatura, humedad e iluminosidad. Los datos se han tomado en una habitación

con bastante iluminación, con cambios de temperatura y bastante húmeda tal y

como muestran los gráficos.

Ilustración 4.3. Monitorización variables Thingspea k 1

Ilustración 4.4. Monitorización variables Thingspea k 2

De esta manera se consiguen monitorizar dichas variables desde fuera de casa

y, tal y como se ha comentado para un proyecto futuro, controlarlas pudiendo

adecuarlas a nuestro gusto desde cualquier lugar.


RESULTADOS Montaje final

4.2. Montaje final

Tras realizar todas las pruebas convenientes y comprobar el correcto

funcionamiento de este, se procede al montaje final, en el cual se incorpora el

circuito electrónico a la carcasa de tal manera que la posición de cada sensor y

componente coincida con su correspondiente hueco de la carcasa.

En la ilustración 4.5 se puede observar el sistema implementado.

Ilustración 4.5. Montaje final


Estimación de costes PRESUPUESTO

5. PRESUPUESTO

El presupuesto de este proyecto se tiene que dividir en dos partes, una parte se

basa en la estimación de los costes indirectos de este proyecto y una segunda parte

del precio del producto que se va a desarrollar.

5.1. Estimación de costes

En este proyecto, es conveniente hacer una estimación de los costes que

supondrá hacerlo. En esta parte se incluirá el tiempo estimado para la realización del

proyecto.

Para elaborar este coste, se debe asignar un precio por hora del ingeniero que

desarrolla el mismo y la herramienta principal que use que en este caso será un

ordenador. A continuación se calculan los diferentes precios por hora.

En este proyecto, se ha necesitado un ingeniero que haya diseñado el sistema

de monitorización. El precio por hora de un ingeniero es de 30 €/h y para la

realización de este proyecto se han necesitado 84 horas.

En la tabla 5.1 se puede observar el coste total indirecto:

Código

Denominación

hora

Precio/hora

Total

UD 001

Ingeniero(Proyectos) 30 30 € 900 €

UD 002

Ingeniero(Diseño electrónico)

15 30 € 450 €

UD 003

Ingeniero(Diseño gráfico)

5 30 € 150 €

UD 004

Ingeniero(Diseño software)

50 30 € 1500 €

UD 005

Ingeniero(Diseño plataforma web)

6 30 € 180€

UD 006

Ingeniero(Implementación electrónica)

7 30 € 210 €

TOTAL

3.390,00 €

Tabla 5.1. Costes indirectos


PRESUPUESTO Precios unitarios del producto

5.2. Precios unitarios del producto

En la tabla 5.2 se muestran los precios unitarios de los productos utilizados,

precios mostrados con el I.V.A. incluido.

Código Denominación Cantidad Precio unitario Total

01

Arduino UNO. 1 25,60 € 25,60 €

02

Display Epaper. 1 35,10 € 35,10 €

03

Sensor gas MQ2. 1 5,30 € 5,30 €

04

LDR. 1 0,30 € 0,30 €

05

Sensor DHT11. 1 4,75 € 4,75 €

06

Sensor de agua.

1

5,50 €

5,50 €

07

Sensor PIR. 1 5,50 € 5,50 €

08

Zumbador. 1 0,80 € 0,80 €

09

Cables. 1 2,80 € 2,80 €

10

Placa Board. 1 3,45 € 3,45 €

11 Comp. discretos 1 1,69 € 1,69 €

12 Módulo Wifi ESP8266 1 5,80 € 5,80 €

13 Batería 1 5,00 € 5,00 €

14 Carcasa 3D 1 35.60 € 35.60 €

TOTAL

137,19 €

Tabla 5.1. Presupuesto del producto


Precio total del proyecto PRESUPUESTO

5.3. Precio total del proyecto

Una vez realizada la estimación de los costes y el precio de implementación del

sistema, se puede concluir que el precio total estimado del proyecto asciende a la

expresada cantidad de TRES MIL QUINIENTOS VEINTISIETE CON DIECINUEVE

CÉNTIMOS (3.527,19€).

6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Este proyecto supone el esfuerzo y dedicación de varios meses, donde la idea

principal era crear un sistema de muy bajo coste que permita al usuario poder

visualizar en tiempo real ciertas variables que ocurren en su hogar desde cualquier

lugar con acceso a Internet.

Por otro lado, se propusieron otros objetivos para mejorar el sistema como la

monitorización por pantalla de tinta electrónica, la cual nos supone un menor gasto

de energía en comparación con otros displays. Además una funcionalidad que se

implementó al sistema y que no estaba en la idea principal de este proyecto fue la de

dotar al hogar de una cierta seguridad.

Por tanto, se puede concluir que se ha realizado un trabajo acorde a lo

esperado, que pone las bases para la realización de un sistema más completo en el

futuro y que desempeña su función correctamente. Esto es sin duda un aspecto muy

importante pues aunque el contenido sensorial no es muy extenso, debido al

ajustado presupuesto, se muestra una solución económica con resultados veraces la

cual puede ser expandida en un futuro.


CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS Posible diseño futuro

6.1. Posible diseño futuro

Una de las ventajas de la realización de este proyecto con el microcontrolador

Arduino es la gran escalabilidad que posee el sistema, ya que permite la

incorporación de nuevos elementos realizando pequeñas modificaciones en el

código.

Tal y como se ha comentado a lo largo de la memoria la comunicación se ha

realizado mediante un módulo wifi llamado ESP8266. Este módulo de bajo coste nos

ofrece cierta fiabilidad pero para un diseño futuro se optaría por comunicación GSM

para obtener mayor funcionalidad, de ahí incluir en la memoria un apartado referido

a comunicación GSM.

Actuar con elementos de climatización o de iluminación del hogar combina bien

con los sensores instalados en este sistema, esto proporcionaría un valor añadido

que beneficia al usuario permitiendo gestionar su estado de bienestar de forma

automática.

Para cualquier diseño futuro para la ampliación y mejora de este sistema se

optaría por un microcontrolador superior a Arduino UNO, con un mayor número de

E/S y memoria. Con un Arduino MEGA por ejemplo se podría aumentar el número

de sensores, consiguiendo un mayor muestreo de variables del hogar y una mayor

seguridad.


BIBLIOGRAFÍA

77.. Biliografía [1] «Arduino» https://www.arduino.cc..:

[2] «Funcionamiento fotorresistencias LDR» https://www.luisllamas.es/medir-nivel-luz-con-arduino-y-

fotoresistencia-ldr/. (s.f.).

[3] «Funcionamiento DHT11,»: https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/

[4] «Funcionamiento sensores MQ,»: http://www.naylampmechatronics.com/blog/42_Tutorial-sensores-de-

gas-MQ2-MQ3-MQ7-y-MQ13.html. (s.f.).

[5] «Funcionamiento sensor de agua» http://untitled.es/sensor-agua-arduino

[6] «Funcionamiento PIR,» https://www.luisllamas.es/detector-de-movimiento-con-arduino-y-sensor-pir/. (s.f.).

[7] «Tecnología E-paper» https://www.waveshare.com/product/arduino/shields/wavesharer.htm. (s.f.).

[8] «Proteus PCB Design Simulation Software,» https://www.labcenter.com/. (s.f.).

[9] F. d. l. i. Bankinter, de El internet de las cosas, 2011.

[10] «Tecnología E-paper» https://www.prometec.net/indice-tutoriales

[11] Kioskena.net, «Estándar GSM (Sistema global de telefonía móvil),» Telefonía movil, 2010.

[12] Kioskena.net, «Estándar GPRS (Servicio general de paquetes de radio),» Telefonía movil, 2010.

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