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29‐11‐2016

MONITORIZACIÓNDELACALIDADDEAGUASPLUVIALESVERTIDASACAUCEPÚBLICOENENTORNOSINDUSTRIALESMEDIANTETECNOLOGÍALOWCOST

Autor:InmaculadaGonzálezRuiz.Tutor:PabloMatuteMartínDepartamento:IngenieríaQuímicayAmbiental

MONITORIZACIÓNDELACALIDADDEAGUAS

PLUVIALESVERTIDASACAUCEPÚBLICOEN

ENTORNOS INDUSTRIALES MEDIANTE

TECNOLOGÍALOWCOST

Autor:InmaculadaGonzález

INDICE.

1 INTRODUCCIÓN _______________________________________________________________ 1

2 CAPITULO 1: CALIDAD DEL AGUA PLUVIAL CONTAMINADA EN ENTORNOS INDUSTRIALES. __ 1

2.1 ANTECEDENTES. __________________________________________________________________ 1

2.2 OBJETIVO. _______________________________________________________________________ 2

2.2.1 Objetivo general. _______________________________________________________________________ 2

2.2.2 Objetivo específico. _____________________________________________________________________ 2

2.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. ______________________________________________________ 3

2.4 CALIDAD DE LAS AGUAS PLUVIALES. __________________________________________________ 6

2.4.1 Parámetros seleccionados para la detección de vertido de aguas pluviales. ________________________ 7

3 CAPITULO 2: DISEÑO DEL SISTEMA DE DETECCIÓN. _________________________________ 10

3.1 DESCRIPCIÓN DE SENSORES UTILIZADOS. ____________________________________________10

3.2 UBICACIÓN DE SENSORES. _________________________________________________________10

3.3 INDICE DE INSTRUMENTOS. _______________________________________________________11

3.4 SISTEMA DE DETECCIÓN DE PH. ____________________________________________________13

3.4.1 Descripción. __________________________________________________________________________ 13

3.4.2 Características. _______________________________________________________________________ 14

3.4.3 Diagrama de bloque ___________________________________________________________________ 15

3.4.4 Esquema de conexionado. ______________________________________________________________ 15

3.4.5 Diagrama de flujo _____________________________________________________________________ 17

3.4.6 Esquema Placa Sensor. _________________________________________________________________ 18

3.5 SISTEMA DE DETECCIÓN DE CONDUCTIVIDAD. ________________________________________19

3.5.1 Descripción. __________________________________________________________________________ 19

3.5.2 Principio de medida. ___________________________________________________________________ 20





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3.5.5 Esquema de conexionado _______________________________________________________________ 23



3.6 SISTEMA DE DETECCIÓN DE TURBIDEZ. ______________________________________________26

3.6.1 Descripción. __________________________________________________________________________ 26






3.7 SISTEMA DE DETECCIÓN DE TEMPERATURA. __________________________________________31

3.7.1 Descripción. __________________________________________________________________________ 31





3.7.6 Pluviómetro __________________________________________________________________________ 36


4 CAPITULO 3: TECNOLOGÍA ARDUINO. ____________________________________________ 37

4.1 INTRODUCCIÓN. _________________________________________________________________37

4.2 ARDUINO: HARDWARE. ___________________________________________________________39

4.2.1 Concepto Arduino. ____________________________________________________________________ 39

4.2.2 Hardware Arduino. ____________________________________________________________________ 40

4.2.3 Partes del Arduino. ____________________________________________________________________ 42

4.3 ARDUINO: SOFTWARE. ___________________________________________________________46

4.3.1 Código abierto. _______________________________________________________________________ 46

4.3.2 Multiplataforma. ______________________________________________________________________ 46

4.3.3 Entorno _____________________________________________________________________________ 46

4.4 DESARROLLO DEL CÓDIGO ARDUINO. _______________________________________________49




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4.4.1 Estructura. ___________________________________________________________________________ 50

4.4.2 Sintaxis _____________________________________________________________________________ 53

4.5 COMUNICACIONES: PROTOCOLO GRPS. ______________________________________________55

4.5.1 Red GPRS ____________________________________________________________________________ 55

5 CAPITULO 4: PLATAFORMA GRATUITA PARA EL REGISTRO DE LOS VALORES DE SENSORES. _ 57

5.1 INTRODUCCIÓN. _________________________________________________________________57

5.2 TECNOLOGÍA IOT. ________________________________________________________________59

5.3 PLATAFORMAS SOFTWARE: THINGSPEAK. ____________________________________________65

5.3.1 ThingSpeak __________________________________________________________________________ 65

6 CAPITULO 6: PROTOTIPO. ______________________________________________________ 72

6.1 RESUMEN DEL PROTOTIPO DISEÑADO. ______________________________________________72

6.1.1 Objetivo. ____________________________________________________________________________ 72

6.1.2 Hardware. ___________________________________________________________________________ 72

6.1.3 Plataforma IoT. _______________________________________________________________________ 72

6.2 APLICACIÓN IOT USANDO ARDUINO + THINGSPEAK. ___________________________________73

6.2.1 Elección Plataformas ___________________________________________________________________ 74

6.3 FUNCIONALIDAD ________________________________________________________________74

6.3.1 Instalación IDE Arduino. ________________________________________________________________ 75

6.3.2 Código obtención calibración de los sensores. _______________________________________________ 78

6.3.3 Plataforma ThingSpeak _________________________________________________________________ 92

6.4 SOFTWARE MYSCADA. ____________________________________________________________94

6.4.1 Descripción. __________________________________________________________________________ 94

6.4.2 Ámbitos de aplicación. _________________________________________________________________ 97

6.5 PRESUPUESTO DEL PROYECTO. _____________________________________________________98

6.5.1 Comparativa con sistemas tradicionales. ___________________________________________________ 98

7 ANEXO I. MANUAL DE USUARIO DE ARDUINO. ____________________________________ 106

8 ANEXO II. MANUAL DE USUARIO DE THINKSPEAK _________________________________ 107




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9 ANEXO III. MANUAL DE USUARIO DE LA APLICACIÓN MÓVIL. ________________________ 108

10 ANEXO IV. CÓDIGO ARDUINO. _______________________________________________ 109

11 MANUALES DE LOS SENSORES. ________________________________________________ 99

12 ANEXO IV: GLOSARIO. ______________________________________________________ 100

12.1 ACRONIMOS. _________________________________________________________________ 104

13 BIBLIOGRAFIA COSULTADA: _________________________________________________ 105




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Autor:InmaculadaGonzálezRuiz Páginanº1

1 INTRODUCCIÓN

Adíadehoy,lamonitorizaciónresultaimprescindibleparapodergestionarsistemasyregistrardatos

(detodotipo)deunaformasegurayeficiente.Parapoderllevaracaboestamisión,desdehacetiempo

existe una amplia gama de sensores en elmercado dependiendo de lamagnitud amedir y de las

prestacionesqueserequieran.

Elestudiodelascondicionesambientalesycalidaddelaguasellevarealizandodesdeelpasadosiglo.

Conlaaparicióndeequiposdebajocostequepuedenllevaracaboestatareademanerasencillaysin

muchosrecursos,esnecesarioconocersusaplicaciones,prestacionesylimitacionesquepuedentener

paraelegiradecuadamentecuálesaptoycuálnoparaciertosistema.

Adicionalmente,lainclusióndeestetipodesensoresenunsistemaaisladonosdalaposibilidadde

poder monitorizarlo de forma remota, sin tener acceso físico a él y, con ello, reducir costes de

inspecciónycontrol.

La llegada de soluciones “hardware low cost y de código abierto” ha hecho posible montar,

automatizaryconfigurartodounsistemabajoladireccióndeunaúnicaplataforma,deformasencilla

yeficiente.Lasoluciónqueseplanteaenestedocumentovaencaminadajustamenteenesadirección.

Graciasalgransoportedeestetipodeplataformasporpartedelosusuarios,esposibleencontrartodo

tipodeproyectosenlaRed;desdelosmássencillosalosquemáscomplejidadentraña.Es,graciasa

esta comunidad, que los dispositivos de “hardware” libre están demoda en estos días, facilitando

enormementeeltrabajoenaplicacionesrutinarias,procesosautomatizados,monitorización,etcétera.

Porotroladoelpodercombinarelmediodecomunicaciónderadiofrecuencia,unatecnologíaque

ofrecelaposibilidaddeimplementarunsistemasincables,delargoalcanceyseguro,permitiendo

así independencia del conjunto de medios físicos con el hardware de bajo coste y la nuevas

plataformasbasadasenlatecnologíaIoT,permitendesarrollarnúmerosprototiposquenosdanacceso

aparámetrosambientalesendiversasdisciplinas,comopuedeserlacalidaddelaguaolaemisionesal

aire.




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Autor:InmaculadaGonzálezRuiz Páginanº1

2 CAPITULO1:CALIDADDELAGUAPLUVIALCONTAMINADAENENTORNOSINDUSTRIALES.

2.1 ANTECEDENTES.

Lasaguaspluvialesrecogidasendiferentesentornosindustrialesprocedentesdediversasindustrias

comolaminera,vertederos,fertilizantes…,suelenestarcontaminadasconmetales,fosfatos,nitratos,

DQO… Cuando estas aguas llegan al cauce de los ríos o lagos, provocan problemas serios de

contaminaciónambiental.

Los iones disueltos de losmetales pesados, como el plomo, cadmio ymercurio, sonmuy tóxicos y

acumulablesporlosorganismosquelosabsorben,loscualesasuvezsonfuentedecontaminaciónde

lascadenasalimenticiasalseringeridosporalgunodesuseslabones.

Lacontaminacióndelasaguaspluvialesconfosfatosynitratoscuandolleganalasrías,lagos,ríos….,

provocanuntipodecontaminaciónquímicaconocidacomoeutrofización,estohechosedacuandohay

unaporteexcesivodenutrientesaunecosistemaacuático,elcualquedaseveramenteafectadoporello.

Elresultadosonecosistemasconunabiodiversidadreducida,conlasespeciesoportunistasocupando

nichospreviamenteocupadosporotrasespecies.




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2.2 OBJETIVO.

2.2.1 Objetivogeneral.

Obtenerinformaciónentiemporealdediferentesparámetrosrelevantesindicadoresdelacalidaddel

aguapluvialenentornosindustriales,implementandoparaellounprototipobasadosentecnologías

libresquepermitanelmonitoreodedichasaguaysuposibleactuaciónenelcontroldeequiposque

evacuenoimpidanelvertidodeesaaguacontaminadaauncaucepúblico,comopodríaserunaría.

2.2.2 Objetivoespecífico.

Diseño y construcción de un prototipo que contenga un grupo de sensores paramedir los

parámetrosprincipales,siendoestosparámetros:

1. Temperatura

2. pH

3. Conductividad.

4. Turbidez

5. Pluviometría.

Diseño y desarrollo del código en la plataforma Arduino para la monitorización de los

parámetrosseleccionados.

DiseñoydesarrollodeuninterfazrealizadoenlaaplicaciónMyScadaparalavisualizaciónde

losdatosenPC,SamrtPhone.IPad…..

Configuración de la plataforma ThinkSpeak como servidor de datos y visualización de las

mismasdirectamentedesdeInternet.




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2.3 DESCRIPCIÓNDELPROBLEMA.

En la actualidad existen números entornos industriales tratan sus agua de lluvia en tanques de

tormentaobienlasderivandirectamenteacolectoresconectadosauncaucepúblico.

Asimismo, los materiales sólidos de desechos, restos de materia prima dispersa por las zonas de

operación, son generalmente acumulados por las superficies del terreno, y si no está propiamente

dispuesto,seexponenalluviasocorrientesdeaguasuperficialescercanas,siendolavadoporelagua

delalluviayloscontaminantessondisueltosoarrastradosporelagua.

Con laapariciónde las lluviasestasaguassonrecogidasa travésde los imbornalesque finalmente

derivanendiferentes tanquesdetormentassituadosestratégicamenteen lasplantas.Cuandoestas

aguasalcanzanlacotadevertido,dichasaguasvanapararalcaucepúblico.

Enlafotosiguientepuedeobservarseunentornoindustrialdondesevisualizaunsuelocontaminado

deconcentradodecobre,dichoconcentradocuandollueveesrecogidoenlosimbornalesquedirigen

el agua hasta el tanque de tormenta, que finalmente ante el aumento del nivel del tanque el agua

contaminadaderivaenelcaucepúblico.




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Enotrosentornosindustrialescomosonloscentrosdegestiónderesiduosdesólidosurbanosexisten

laproblemáticade lacontaminacióndifusadebidoaque losresiduosconelvientoyel trasiegode

camionessevanesparciendoporelrecinto,ademásenlosparquesdemaduraciónalairelibre,seforma

lixiviadoquecuandollueve,puedellegaralascunetasdepluvialesypuedensalirdelcentrosiestosno

sonbiengestionados.Ademásconlalluviapuedehaberproblemasdecontaminaciónenlosfrentesde

vertidos.

Porelloalasalidadelaguadepluvialesesinteresanteunsensordemonitorizaciónparaavisarencaso

desubidadenivelesdeconductividadypHparapoderactuardeformaadecuada.

Enlassiguientesfotospuedeobservarestaproblemática.




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2.4 CALIDADDELASAGUASPLUVIALES.

Lasaguasnaturales,alestarencontactocondiferentesagentes(aire,suelo,vegetación,subsuelo,etc.),

incorporanpartedelosmismospordisoluciónoarrastre.

Estohacequelasaguasdulcespresentenunelevadonúmerodesustanciasensucomposición

químicanatural.

Entreloscompuestosmáscomunesquesepuedenencontrarenlasaguasdulcesestán:

• como constituyentes mayoritarios: los carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, cloruros y

nitratos.

• comoconstituyentesminoritarios:losfosfatosysilicatos,metalescomoelementostrazay

gasesdisueltoscomooxígeno,nitrógenoydióxidodecarbono.

Elaguadelluviapresenta

• loscationes:Na+,K+,Ca2+,Mg2+

• losaniones:HCO3−,Cl−,Br−,I−,SO42−,NO3−,PO43−

• ydióxidodecarbono,oxígeno,ozono,nitrógeno,argón,etc.

Lacomposiciónquímicanaturaldelasaguaspuedeversealteradaporactividadeshumanas:agrícolas,

industriales, etc., incorporando sustancias de diferente naturaleza debido al paso de las aguas por

terrenostratadosconproductosagroquímicosocontaminados.

Estasincorporacionesocasionanladegradacióndelacalidaddelaguaprovocandodiferentes

efectosnegativoscomo:

lamodificacióndelosecosistemasacuáticos

ladestruccióndelosrecursoshidráulicos

riesgosparalasalud

incrementodelcostedeltratamientodelaguaparasuuso

dañoeninstalaciones(incrustaciones,corrosiones,etc.)




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Las aguas contaminadas presentan diversos compuestos en función de su procedencia:

pesticidas,tensoactivos,fenoles,aceitesygrasas,metalespesados,etc.

Lacomposiciónespecíficadeunaguadeterminadainfluyeenpropiedadesfísicastalescomo

densidad,tensióndevapor,viscosidad,conductividad,etc.

Laprogresivacontaminacióncambiasustancialmentesuspropiedades.

Lasfiltraciones,losvertidoshandadolugaraque,aveces,elaguapluvialseaaguacontaminada

oaguadeproceso.Estohaoriginadolanecesidaddeutilizarparámetrosdecontrol.

Algunosdelosparámetrosdecontrolsonlosseleccionadosporelpresenteproyectoparasu

monitorización.

2.4.1 Parámetros seleccionados para la detección de vertido de aguas

pluviales.

Enestasecciónsevaaresumirlainformaciónmásrelevanteconelobjetivoderealizarlaselecciónde

losparámetrosadetectarporelsistema.

Comodatodeterminanteparalaeleccióndeparámetrosparadeterminarlaexistenciadeunvertido,

sehausadoelcostedelsensor,yaque,elobjetivodelsistemaesevitarelvertidodeaguadelluvia

contaminadaacaucepúblicomedianteequiposdebajocoste.

Evidentemente el prototipo puede complementarse con todos aquellos sensores que la zona a

monitorizar por sus características lo requieran. Estos sensores complementarios podrían ser la

detección de cobre, zinc, nitratos…, son sensores de bajo coste en comparación con los señores

tradicionales,peroqueparaeldiseñoyconstruccióndelpresenteprototiposuponencosteelevado

paraadjuntaralpresenteTFM.

Porestarazónsehaestudiadodiferentesparámetrosquenospuedenaportarinformaciónsignificativa

delacalidaddelaguadelluviaconunpresupuestodebajocoste.

Lasmedidasconsideradasparaelprototipohansido:

pH:Nosindicalaacidezoalcalinidaddelagua.

Conductividad.Hacereferenciaalasalinidaddelagua.

Turbidez.Nosindicaorientasobrelossólidostotalesensuspensiónenelagua




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Temperatura.SirvecomodatoinformativoyesnecesariaparamedicióndeconductividadypH.

Pluviometría.Nospermitedetectarlacantidaddelluviaquecaeenunlugaryenunespaciode

tiempo.

PH.

Enprimerlugar,serecuerdaquesepreseleccionaronelPHytemperatura,pHporqueesprimordial

paradetectarlaalcalinidadoacidezdelaguayeldetemperaturaporquesenecesitaunacompensación

delamismaparalamedicióndepH.

ElpHsedefinecomo:

PH=log1/[H+]=−log[H+]

Esunapropiedadqueafectaamuchasreaccionesquímicasybiológicas.

ElvalordelpHcompatibleconlavidapiscícolaestácomprendidoentre5y9.Paralamayoría

delasespeciesacuáticas,lazonadepHfavorablesesitúaentre6.0y7.2.Fueradeesterango

noesposiblelavidacomoconsecuenciadeladesnaturalizacióndelasproteínas.

LaalcalinidadeslasumatotaldeloscomponentesenelaguaquetiendenaelevarelpH(bases

fuertesysalesdebasesfuertesyácidosdébiles).

Laacidezes lasumadecomponentesqueimplicanundescensodepH(dióxidodecarbono,

ácidosminerales,ácidospocodisociados,salesdeácidosfuertesybasesdébiles).

Ambas,controlanlacapacidaddetamponamientodelagua(paraneutralizarvariacionesdepH

provocadasporlaadicióndeácidosobases).

ElprincipalsistemareguladordelpHenaguasnaturaleseselsistemacarbonato(dióxidode

carbono,ionbicarbonatoyácidocarbónico).

Conductividad.

Enlosparámetrosseleccionadosparadetectarunvertido,seconsideracomomedidasignificativala

conductividad.

Es lamedidade la capacidaddel aguapara transportar la corriente eléctrica y permite conocer la

concentracióndeespeciesiónicaspresentesenella.




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Lacontribucióndecadaespecieiónicaalaconductividadesdiferenteporloquesumedidada

unvalorquenoestárelacionadoconelnúmerototaldeionesensolución.Dependetambiénde

latemperatura.

Estárelacionadaconelresiduofijoporlaexpresión

conductividad(S/cm)xf=residuofijo(mg/L);Elvalordefvaríaentre0.55y0.9.

asalinidaddelassolucionesdesistemasdesuelo,aguaderiegoofertilizantesesunparámetro

importantequeafectaalazonadelasraícesdelasplantasambiente.Cualquieradeestospuede

descomponerenfactores‐tenerunefectosignificativosobreelcrecimientovegetalylacalidad.

Turbidez

Es unamedida de la dispersión de la luz por el agua por la presencia demateriales suspendidos

coloidalesy/oarticulados.

Lamateria suspendidapuede indicar un cambio en la calidaddel agua y/o la presencia de

sustanciasinorgánicasfinamentedivididasodematerialesorgánicos.

Laturbidezesunfactorambientalimportanteyaquelaactividadfotosintéticadependeengran

medidadelapenetracióndelaluz.

Laturbidezconstituyeunobstáculoparalaeficaciadelostratamientosdedesinfección.

Latransparenciadelaguaesmuyimportanteenlasdeaguaspotablesyenelcasodeindustrias

queproducenmaterialesdestinadosalconsumohumano

Temperatura.

AdemásdeserunparámetronecesarioparalamedidadeconductividadypH,latemperaturaresulta

relevantedebidoa:

Temperaturaselevadasimplicanlaaceleracióndelaputrefacción,conloqueaumentalaDBO

ydisminuyeeloxígenodisuelto.

La temperatura tiene influencia en el equilibrio entre el nitrógeno amoniacal ionizado y el

amoniaco,conlatemperaturaaumentalasaturacióndeloxígenoyelincrementodelamisma

puedeafectaralavidaacuáticaenalgunasetapasdesusciclosvitales




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3 CAPITULO2:DISEÑODELSISTEMADEDETECCIÓN.

3.1 DESCRIPCIÓNDESENSORESUTILIZADOS.

Se presentan los diferentes periféricos a instalar en el prototipo para la monitorización de aguas

pluviales.Paraelloseestableceenestecapítulounaseriedeapartadosconsideradosrelevantespara

disponerdetodalainformaciónnecesariadecadasensor,asíconsufuncionalidaddentrodelprototipo

diseñado.

3.2 UBICACIÓNDESENSORES.

Para lamedición de los parámetros del agua amonitorizar en Tanques de tormenta los sensores,

tenemosseinstalaríanenunlugarexternoaltanquedetormenta.

Comonos interesamedir lacalidaddelaguaantesdequeelagua lleguea lacotadealiviaderodel

tanque de tormenta, acondicionaremos una muestra en continuo en un cubeto donde quedarían

instaladoslossensores.

Enrealidadconestaubicación,siempreestamosmidiendolosvaloresdeltanquetantosiestávertiendo

acaucepúblicocomosinoloestáhaciendo.Paraelloseinstalaunapequeñabombaqueelevaelagua

hastaelcubetodondeestánubicadoslossensores.Existedetectordeniveltipohidromeloboyaala

alturadelvertederoparasabercuándoseestávertiendoelaguaacaucepúblico.

Comoeltanquedetormentastienevariosmetrosdeprofundidadconestesistemaevitamosquese

inundenlossensoresyquedenfueradeuso.




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3.3 INDICEDEINSTRUMENTOS.

Enlalistasiguienteserealizaunatodoslosinstrumentosqueintervienenenelsistema,conlainformaciónnecesariaparalacorrectainterpretación

desufunciónylascaracterísticasgenerales.

Esteíndicedeinstrumentosrecopilalainformaciónmásimportanteasociadaacadainstrumento,desdemarcaymodelodelsensorhastasurangode

medida.

TAG DESCRIPCIÓN SERVICIO UBICACIÓN MARCA MÓDELORANGO

MEDIDA

TIPO

ENTRADATENSIÓN

TT01‐AIT[PH]‐01Transmisoreindicadorde

pH

Indicarytransmitir

pHArduino DFROBOT SEN0161 0‐14 Analógica 5VDC

TT01‐AE[pH]‐01 SensordepH MediciónpHTanque

TormentaDFROBOT

TT01‐AIT[Co]‐01Transmisoreindicadorde

Co

Indicarytransmitir

CoArduino DFROBOT DFR0300

1ms/cm‐

20ms/cmAnalógica 5VDC

TT01‐AE[Co]‐01 SensordeConductividad MediciónCoTanque

TormentaDFROBOT

TT01‐AIT[Tb]‐01Transmisoreindicadorde

Turbidez

Indicarytransmitir

TbArduino DFROBOT SEN0189 Analógica 5VDC




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TAG DESCRIPCIÓN SERVICIO UBICACIÓN MARCA MÓDELORANGO

MEDIDA

TIPO

ENTRADATENSIÓN

TT01‐AE[Tb]‐01 Sensordeturbidez MediciónTbTanque

TormentaDFROBOT

TT01‐TIT‐01Transmisoreindicadorde

temperatura

Indicarytransmitir

TemperaturaArduino

ATLAS

SCIENTIFICDS18B20

±0,5°Cde‐

10°Ca+85

°C

Digital 5VDC

TT01‐TE‐01 SensordetemperaturaMedición

Temperatura

Tanque

Tormenta

ATLAS

SCIENTIFIC

TT01‐QI‐01Detectordecantidadde

lluvia

Medicióndelluvia

poráreaIntemperie Peysanet Digital 5VDC




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3.4 SISTEMADEDETECCIÓNDEPH.

SensordepHSEN0161.

PHmeter(SKU:SEN0161)

3.4.1 Descripción.

ElsensordePotencialdeHidrógeno(pH)esuntransductorquepermiteconocerelpHdeunasolución,

estolorealizaatravésdeunmétodoelectroquímicoqueutilizaunamembranadevidrioqueseparados

sustanciascondiferentescantidadde,elsensoresunelementopasivoquegeneraunapequeñacantidad

decorrientedeacuerdoalniveldepHqueseencuentreenelmedioambiente.

ElsensordepHseleccionadopermiteunarápidasoluciónparadiseñosdebajocostosinquesesacrifique

laoperatividaddeldiseño,ademásdeserunsistemaembebidoyaqueel sensorconstacomohemos

indicadoenelpárrafoanteriordeunasondadepH,queesunelementopasivoquedetectaunapequeña

corrienteeléctricageneradaporlaactividaddelosionesdeHidrógeno.

Constadetreselementos:

SensordepH.

PlacadeconversiónaArduino.

CabledeconexionadoentrelaplacaArduinoyelconversor.




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ElsensortieneunLEDquefuncionacomoelindicadordealimentación,unconectorBNCparaunirseala

interfazdelsensorPH2.0.SólopuedeconectarelsensordepHconconectorBNCyconectarlainterfaz

PH2.0acualquierentradaanalógicadelcontroladorArduinoparaleerelvalordelpH.

PasoparausarelmedidordepH

3.4.2 Características.

VOLTAJEDEFUNCIONAMIENTO: 5VDC.

CORRIENTEDEFUNCIONAMIENTO:

TIEMPODERESPUESTA: ≤1min

RANGODEMEDICIÓN 0‐14

PRECISIÓN ±0.1pH(25℃)

POTENCIOMETRO Potenciómetrodeajustedeganancia

INIDCADORES IndicadordeencendidoLED

MEDICIÓNDELATEMPERATURA 0‐60℃

CONECTORSENSOR ConectorBNC

CONECTORINTERFAZPH2.0 Conectorde3pines

DIMENSIONESDELADAPTADOR: 43mm×32mm

Característicaelectrodo.

LasalidadelelectrododelpHesMillivolts,yelvalordepHdelarelaciónsemuestracomosigue(25℃):




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3.4.3 Diagramadebloque

Paralograrelobjetivodemonitorearentiemporeallaconductividad,enlafigura3.4.3sepresentael

diagramaabloquespropuestodeacoplamientoentreelsensorSEN0161ylaplacaArduinoUNOR3a

travésdelpinanalógiconúmeroA0conunacomunicación1‐wire.

3.4.4 Esquemadeconexionado.




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3.4.5 Diagramadeflujo

AcontinuaciónsemuestraeldiagramadeflujoparaobtenerlavariabledepH.

SeajustalaplacaArduinoUNOR3paralarecepcióndedatosatravésdelpuertoanalógicoA0,activando

asuvezelsensorSEN0161.Aldetectarlaseñalanalógica,comienzaaregistrarlavariabledepHymanda

dichosdatosobtenidosporsupinanalógicoalaplacaArduinoUNOR3.Sinoesencontradalaseñal,no

seregistran,nitransmitelosdatos.Elprogramaseejecutademaneracíclica.




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3.4.6 EsquemaPlacaSensor.




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3.5 SISTEMADEDETECCIÓNDECONDUCTIVIDAD.

SensordeConductividadDFR0300.

3.5.1 Descripción.

ElsensordeConductividadDFR0300vienesuministradoconunsensordetemperaturadescritoenel

punto 3.9, dicho sensor es necesario para la medida de conductividad porque se requiere una

compensacióndelatemperaturapararealizarcorrectamentelamedidadeconductividad.

SehaseleccionadoestemedidorporqueestáespecialmentediseñadoparaloscontroladoresdeArduino

ytieneunafuncióndecaracterísticassimples.Disponedefácilesconexionesyposeeunsoftwaredefácil

usoparalacalibracióndelsensor.Ademásparafacilitarlaconfiguracióndelsensor,elinterfazGravity

disponedeunsistemaplug&play.




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Listadecomponentes:

UnElectrododeconductividadconconectorBNC.

Tarjetadecircuito.

Cableanalógico.

UnsensordetemperaturamodeloDS18B20(impermeable).

TerminaladaptadorDelsensor.

Cabledigital.

Soluciónestándardeconductividad(1413us/cmand12.88ms/cm).

3.5.2 Principiodemedida.

Enprimerlugar,nosencontramosconelchipU3B.Consisteenelcircuitoescaladoinverso.Lafunciónde

transferenciaesVo=R10/R*Vi.R10esunaresistenciaderetroalimentaciónysuvalores820ohmde

acuerdoconelesquema.Reslaresistenciacuandoelelectrodoseinsertaensoluciónacuosa.Suvalor

está relacionadocon la conductividadde la soluciónacuosa.R10/R se llamaampliación.Cuandose

cambiaelR,tambiénsecambialaampliación,porloqueelVocambiado.EntoncesVoestárelacionado

con R. A la derecha del circuito escalado inverso, hay un circuito de valor absoluto. Su función de

transferenciaesVo= |vi |.Arduinomuestrea la salidadel circuitodevalorabsolutoparacalcular la

conductividad.

Acontinuaciónseanalizaelprincipiodecalibración.

Ladefiniciónderesistenciaes:

:Laresistividad

L:Lalongituddelconductor

A:Laseccióndelconductor

Paraelelectrododeconductividad,Les laseparaciónentredoshojasconductoras,Aeseláreade la

láminaconductora.




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Definicióndeconductividad:

Igualandolasecuacionestenemoselresultado

Donde

1/Reslaconductancia

YaL/AseledenominaconstantedeVesselQ

Lafuncióndetransferenciadelamedidadelcircuitoes

Reslaresistenciadelelectrodoenelmedioacuoso

Enconclusióntenemoslasiguienteformula:

QeslaconstantedeVessel.Esunaconstanteydiferenteparacadaelectrodo.Enelesquema,R10es820Ω.

|Vin|Estambiénunaconstantedependendelcircuitogeneradordeseñal.Suvaloresdeunos200mV.

Asíquepodemosver,laconductividadeslinealconlatensióndesalida.




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TAMAÑODEPCB: 45x32mm

INTERVALODEMEDIDA 1ms/cm‐20ms/cm

RANGODEMEDICIÓN 0‐14

TEMPERATURADEFUNCIONAMIENTO 5‐40℃

PRECISIÓN <±10%F.S(usandoelADCde10bitsArduino)

ELECTRODO electrodoconstanteK=1,conectorBNC

INDICADORDEENCENDIDO LED

LONGITUDDELCABLEDELELECTRODO unos60cm

CONECTORSENSOR ConectorBNC

CONECTORINTERFAZPH2.0 Conectorde3pines

DIMENSIONESDELADAPTADOR: 43mm×32mm


Paralograrelobjetivodemonitorearentiemporeallaconductividad,enlafigura3.6.2sepresentael

diagramaabloquespropuestodeacoplamientoentreelsensorDFR0300ylaplacaArduinoUNOR3a

travésdelpinanalógiconúmeroA1, lamedidadetemperaturaseráenviadaporunacomunicación1‐

wire(comoseexplicamásadelante).




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3.5.5 Esquemadeconexionado

DFR0300




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Enlafigura3.6.5semuestraeldiagramadeflujoparaobtenerlavariabledeconductividad.

Inicialmentedebecalibraseelsensordeconductividad.

Seajusta laplacaArduinoUNOR3para larecepcióndedatosdelsensordetemperaturamedianteel

puerto digital 2 (D2), activando a su vez el sensorDS18B20. Al detectar la señal digital, comienza a

registrarlavariabledetemperaturaymandadichosdatosobtenidosporsupindigitalalaplacaArduino

UNOR3paralaobtencióndelaconductividad.

Porotrolado,seajustalaplacaArduinoUNOR3paralarecepcióndedatosatravésdelpuertoanalógico

A1,activandoasuvezelsensorDFR0300.Aldetectarlaseñalanalógica,comienzaaregistrarlavariable

deconductividadymandadichosdatosobtenidosporsupinanalógicoalaplacaArduinoUNOR3,éste

juntoconlosdatosdelatemperaturacalculalamedidadelaconductividad.

Si las señales no son encontradas, no se registran, ni transmite los datos. El programa se ejecuta de

maneracíclica.




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3.6 SISTEMADEDETECCIÓNDETURBIDEZ.

SensordeTurbidezSKU:SEN0189.

Gravity:AnalogTurbiditySensorparaArduino.

3.6.1 Descripción.

ElsensordeTurbidezSKU:SEN0189

El sensorde turbidezdetecta la calidaddel aguamidiendoelnivelde turbidez.Es capazdedetectar

partículasensuspensiónenelaguamidiendolatransmitanciadelaluzylavelocidaddedispersiónque

cambiaconlacantidaddesólidossuspendidostotales(TSS)enagua.AmedidaqueelTTSaumenta,el

niveldeturbidezlíquidoaumenta.

Estesensortienelosdosmodosdeseñaldesalida,tantoanalógicacomodigital.Sepuedeseleccionarel

modosegúnlaMCU,yaque,elumbralesajustableenelmododeseñaldigital.

Estesensordeturbidezpuedeusarseparamedirlacalidaddelaguaenríosyarroyos,medicionesde

aguasresidualesyefluentes,investigaciónentransportedesedimentosymedicionesdelaboratorio.

Porsufuncionalidadresultaunparámetrodemedidamuysignificativoenladeteccióndevertido,yaque,

suvalorestárelacionadodirectamenteconlacantidaddesólidostotalesensuspensiónenladisolución

acuosa.




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CORRIENTEDEFUNCIONAMIENTO: 40mA(MAX).

TIEMPODERESPUESTA: <500ms.

RESISTENCIADEAISLAMIENTO: 100M(Min).

MÉTODODESALIDA: Analógico.

SALIDAANALÓGICA: 0‐4.5V.

SALIDADIGITAL:Señaldenivelalto/bajo(puedeajustarelvalordeumbralajustandoelpotenciómetro).

TEMPERATURADEFUNCIONAMIENTO: 5℃~90℃.

TEMPERATURADEALMACENAMIENTO: ‐10℃ ~90℃.

PESO: 30g.

DIMENSIONESDELADAPTADOR: 38mm*28mm*10mm/1.5inches*1.1inches*0.4inches.


Paralograrelobjetivodemonitorearentiemporeallaconductividad,enlafigura3.1.6.3sepresentael

diagramaabloquespropuestodeacoplamientoentreelsensorSKU:SEN0189ylaplacaArduinoUNO

R3atravésdelpinanalógiconúmeroA2conunacomunicación1‐wire.




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Acontinuaciónsemuestraeldiagramadeflujoparaobtenerlavariabledeturbidez.

SeajustalaplacaArduinoUNOR3paralarecepcióndedatosatravésdelpuertoanalógicoA2,activando

asuvezelsensorSEN0189.Aldetectarlaseñalanalógica,comienzaaregistrarlavariabledeturbidezy

mandadichosdatosobtenidosporsupinanalógicoalaplacaArduinoUNOR3.Sinoesencontradala

señal,noseregistran,nitransmitelosdatos.Elprogramaseejecutademaneracíclica.




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3.7 SISTEMADEDETECCIÓNDETEMPERATURA.

SensordeTemperatura.DS18B20

3.7.1 Descripción.

Elsensordetemperaturaesundispositivoquepermiteconocerelvalordetemperaturapresenteenun

ambiente acuático, a través de la conversiónde los cambios de temperatura a señales eléctrica, esta

informaciónesprocesadapordispositivoselectrónicossegúnlanecesidad,comoeselcasodelArduino

UNOR3.

Esundispositivocreadopor lacompañíaMaximIntegrated,quetiene lacapacidaddecomunicarsea

travésdeseñaldigitalhaciaelelementoelectrónicoquenecesitalaobtencióndelatemperatura.Cuenta

contresterminales:Vcc,GNDyelpinData.

ElsensorutilizalacomunicaciónOneWireparaenvíodedatosatravésdeunsolohilo,adiferenciade

otrosdispositivosqueutilizanprotocolosdecomunicacióndedosvías(Rx/Tx).




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ElsensorpuedeserconectadoacualquierdispositivomicrocontroladortalcomoArduinodirectamente,

sinembargolacomunicaciónentreestosesatravésdelprotocoloOneWire(1‐wire)diseñadoporDallas

semiconductor,ennuestrocaso,elsensordetemperaturasevaaconectaralaplacadeArduinomediante

unaplacaconversorsuministradajuntoconelmedidordeconductividadqueutilizalatemperatura.

El sensor utilizado es una versión impermeabilizada del sensor de temperatura DS18B20. El sensor

resistehasta125°CyelcableestáencamisadoenPVCporloquesugerimosmantenerlapordebajode

100°C.

Debido a que son digitales, no se recibe ninguna señal de degradación, incluso a través de largas

distancias.

ElDS18B20Proporciona9a12bitslecturasdetemperatura(configurable)atravésdeuninterfaz1‐

Wire, por lo que las necesidades son solo un conductor (y tierra) para ser conectado a un

microprocesadorcentralalatensiónde3.0‐5.5V.




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VOLTAJEDEFUNCIONAMIENTO: 3.0~5.5V.

PRECISIÓN ±0,5°Cde‐10°Ca+85°C

UTILIZABLERANGODETEMPERATURA ‐55a125°C(‐67°Fa+257°F)

RESOLUCIÓNSELECCIONABLE 9a12bits

UTILIZA1‐WIREINTERFAZ Requieresólounpasadorparalacomunicacióndigital

SENSORESMÚLTIPLES Puedencompartirunaclavija

SISTEMADEALARMA‐LÍMITEDETEMPERATURA

TIEMPODECONSULTA Menosde750ms

CABLES 3cablesdeinterfaz

Cablerojo– VCC

Cableamarillo–GND

Elcableverde‐DATOS

DIÁMETRODELCABLE 4mm(0,16")

INOXIDABLEDEDIÁMETRODETUBODEACERO de6mmpor35mm(1,34")delargo

LONGITUD 90cm(35.43")


Paralograrelobjetivodemonitorearentiemporeallatemperatura,enlafigurasiguientesepresentael

diagramaabloquespropuestodeacoplamientoentreelsensorDS18B20ylaplacaArduinoUNOR3a

travésdelpinDigitalnúmeroD2conunacomunicación1‐wire.

Considerandolasespecificacionesdelfabricantedelsensorsecolocaunaresistenciade4,7Kohmsentre

laentradadeenergíaylasalidadedatosdelsensorconelfindemanteneruncorrectofuncionamiento.




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Paraelcorrectofuncionamientodelsensorhayqueponerunaresistenciade4.7KdelpindeDatosyVcc,

Normalmente este sensor viene blindado en un cable largo para aplicaciones donde es necesario

sumergirloenlíquidosuotrassustancias.Estapresentacióndelsensorsolotrae3terminalesocablesde

conexión,ElpindeVcceselcableRojo,GNDeselcableNegroyelCablededatospuedeserdecolor

AmarillooBlanco.





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3.7.6 Pluviómetro

El instrumentoutilizadoparamedir laprecipitaciónsedenominapluviómetro.Unpluviómetroesun

aparatoqueestá formadoporunaespeciedevasoen formade embudoprofundoque envía el agua

recogidaaunrecipientegraduadodondesevaacumulandoeltotaldelalluviacaída.


Paralograrelobjetivodemonitorearentiemporeallaprecipitación,enlafigurasiguientesepresentael

diagramaabloquespropuestodeacoplamientoentreelsensorPynsanetylaplacaArduinoUNOR3a

travésdelpinDigitalnúmeroD3conunacomunicación1‐wire.

Peynsan




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4 CAPITULO3:TECNOLOGÍAARDUINO.

4.1 INTRODUCCIÓN.

Losdossistemasdemayorrelevanciaen laactualidaddemicrocontroladoresdebajocostepodemos

decirquesonlasRaspberryPiylosArduinos.

EntreestosdossistemasconsideroqueelsistemaArduinoessindudaunaperfectaelecciónparanuestro

prototipoporqueestámásorientadoalusodeadquisicióndedatosdeformadigitalyanalógicaqueuna

Raspberry,quetieneunmayorparecidoaloquepuedeserunordenador.

PorotroladoaltenerelArduinounaampliacomunidadyfácilaccesoalaplataformalahacenserlamejor

opciónparaesteproyecto.Estonoquieredecirquenosepuedanhacerproyectosdecalidad,nimucho

menos,solohacefaltadarseunavueltaporlawebparapodercomprobarcomoconestaspequeñasplacas

selogranproyectosdeunaaltacalidad.

OtracaracterísticafundamentalalahoradeadquirirunaplacaArduinoessubajocosteysupuestaen

funcionamiento.Enelmercadoencontramoskitsdeiniciaciónconunagrandocumentaciónquefacilita

alusuarioprincipiante,iniciarsedeunaformafácilenestemundo.Estoesclaveporqueelusuarioobtiene

resultadosprácticamentenadamásconectarlaplaca,loqueprovocaquesesigainvestigandoalavez

quesevanadquiriendograndesconocimientos,porloquelacurvadeaprendizajeesclaramentealalza.

Es idealtambiénpararealizarprototiposenelmundodelIoTlagranmayoríadelasplataformasIoT

traen compatibilidad con estas placas hardware por lo que es un candidatomuy serio a la hora de

aventurarnosenelinternetdelascosas.

Es por ello que se ha elegido para nuestra aplicación, siendo un candidato perfecto para

demostrarmedianteunprototipolosusosyposibilidadesquetienendentrodelInternetdelas

cosas.




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A continuación se describe el diseño del Hardware y el desarrollo del software utilizado para la

monitorizacióndelossensoresdeaguaspluviales,abarcandodesdeelcódigodecontroldelamaqueta

hastaelcódigoempleadoenlaaplicaciónmóvil.Elcapítuloseestructuraentrespuntosprincipales:

DesarrollodelcódigoArduino.Seestudianlosdiferentesbloquesdecódigoquecomponenelsketch

delmicrocontrolador,yseexplicanlasclasesimplementadasparaelcontroldelrecintoylacomunicación

conelequiposervidor.

ConfiguracióndelservidorThingSpeak.SeabordalaconfiguracióndelaplataformaThingSpeakpara

poderadquirirlosdatosdelossensoresdelmicroprocesadorArduino,lacomunicaciónconlosterminales

móviles,ylaconexiónyaccesodelaaplicaciónservidoralabasededatosMySQL.

DesarrollodelaaplicaciónAndroid.Seanalizan lasdiferentesactivitiesqueconformanlaaplicación

móvil,estudiandoloslayoutsquelasintegranysucódigojavafundamentalasociado.




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4.2 ARDUINO:HARDWARE.

4.2.1 ConceptoArduino.

Arduino es unaplataformadehardware libre, sin duda lamáspopular delmercado con una amplia

comunidadquehacedeestasoluciónlamásapropiadaparainiciarseenelmundodelhardwarelibre.

Sebasaenunaplacaconunmicrocontrolador,conentradasysalidasanalógicasydigitales,ademásposee

unentornodedesarrollopropio,conelfindefacilitareldesarrollodeproyectos.

EnlafigurapodemosapreciarunaplacaArduinoUno,seseñalaalgunasdelasprincipalespartesdeesta

placa. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación

Arduino (basado enWiring) y el entorno de desarrolloArduino (basado en Processing). El software

incluyelibreríasdeaccesoalaplaca.

LaplacadeArduinosecaracterizaporelusodeunmicrocontroladorAtmelAVR,siendoelAtmel328

unode losmásutilizados. Estemodelo es el que se ha utilizadopara el desarrollo del prototipodel

presenteTFM.

ElArduinoadmitelossistemasoperativosmáspopularesquehayenlaactualidad,talescomoWindows,

MacOsXyLinux.Sindudaunagranventajayaquealahoradeelegirunaplacahardware,elsistema

operativonovaaserunalimitación.




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Su funcionamiento básico consiste en recibir información de un entorno a través de sus entradas y

realizarunaacciónpormediodesuspinesdesalida.Porejemplosepuedetenerconectadounsensorde

conductividadaunodesuspinesdeentradaalpasarunaconsignadeterminapuedeactivarunaalarma.

4.2.2 HardwareArduino.

En el aspecto hardware, Arduino consiste en una placa con un microcontrolador y puertos de

entrada/salida. Además, losmódulos y accesorios proporcionan a los usuarios opciones demejora y

expansión de las placas electrónicas básicas para poder actualizarlas y readaptarlas con facilidad a

nuevosobjetivos.Enestasecciónsepresentanlasopcionesdisponiblesqueenlaactualidadsedescriben

enelsitioweboficialdeArduino.




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4.2.2.1 PlacasE/S

ArduinoUNO

LaplacaqueutilizaremosennuestroproyectoeselArduinoUnoR3.Eslaúltimarevisióndelaplaca

básicaArduino. Se conecta al ordenadorporun cableUSBestándar y contiene todo loque sepuede

necesitarparaprogramaryusarlaplaca.Puedenutilizarsemultituddemóduloscomoextensión,que

seránplacashijasconcaracterísticasespeciales.

Las especificaciones han sido descargadas de la página oficial de Arduino, en la siguiente tabla se

muestranacontinuacióndichasespecificaciones.

DESCRIPCIÓN VALOR

Microcontrolador ATmega328

Voltajedefuncionamiento 5V

Voltajedeentradarecomendado 7‐12V

Voltajedeentradalimite 6‐20V

PinesE/Sdigitales 14(6comosalidaPWM)

Pinesdeentradaanalógicos 6

Intensidadporpin 40mA

Intensidadenpin 3.3V50mA

MemoriaFlash 32KB(ATmega328)

SRAM 2KB(ATmega328)

EEPROM 1KB(ATmega328)

VelocidaddeReloj 16MHz




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4.2.3 PartesdelArduino.

ElArduinounoR3,constandeunpinderecepción(RX)yunodetransmisión(TX)dedatosserialesTTL

(LógicadeTransistoraTransistor),asícomoelsoportealacomunicacióndetipoSPI11ydetipoI2C12.

CuentaconpinesparalacomunicaciónSPIymayorprotecciónensucircuito.

Potencia‐USB(1)/ConectordeAdaptador(2).

CadaplacaArduinonecesitaunaformadeestaralimentadoeléctricamente.Estapuedeseralimentada

desde un cable USB que viene de su ordenador o un cable de corriente eléctrica con su respectivo

adaptador.LaconexiónUSBestambiéncómovaacargarcódigoensuplacaArduino.

NOsedebeutilizarunafuentedealimentaciónsuperiora20voltios,yaquesepuededañarlaplacaArduino.

LatensiónrecomendadaparalamayoríadelosmodelosdeArduinoesdeentre6y12voltios.




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Pines(5V,3.3V,GND,Analog,Digital,PWM,AREF)

LospinesenlaplacaArduinoesdondeseconectanloscablesdeuncircuito.ElArduinotienevariostipos

diferentes de entradas, cada uno de las cuales estámarcado en el tablero y utilizan para diferentes

funciones:

GND(3).

Abreviaturade“tierra”(enIngles).HayvariospinesGNDenelArduino,cualquieradeloscualespueden

serutilizadosparaconectaratierraelcircuito.

5V(4)y3.3V(5).

Sonlossuministrospin5V5voltiosdeenergía,ylossuministrosdepin3.3V3.3voltiosdepotencia.

Analógico(6)

Eláreadepinesenelmarcodel‘analógica’etiqueta(A0aA5)esanalógicas.Estospinespuedenleerla

señaldeun sensor analógico (comoun sensorde temperatura) y convertirlo enunvalordigital que

podemosleer.

Digital(7)

Sonlospinesdigitales(del0al13).Estospinessepuedenutilizartantoparalaentradadigital(como

decir,siseoprimeunbotón)ysalidadigital(comoencenderunLED).

PWM(8).

Ustedpuedehabernotadolatilde(~)alladodealgunosdelospinesdigitales(3,5,6,9,10y11).Estos

pinesactúancomopinesdigitalesnormales,perotambiénsepuedenusarparaalgollamadoModulación

poranchodepulsos(PWM,porsussiglasenIngles).

AREF(9).

Soportesdereferenciaanalógica.Lamayoríadelasvecessepuededejarestepinsolo.Avecesseutiliza

paraestablecerunatensióndereferenciaexterna(entre0y5voltios)comoellímitesuperiorparalos

pinesdeentradaanalógica.

Botóndereinicio(10)

Empujandoestebotónseconectarátemporalmenteelpinderesetatierrayreiniciecualquiercódigoque

secargaenelArduino.Estopuedesermuyútilsielcódigonoserepite,peroquiereprobarlovariasveces.




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IndicadorLEDdealimentación(11)

EsteLEDdebeencendersecadavezqueconectelaplacaArduinoaunatomaeléctrica.Siestaluznose

enciende,hayunabuenaprobabilidaddequealgoandamal.

LedsRXTX(12)

TXeslaabreviaturadetransmisión,RXeslaabreviaturaderecibir.Estasmarcasaparecenunpocoenla

electrónicaparaindicarlospasadoresresponsablesdelacomunicaciónenserie.Ennuestrocaso,hay

doslugaresenlaArduinoUNOdondeaparecenTXyRX‐unavezporpinesdigitales0y1,yporsegunda

vez junto a los indicadores LEDde TX yRX (12). Estos Leds nos darán algunas buenas indicaciones

visuales siempre nuestro Arduino está recibiendo o transmitiendo datos (como cuando nos estamos

cargandounnuevoprogramaeneltablero).

Microcontrolador(13)

Lonegrocontodaslaspatasdemetalesuncircuitointegrado(IC,porsussiglasenIngles).Pienseenello

comoelcerebrodenuestroArduino.LaprincipalICenelArduinoesligeramentediferentedeltipode

placaaplacatipo,peroesporlogeneraldelalíneadeATmegadeCIdelaempresaATMEL.Estopuede

serimportante,yaquepuedenecesitarparasabereltipodeIC(juntoconsutipodetarjeta)antesde

cargarunnuevoprogramadesde el softwaredeArduino.Esta información sepuedeencontrar en la

escrituraenlapartesuperiordelaIC.Siquieressabermásacercadeladiferenciaentrediversoscircuitos

integrados,lalecturadelashojasdedatossueleserunabuenaidea.

ReguladordeVoltaje(14)

Estonoesrealmentealgoquesepuede(odebe)interactuarconelArduino.Peroespotencialmenteútil

para saberqueestá ahí yparaqué sirve.El reguladordevoltajehaceexactamente loquedice ‐ que

controla la cantidadde tensión que se deja en la placaArduino. Piense en ello comouna especie de

guardián;sedarálaespaldaaunatensiónadicionalquepodríadañarelcircuito.Porsupuesto,tienesus

límites,porloquenoconectatuArduinoanadasuperiora20voltios.




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4.2.3.1 Módulos.

ArduinoGPRS/GSMShield

Conecta la placa Arduino a Internet utilizando la red inalámbrica GPRS. Sólo hay que conectar este

móduloalaplacaArduino,conectarunatarjetaSIMdeunoperadorqueofrezcacoberturaGPRSyseguir

unas sencillas instrucciones para empezar a controlarlo a través de internet. También puede

realizar/recibirllamadasdevoz(senecesitauncircuitodealtavozymicrófonoexterno)yenviar/recibir

mensajesSMS.

EnlafigurapodemosapreciarelmodelodelGPRS/GSMSIM900queutilizaremosparanuestroproyecto.

Estemódulonospermitiráenviaryrecibirmensajesconciertasinstruccionesparanuestroprototipode

alarma basada en Arduino. Estos escudos interactúan con la placa de Arduino permitiendo de esta

maneramanejarlasmismassalidasyentradasquetienelaplacaArduino.




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4.3 ARDUINO:SOFTWARE.

4.3.1 Códigoabierto.

AlprofundizarenelmundoArduinopodemosafirmarqueesta tecnologíaengloba tresherramientas

específicas.

1‐ Laprimera es el controladordeArduinoqueexiste en varios tamañosdesdepequeñoshasta

grandes. Cuenta con su esquema de libre acceso. Cualquier persona con los conocimientos

necesariospodríaensamblarestecontrolador.

2‐ Ensegundolugartenemosellenguajeyelcompiladorquecreacódigoparaelcontroladorque

simplifica muchas de las tareas que se presentan como un desafío para los diseñadores y

programadorescuandotrabajanconunhardwareeinteracciónfísica.

3‐ Yporúltimotenemoselentornodeprogramación(IDE),esdecódigoabiertodesarrolladoen

Java.

4.3.2 Multiplataforma.

Arduinoutiliza libreríasdecódigoabierto,escritasenCyC++ycompiladasparadiferentessistemas

operativos. Además el entorno de desarrollo está escrito en Java lo que permite tener un software

multiplataforma.

ElIDEdeArduinopuedeserinstaladoenlossistemasoperativosWindows,enMACyLinux

4.3.3 Entorno

Para instalar Arduino descargamos el instalador de la página web oficial de Arduino

https://www.arduino.cc/en/Main/Software#.

Senosdescargaraelarchivoejecutablearduino‐1.0.6‐windows.exe.Comoprerequisitodebemostener

instaladoelJDKdeJavaennuestraordenador,laspantallasdeinstalaciónsonsencillascomopodremos

apreciar en siguientes figuras, finalmente en la última figura semuestra el entornodedesarrollo de

Arduino.




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ProcesodeinstalacióndeIDEparaArduino ProcesodeinstalacióndeIDEparaArduino





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IDEdeArduinoejecutado




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4.4 DESARROLLODELCÓDIGOARDUINO.

Parafuncionar, lasplacasArduinonecesitanquesecarguenlossketchesensusmicrocontroladores,y

paraelloesnecesarioelusodelsoftwaredeArduino,queseencuentradisponibledeformagratuitaen

supáginaweboficial.Si laplacanecesitaunaconexiónUSBconelordenador,sedeberáninstalar los

driversUSBparaelchipFTDIdelaplaca,quetambiénpuedenencontrarseenlapáginadeArduino.

UnprogramadiseñadoparaejecutarsesobreunaplacaArduino(un“sketch”)siempresecompone,al

menos,detressecciones:

1) Laseccióndedeclaracionesdevariablesglobales:ubicadadirectamentealprincipiodelsketch.

2) Lasecciónllamada“voidsetup()”:delimitadaporllavesdeaperturaycierre.

3) Lasecciónllamada“voidloop()”:delimitadaporllavesdeaperturaycierre.




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4.4.1 Estructura.

4.4.1.1 Librerías.

Insercióndeficherosexternosquecontenganfuncionesquevayanautilizarseenelcódigoprincipal.

Porejemplo,paraleerelsensorDS18B20conunArduinoesnecesarioutilizardoslibreríasquedeben

serinstaladasantesdecargarelcódigoanuestraplacadedesarrollo.Laslibreríassonlassiguientes:

• DallasTemperatura.

• OneWire




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4.4.1.2 #define.

Permite establecer variables constantes de forma que, al compilar el fichero el microprocesador, se

sustituyanlasreferenciasalavariable#defineporelvalorquetenganasociado.

4.4.1.3 Variablesglobales.

Encierravariablesdeámbitoglobal,esdecir,variablesquetienenvisibilidaddesdecualquierpartedel

programa.Son,porlogeneral,variablesquehacenreferenciaaestadosdelsistemaosituacionesque

afectanalfuncionamientogeneraldelprograma.

4.4.1.4 Definicióndeclases.

Estebloqueencierralasimplementacionesdelasclasesquevanausarseenelcódigo.Trassudeclaración,

sepuedencrearinstanciasdeestas(objetos)enelprogramaprincipalparasuutilización,inclusopueden

crearseinstanciasdentrodeotrasclases,aumentandolasposibilidadesyopcionesdeestas.

4.4.1.5 Creacióndeobjetos.

Enestaseccióndelcódigosecreanlasinstanciasdelasclases,yportantosedefinenlosobjetosglobales

queseutilizaránenelprograma.

4.4.1.6 DeclaraciónSetup().

Seejecutaunasolavezalconectaroresetearlaplaca.

4.4.1.7 Declaracionloop().

Contienetodoloquesenecesitahacerenrepetidasocasionesdentrodelaaplicación,comoporejemplo

chequearunnuevovalordesdeuncontrol,enviarinformaciónalacomputadora,enviarunaseñalaun

pin.

Portanto,lasinstruccionesescritasenlasección“voidsetup()”normalmentesirvenpararealizarciertas

preconfiguracionesinicialesylasinstruccionesdelinteriorde“voidloop()”son,dehecho,elprograma

ensíqueestáfuncionandocontinuamente.

Ademásdeestas funcionesbásicas,puedenimplementarsenuevasfunciones,de formaquesepuede

encapsulartareasespecíficasquesenecesitenutilizardeformaperiódicaenlafunciónloop()




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Estasfuncionessepuedencreardirectamenteenelficheroprincipal,opuedenutilizarse libreríasya

implementadas,lascualesofrecenfuncionesyaprogramadasdestinadasatareasconcretas(p.ejlectura

desensores,conversióndevariables…).

4.4.1.8 Definicióndeinterrupciones.

Enlapartefinaldelcódigosedefinenlasfuncionesdetratamientodeinterrupciones.Inmediatamente

despuésdedetectarunainterrupciónenelpinconfigurado,seinvocalafunciónasociadaalnúmerode

lainterrupción11yunavezqueseejecutasucontenido,elprogramaretornaalpuntoenelqueselanzó

lainterrupción.

4.4.1.9 Constantes.

Arduinotienelassiguientesconstantesquepuedenserutilizadasencualquierpartedelcódigodeuna

aplicación:

HIGH/LOW.‐Estasdefinenelniveldevoltajeenunpindigital,pudiendoser5Vo0V.

INPUT/OUTPUT.‐Estassonconstantesquesonusadasparadefinirunpin,entradaosalida.

4.4.1.10 Métodos

pinMode(número_de_pin,mode).

Los pines digitales del controlador Arduino pueden ser definidos como entrada (INPUT) o salida

(OUTPUT). Debemos establecer si será de entrada o de salida en el setup (). Generalmente solo lo

hacemosunavezenlaaplicación.Porejemplo:pinMode(11,OUTPUT)enesteejemploelpin11está

puestocomosalida,todoestodebemosdeclararlodentrodesetup().

digitalWrite(valor,pin).

EstemétodocolocaunpindigitalenHIGHoenLOWdependiendodelusoqueledaremos.Parapoderser

colocadosestosvaloresprimerodebenhabersidodefinidosenelmétodopinMode().Porejemplo:.void

setup().{pinMode(2,OUTPUT);digitalWrite(2,LOW);}.

intdigitalRead(numero_de_pin)

EsteesunmétodoqueleeelestadodeunpinqueestáenmodoINPUT.Retornaelvalordelpincomoun

integer(valorentero).




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analogRead(numero_de_pin)

Estemétodoleeelvalordeunpinanalógico.Unpinanalógicopuedetenerunvalordesde0a1023que

representaelvoltajedelpin.Elvalorretornadoseráuninteger.Porejemplopodemosdeclararuninty

recibirloquedevuelvaelmétodo.intpin_11=analogRead(11);

4.4.2 Sintaxis

LapáginaoficialdeArduinonosdacomoreferenciadesusintaxisunoscuatroejemplos.

;(puntoycoma).‐Utilizadoparaterminarunadeclaración.

{}(llaves).‐Unallavedeapertura“{”siempredebeirseguidadeunallavedecierre“}”.Esta

esunacondiciónalaquesesuelereferircomollavesemparejadas.ElIDE(EntornoIntegrado

de Desarrollo) Arduino incluye una característica para comprobar si las llaves están

emparejadas. Sólo tienes que seleccionar una Llave o incluso hacer click en el punto de

inserciónquesigueinmediatamenteaunallave,ysucompañeralógicaseráseleccionada.En

la actualidad esta característica tiene un pequeño fallo, el IDE encuentra a menudo

(incorrectamente),llaveseneltextoquepuedenestarsituadasdentrodecomentarios.

//(comentariosenuna línea).‐Loscomentariosson líneasenelprogramaparaaclarar

sobreelfuncionamientodelprograma.Estaslíneassonignoradasporelcompiladorynose

exportanalprocesador.

/**/(comentariosenmúltipleslíneas).‐Loscomentariossonlíneasenelprogramapara

aclaraciones sobre el funcionamiento del programa. Estas líneas son ignoradas por el

compilador y no se exportan al procesador. Para resumir a continuación la tabla 4.1 nos

muestra operadores aritméticos, operadores comparativos, tipos de datos con los que se

puedetrabajarenelIDEdeArduino.




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4.4.2.1 SintaxisdelenguajedeprogramacióndeArduino.

TiposdedatosOperadores

Aritméticos

Operadores

comparativos

boolean(booleano) =(asignación) ==(iguala)

char(carácter) +(suma) !=(distintode)

byte ‐ (resta) <(menorque)

int(entero) *(multiplicación) >(mayorque)

unsignedint(enterosinsigno) /(división) <=(menoroigualque)

long(entero32b) %(resto) >=(mayoroigualque)

unsignedlong(entero32bsinsigno)

float(encomaflotante)

double(encomaflotantede32b)

string(cadenadecaracteres)

array(cadena)

void(vacío)




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4.5 COMUNICACIONES:PROTOCOLOGRPS.

Comomedioparaelenvíoyrecepcióndedatosa laplataformaThingSpeakutilizaremoselprotocolo

GRPS.

ElProtocoloGPRSsignificaGeneralPacketRadioServiceoenespañolServicioGeneraldePaquetespor

Radio.Orientadoalatransmisióndedatos.Losproveedoresdeesteserviciocobranporlacantidadde

datosenviadosorecibidosmásnoporunenlacepermanente.Dichoenotraspalabrasunusuarioutiliza

uncanalsolocuandovaatransmitirdatos.LuegodelarápidaexpansióndelasredesGSMqueutilizanla

Conmutaciónde circuitosparael serviciode llamadasdevoz, losusuariosnecesitaronserviciosmás

avanzadoscomolatransmisióndedatos.

4.5.1 RedGPRS

ElsistemaGPRSnacióparadarlealusuariolaoportunidaddepodertransmitirdatos.

GPRScomparteelmismorangodefrecuenciasqueGSM.Repasaremosloscomponentesprincipalesde

unaredGSM:

o MS(MobileStation).‐Equipofísicousadoporelusuario.

o SIM(SubscriberIdentityModule).‐Eselchipidentificadordelabonado.Contieneinformación

referentesoloalusuario.

o BTS(BaseTransceiverStation).‐Establecevíaradioconectividadentrelasestacionesmóviles

ylaredGSM.

o BSC(BaseStationController).‐Actúacomounconcentradordevariasestacionesbase(BTS).

o BSS(BaseStationSubsystem).‐EstáconstituidoporlaBTSylaBSC.

o MSC (Mobile Switching Center).‐ Centro de Conmutación de servicios móviles. Control de

llamadasyencargadodelaasignacióndecanalesdeusuarioentreelMSCyelBSC.

o GMSC(GatewayMSC).‐EsatravésdelcualseconectalaredGSMconlasredesfijas.

o HLR(HomeLocationRegister).‐basededatosquecontienelosdatosdelosclientesparasu

gestión.Contieneinformacióncomo:servicioscontratados,limitacionesdeservicioylocalización

delusuario.

o VLR (Visitor Location Register).‐ Contiene datos dinámicos que permiten saber la última

ubicacióndelusuario.




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La red GPRS agrega algunos componentes a la red GSM tales como el SGSN (responsable de la

transferenciadepaquetes)yelGGSN(conviertelospaquetesalformatoIP).Lainclusióndeestosnuevos

componentespermitelaconmutacióndepaquetesylautilizacióndeprotocoloscomoIP.




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5 CAPITULO4:PLATAFORMAGRATUITAPARAELREGISTRODELOSVALORESDESENSORES.

5.1 INTRODUCCIÓN.

La necesidad de tener registrados los datos y sus acceso online desde cualquier equipo que tenga

conexión a internet lleva a plantear la busca de una plataforma gratuita que nos permita tener los

parámetrosregistradosymonitorizados.

Dentrodelabúsquedadelasplataformasactualesexisteenlaactualidadnuevarevolucióntecnológica,

dóndeobjetoscotidianosdeldíaadíaconunafunciónespecífica,evolucionangraciasalIoT,pasandoa

estarconectadosydotardenuevasfuncionalidadesaestosobjetos,pudiéndoloscontrolaryadministrar

desdetabletas,ordenadoresoteléfonosmóviles.

LaplataformaIoT(InternetofThings)“esunconceptoqueabarcaunconjuntodetecnologíasquebuscan

permitirlainterconexióneinteroperabilidaddeobjetosheterogéneosyubicuosatravésdediferentes

redes.”

Con la plataforma IoT cobran tambiénmucha importancia los Smart Objects: objetos físicos con un

sistemaembebidoquelepermiteprocesarinformaciónycomunicarseconotrosdispositivosyrealizar

acciones en base a una acción o evento determinado. Estos pueden ser los Smartphones, unmicro‐

controladorcomoesArduinoocualquierotroobjetoquetengaconectividadalared(Lee&Kim,2012)

yseacapaz,comomínimo,degestionarinformación(Meyer,Främling,&Holmström,2009).Pues,en

combinaciónconInternetofThings,seconsiguequelaredpasedesolotransportardatos,adotarlade

inteligencia y acciones según los datos que recogen estos objetos y los servicios que estos permiten

realizar.

ConelusodelaplataformaIoTsepretendecomoobjetivofinaltenerobjetosquenosdeninformación

desde cualquier lugar del mundo. Con esto se puede ofrecer la interconexión de estos objetos

heterogéneosatravésdeunareddecomunicación,comopuedeserInternet(Lee&Kim,2012).Estos

objetos pueden ser sensores dispersos por el terreno, una red de sensores, un micro‐controlador

Arduino,unSmartphone,yaqueInternetofThingseslainterconexióndeobjetosheterogéneosatravés

deInternet.




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Comoejemplodelusodeestatecnologíaestáelpresentetrabajofindemaster,conectandosensorespara

elmonitoreoambiental.

ObjetivodelusodeplataformasIoTenelproyectoesdesarrollarunaaplicaciónparavisualizaryregistrar

los parámetros medidos en los tanques de aguas pluviales, a través de un microcontrolador

conectándonos a una plataforma software. Otro de los puntos interesantes que semostraran con la

aplicación,seráeltratamientodelosdatosIoT.

Estepodríasercrucialparalaprevenciónocontroldeciertotipodecircunstanciasenlasquepodrían

jugarunpapelcrucial(Broring,Maue,Malewski,&Janowicz,2012).Porejemplo,conociendoencada

momento los valores de aquellos parámetros relevantes, se podría evitar que un agua pluvial

contaminadaporelentornoindustrialsevertieseaunaríacatalogadaprotegidaenlaREDNATURA2000,

analizandolacalidaddelaguaybombeandolamismahastaunaPTAparaevitarproblemasmayores

Noobstante,todosestossistemassonmuycomplejos.Elprincipalproblemaalahoradeinterconectar

losSmartObjectsparacrearunaredinteligenteeseltratodelosdiferentesvaloresytiposdemensajes

queenvíacadadispositivo.Estoesdebidotantoaldiferentehardwareutilizadoporcadaunocomoal

softwarequeutiliza.Estosedebea lasnormasensucreaciónporpartede losdiferentes fabricantes

(Gama,Touseau,&Donsez,2012).

Para solventar el problema la heterogeneidad de los objetos que dificulta la comunicación entre los

mismos,quepresentaelusodelatecnologíaInternetofThingsylosSmartObjectsparaserutilizados

comounaredinteligentequecontrolecasicualquiercosa.Seutilizaunadelassolucionesactualmente

máspopulares,paraconectarobjetoseslarealizacióndeunainterfazencomún.Seráunaaplicaciónque

residaenambosyconsulteunservidor.




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5.2 TECNOLOGÍAIOT.

Elinternetdelascosassebasaensensores,enredesdecomunicacionesyenunainteligenciaquemaneja

todoelprocesoylosdatosquesegeneran.Lossensoressonlossentidosdelsistemay,paraquepuedan

ser empleadosde formamasiva, deben tener bajo consumo y coste, un reducido tamaño y una gran

flexibilidadparasuusoentodotipodecircunstancias

Enlaactualidad,sehadetectadoquecadavezmásSmartObjectspuedenconectarseaInternet.Estos

puedeninteractuarentreellos,enviarsedatosyrealizardeterminadasaccionessegúnciertainformación.

Objetosheterogéneosinteractuandoentreellos:estoesInternetofThings.

Por tanto, podemosdecir que el Internet de las Cosas (IoT) consiste en la integraciónde sensores y

dispositivos en objetos cotidianos que quedan conectados a Internet a través de redes fijas en

inalámbricas.Dadosutamañoycoste, lossensoressonfácilmenteintegrablesencualquieraplicación

que se nos ocurra diseñar, de estamanera, cualquier objeto es susceptible de ser conectado y estar

presenteenlaRed.

ElconceptodeInternetdelascosas fuepropuestoporKevinAshtonenelAuto‐IDCenterdelMITen

1999,dondeserealizabaninvestigacionesenelcampodelaidentificaciónporradiofrecuenciaenred

(RFID) y tecnologías de sensores. Surgió en base a la necesidad de las cadenas de suministro y la

identificacióndeobjetos,personasyanimalesmedianteelusodeetiquetas inteligentesRFID.Estose

debeaqueconelusodeRFIDsepuedeotorgarunidentificarúnicoaunobjeto.Deestamanera,sepuede

conseguirlocalizaraunobjetoconcretoparadeterminadastareas.

Noobstante,paralaexistenciadeInternetofThings,senecesitantrespasos:

Inteligenciaintegrada.

Conectividad.

Interacción.

Porello,labasedeInternetofThingssonlossensoresylastarjetasRFID.

Lossensoressirvenparalarecogidacasidecualquiertipodeinformación,cambioodato.Estepuedeser

tratadoporunSmartObject,comopuedeserunSmartphoneoenviadoaunservidor.




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Las etiquetas inteligentes RFID se puede identificar diferentes objetos, para que, por medio de

radiofrecuencia,seleanlaspropiedadesdeesteelemento,eincluso,seahagaunseguimientodeél.Si

combinamos ambos, se puede hacer que un objeto concreto realice una acción en base a un evento

captadoporunsensordeterminado.

Porellosenecesitadeunainfraestructurainteligentequeseacapazdeconectarlosdiferentesobjetosy

lesdotedelainteligencianecesariaparainteractuarentreellos,incluso,enalgunoscasos,indicándoles

ladecisiónquedebentomar(Tan,2010).Estoúltimo,enelsupuestodequelosSmartObjectsnotengan

inteligenciapropiaonecesitenenunmomentodadounadecisiónexterna.

Enlassiguientestresfiguras,podemosresumirelIoT:

1‐ Sensoresyactuadores:estamosdandoanuestromundounsistemanerviosodigital.Ubicación

dedatosutilizandosensoresGPS,losojosylasorejasconcámarasymicrófonos,juntoconlos

órganossensorialesquepuedenmedirtodo,desdelatemperaturaacambiosdepresión.




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2‐ Digitalización:estasentradassedigitalizanysecolocanenlasredes

3‐ Personas&Procesos:estasentradasenlaredsepuedencombinarensistemasbidireccionales

queintegrandatos,personas,procesosysistemasparalamejoraenlatomadedecisiones.




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5.2.1.1 SmartObjects.

ComoexplicannumerososautoresunSmartObject,tambiénconocidocomoIntelligentProduct,esun

elementofísico,condiversaspropiedades,identificablealolargodesuvidaútil,queinteractúaconel

entornoyotrosobjetosyquepuedeactuardemanerainteligentesegúnunasdeterminadassituaciones,

mediante una conducta autónoma. Ejemplos de Smart Objects cotidianos son los Smartphones, las

Tablets,SmartTVseinclusoalgunoscoches.

LosSmartObjects,loclasificanenbaseatresdimensiones.Cadadimensiónsecorrespondeauntipode

inteligente.Deestamanera,pormediode las tresdimensionesdeunobjeto, sepuededeterminar la

inteligenciaytipodeSmartObjectqueesycompararloconotros.Lasdimensionessonlassiguientes:

1‐ Laprimeraeselniveldeinteligencia.Enestasedescribelacapacidaddeinteligenciadelobjeto.

Constadetrescategorías:Lagestióndelainformación:capacidadparamanejarlainformación

querecogeatravésdesensores,lectoresuotrastécnicas;Lanotificacióndelproblema,queesla

posibilidad de que sea capaz de notificar a su propietario cuando ocurre un determinado

problema o evento en el propio Smart Object, como puede ser la detección de bajada de

temperatura;Porúltimo,latomadedecisiones,queescuando,ademásdetodoloanterior,posee

lacapacidadpropiasobrelatomadedecisionessinintervencióndeuncontrolexterno.

2‐ La segunda dimensión es la localización de la inteligencia. Esta consta de dos categorías. La

primeraeslainteligenciaatravésdelared.Consisteenquelainteligenciadelobjetodepende

totalmente de un agente externo al propio objeto. Este agente puede ser una red a la que se

encuentraconectado.Laotracategoríaeslainteligenciaenelobjeto.Losobjetosquepertenecen

aestacomputantodoporsímismo,esdecir,todalainteligenciaesllevadaenellos.

3‐ Laúltimadimensióneslaagregacióndelniveldeinteligenciaysecomponededoscategorías:

inteligencia en el elemento e inteligencia en el contenedor. A la primerapertenecen aquellos

objetosquesolopuedenmanejarinformación,notificacionesy/odecisionesysicontienenotros

componentes, estos no pueden ser distinguidos como objetos individuales. Por ejemplo, un

sensor. Mientras, la inteligencia del contenedor, además de poder manejar información,

notificacionesy/odecisiones,escapazdeseguirfuncionandocomoelementouobjetoapesarde

queseledesensamblealgunapartedeél.AestegrupoperteneceríaunaplacaArduinoconcomo

mínimotressensores.Siaestaselequitaunsensor,puedeseguirfuncionandocomocontenedor.

De estamanera, se puede clasificar a un SmartObject en sus tres dimensiones. En este proyecto, se

conectarán sensores con un nivel de inteligencia de gestión de la información y de notificación del




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problema,conlalocalizacióndelainteligenciaatravésdelaredydeambosnivelesdeagregacióndel

niveldeinteligencia.

Actualmente existen varias plataformas para interconectar dispositivos. Entre ellas se encuentran

algunas orientadas al mundo empresarial, como es el proveedor de servicios Xively. Otras están

orientadasalainvestigación,comosonParaimpuyQuadraSpace.SobreParaimpusepuedeencontrar

variaspublicacionesendiferentessitios.EstastratanlosproblemasprincipalesdeIoT.Porúltimo,están

lasredesabiertasalosusuariosperoqueestánenestadobetaylimitanelaccesoalosusuariosmediante

invitaciónoaprobacióndelacuenta.EjemplosdeestosonThingSpeak,SensorpediaoSenseWeb.




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5.3 PLATAFORMASSOFTWARE:THINGSPEAK.

ParaelpresentetrabajosehautilizadolaredabiertaThingSpeak.Losmotivosporlosquesehaelegido

estáplataformason:

o PorserunaplataformaOpenSource.

o Porsufácilconfiguración.AltenerunaAPIdocumentadaayudanotablementealmanejodela

mismayasurápidaconfiguración.

o Disponerdeunaintegraciónsencillaconaplicacionesdeterceros.

o Otromotivo fundamental es su compatibilidad con Arduino y el disponer de documentación

referenteaestatipodehardware.

o Yporúltimo,queelconjuntoArduino‐ThingSpeakseconvierteenunsistemadeBajoCoste.

5.3.1 ThingSpeak

ThingSpeakesunaplataformaabiertadeaplicaciones,diseñadaparapermitirconectarpersonascon

objetos.SecaracterizaporserunaplataformaOpenSourceconunaAPIparaalmacenaryrecuperardatos

delosobjetosusandoelprotocoloHTTPsobreInternetovíaLAN(LocalAreaNetwork).

SetratadeunaplataformabasadaenRubyonRails3.0(RoR),esteesunframeworkdeaplicacionesweb

decódigoabiertobasadoenRuby,cuyaarquitecturaestábasadaenelModeloVistaControlador(MVC).

Secaracterizaporsusimplicidadalahoradeprogramaraplicacionesdelmundoreal,escribiendomenos

códigoyconunaconfiguraciónmuchomássencillaqueotrosframeworks.Otradelascaracterísticasque

hacendeRoRunframeworkperfectoparaeldesarrollodeaplicacionesesquepermiteelusodemeta

programación,haciendoquesusintaxisseamáslegibleyllegueaungrannúmerodeusuarios.

Laaplicaciónincluyetodolonecesarioparapoderempezaratrabajar,desdeunaaplicaciónwebenla

quepodremosgestionarusuarios,gestionarclavesdeAPI,gestióndecanalesycartografía.




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LaplataformaThingSpeakalmacenalosdatosen“CanalesThingSpeak”.Loscanalesserepresentancomo

unainterfazwebdondesepublicanlosdatosalmacenados.Puedenserconfiguradosparaserpúblicos

para que otras personas puedan verlos o privados, sólo se puede acceder mediante el registro en

ThingSpeak.comconcuentadeusuario.

Lasaplicacionesclienteestánintegradasenlosdispositivosfísicosquepuedenleeryescribirauncanal

ThingSpeakmediantepeticionesHTTPalaAPIdeThingSpeak.Cadaentradaofeedesetiquetadaconuna

IDdeentradaúnicaysealmacenanconunafechayuntimestamp.

Escribirenuncanalrequiereunaclavedeescrituraparaasegurarquesólolasaplicacionesautorizadas

pueden acceder a sus datos. Los datos numéricos pueden ser procesados como escala de tiempo,

promedio,mediana,suman,yelredondeo.LoscanalessoportanlosformatosJSON,XML,CSV.Parapoder

interactuarenbasealobjetodeseado,hayquebajarlosdatosenunodeestostresformatosyprocesarlo

para así obtener losdatosnecesarios.Por el contrario,para enviardatoshayque crearunapetición

medianteprotocoloHTTP,métodoPOSTysiguiendolaarquitecturaREST.

5.3.1.1 Hardwarecompatible.

Arduino,Raspberrypi,ElectricImp,Freetonics,NetduinoyXbeewírelessnetworks




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5.3.1.2 Característicasprincipales.

Destacaremos algunos puntos importantes en toda plataforma tales como su API, App (si las tiene),

integración,hardware.

CHARTAPI

UnpuntoimportantealahoradedesarrollarcualquierproyectoesencontrarunAPIdisponibledeforma

sencillaparaqueeldesarrolladortengalosmecanismosnecesariosparaeldesarrollodelaaplicación.

Enestecaso,ThingSpeakdisponedeunaAPIlacualestádisponibleenGitHubparasudescargaenun

servidorpropio.Estotalmenteabierta,porloquetambiénsepuedemodificarsucódigofuenteoriginal

yasícontribuiralacomunidadconnuevascaracterísticas,unprincipiobásicoentodaplataformaOpen

Source.




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CHANNELS.

La forma que tiene esta plataforma de almacenar y publicar los datos es a través de los “Chanels”

(Canales).Sucreaciónesmuysimpleyenunpardeclicksyrellenandounaseriededatoslotendremos

disponible sinmayor complicación. Nuevamente y según profundizas en este plataforma ves que el

objetivoessimplificareltrabajo.

SeutilizaparamostrarlosdatosalmacenadosenloscanalesThingSpeakengráficos.Estosgráficosse

denominan“charts”ypuedenpresentardatosnuméricosypuedeserembebidoensitioswebexternos.

Losgráficospuedenserestáticosodinámicos.Losgráficosdinámicosvisualizanlavariacióndedatosen

tiemporeal.

APP:Plugins.

Paraextenderlafuncionalidaddelsitiotambiénsenosbrindalaoportunidaddedesarrollarplugins.

EstosnosofrecenlaposibilidaddecrearaplicacionesdeformanativaennuestraplataformaThingSpeak.

SoportaHTML,CSSy JavaScriptcomolenguajesdeprogramación.Al igualque loscanales losplugins

puedenserpúblicooprivadossegúnseannuestrasnecesidades.

Porúltimo,destacarqueofrece laposibilidaddeusarGoogleGaugeVisualización,graciasalcualnos

ofrece la posibilidad de visualizar los datos de una forma rápida y amigable, con un nivel de

personalizaciónmuyamplio.




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SindudalasaplicacionesqueencontramosenThingSpeaksonuncomplementoperfectoparanuestros

proyectos,dotándolosenmuchoscasosdeunasfuncionalidadesmuyinteresantes,actualmentetienen

lassiguientesaplicacionesencatálogo.

ThingTweet.

Estaaplicaciónactúacomoproxypermitiendoanuestrodispositivoenviaractualizacionesdestatusa

Twitter.EstoseconsiguegraciasaunallamadaalaAPIdeThingTweet.

Twitterdaasususuarios laopcióndeactualizarsucuentaa travésdeunaautenticaciónabierta.Sin

embargo,estaopciónnoestádiseñadaparadispositivosconcapacidadesdeprocesamiento limitadas

dichascomoArduinooNetduino.ThingSpeaklaAPIresuelveelproblemaconThingTweetAPP.Ejecuta

unTwitterproxyqueenvíaactualizacionesdeestadoaTwitteratravésdelasllamadasThingSpeakAPI.

TweetControl.

EstaaplicaciónseponeaescucharloshashtagsdeTwitteryluegopermitecontrolarcualquiercosaque

puedas imaginar. Cualquier cosa que se pueda conectar a través de ThingHTTP también se puede

conectaraTwitter.

Permitemonitorizarflujosentiemporeal.Hacerestorequiereunservidordedicadoconprocesodelarga

duración que esté preguntando constantemente a Twitter para las actualizaciones de estado.




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ThingControlApphace la tareamencionada.A continuación, el desarrollador puede concentrarse en

determinarelstreamy“hasttag”específicoypoderrealizarunaaccióndecontroltalcomoelenvíode

unasolicitudThingHTTPaterceraspartes.

ThingHTTP.

ThingHTTPpermiteaunmicrocontroladoodispositivoabajonivelconectarseconacualquierservicio

webcomoProwlyTwiliousandoHTTPa travésdeuna redode Internet.Esta aplicaciónelimina la

necesidaddequelosdispositivosimplementenelprotocoloparatratarconcadaservicioweb.Además,

es posible incorporar un “Parse String” dentro de la petición HTTP a ese servicio, para evitar la

codificacióndeunanalizadorsintácticoenlosdispositivosrestringidos.

React.

Básicamenteloquerealizaestaapp,esejecutarunaaccióncuandosecumpleunaciertacondiciónpara

losdatosennuestrocanal.Porejemplo,podríamosencendernuestracafeterasegúnllegamosacasadel

trabajo,creandounReactdeGeolocalización.

LaplataformaThingSpeakprocesastreamsdedatosypermitelaposibilidaddeestableceraccionesde

triggercuandosecumplaunacondiciónconrespectoaesosdatosenuncanalThingSpeak.Lostiposde

condicióndependendelosdatosespecíficosamonitorizar;datosdelossensores,textos,etc.Cuandose

cumple una condición React puede desencadenar una solicitud ThingHTTP a una tercera entidad o

publicarunTweetconThingTweetApp.

TalkBack.

Permite que cualquier dispositivo pueda actuar sobre los comandos en cola. Por ejemplo, podremos

controlarunaBOMBAañadiendocomandostalescomoARRANCARBOMBAYPARARBOMBAusando

webinterfaceoAPI.Elfuncionamientopodríaserelsiguiente:

Siseactivaunaboyalabombaarranca,silaboyasedesactivaypermaneceeneseestadodespuésdeun

pardeminutosentonceslabombasepara.

TimeControl.

ConTimeControlaundeterminadahora,podremosejecutarunThingHTTPounThingTweet,eincluso

añadirunnuevocomandoaTalkBack.




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5.3.1.3 Integración

Uno de los puntos fuertes en cualquier plataforma IoT, es que permita una amplia integración con

diversos dispositivos Hardware y software. En este caso ThingSpeak permite la integración de su

plataformacon:

o Arduino.o RaspberryPi.o IoBridge/RealTime.io.o ElectricImp.o Móbiles/Aplicacionesweb.o RedesSociales.o AnálisisdedatosconMATLAB.




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6 CAPITULO6:PROTOTIPO.

6.1 RESUMENDELPROTOTIPODISEÑADO.

6.1.1 Objetivo.

Monitorizaciónentiemporealyarchivadodelossiguientesparámetrosenaguaspluvialesenentornos

industriales:

1. pH

2. Conductividad

3. Turbidez

4. Temperatura

5. UsodeunPluviómetropararegistrodevolumenporárea.

El sistemapermite añadir aquellos parámetros considerados como relevante en función del entorno

industrialdeaplicación

6.1.2 Hardware.

Plataforma Arduino

ÁmbitodeAplicación Prototipos,Educación.

Micro: FamiliaAtmel:ATmega328.

Modelo ArduinoUnoR3

Memoria. 32Kb.

Alimentación 5V‐9V.

6.1.3 PlataformaIoT.

Plataforma ThingSpeak

Hardware Arduino,RaspberryPi,Spark,ElectronicImp.

Ambato SmartHome,Prototipos.

Ventajas Interfaz,App,Integraciónenredessociales.

Desventajas DocumentaciónlimitadaaciertosHW.




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6.2 APLICACIÓNIOTUSANDOARDUINO+THINGSPEAK.

Enestepuntosevaadescribirelprototipodesarrolladodondesehasidoimplementadotodoloexpuesto

enloscapítulosanteriores,haciendousodeunaplacaArduinoUNOrev3alcuál,leañadimoselShield

GSMGPRSSIM900paraArduino,paradotarlede comunicaciónGRPSquenospermita la conexión a

InternetconunatarjetadedatosdelacompañíaSIMIO.

HaremosusodelaplataformaThingSpeak.Laaplicaciónsebasaráenrecrearunprototipo,basándonos

eneláreadelSmartSensor,midiendolatemperatura,conductividad,pH,Turbidezyvolumendeaguade

lluviaenuntanquedetormentaysubiendolosdatosmedidosalaplataformaThingSpeak.

Usaremos el app ThingHTTP, para el envío de alarmas por SMS a móviles, de forma, que podamos

interactuarconelsistemaactivandoporejemplolamarchadeunabombaantesdeproducirseelvertido

alcaucepúblico.




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6.2.1 ElecciónPlataformas

Aunquelasrazonesdelaeleccióndeplataformasyahansidoexplicadasenloscapítulosanteriores,a

continuación, sedetallaránamodorecordatorioporquesehaelegido lasplataformas tanto software

comohardwareparaeldesarrollodenuestroprototipo.

ElprincipalmotivoparalaeleccióndelaplataformasoftwareThingSpeak,essindudasucategoríade

Open Source, para este tipo de proyecto es sin duda uno de los mejores candidatos tanto a nivel

económicocomoaniveldedocumentación.

Otropuntoa favores su interfazamigable,yde fácil configuración, comoademássu integracióncon

aplicacionesdetercerosvéaseporejemplolaredsocialtwitter.

Alahoradeelegirquehardwareusar,laelecciónhasidomássencilla,sindudaArduino.Plataformacon

ungranrecorridoyunadocumentaciónmuyextensa,yunagrancomunidadqueayudanatodoaquelque

tienecualquierproblema.

Supreciotambiénesunpuntoafavor,delomáseconómicoquehayenelmercado.

6.3 FUNCIONALIDAD

Nuestraaplicaciónrealizarálassiguientesfunciones:

1. Medirdiferentesparámetrosdelaguadelluviaalmacenadaenuntanquedetormentamediantelossensoressiguientes:

o Sensordeconductividad.o Sensordeturbidez.o SensordepH.o SensordeTemperatura.o Pluviómetro.

LossensorespH,conductividadyturbideznosdaninformacióndeunposiblevertido.

El sensorde temperaturaesnecesariopara realizar lasotrasmediciones, yaque,por ejemplo, el pH

necesitaunacompensacióndetemperaturapararealizarcorrectamentelamedida.

Elpluviómetronosinformadelvolumendelluviaporárea.

2. SubirlosdatosalaplataformaIoTThingSpeak.




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UsodelasaplicacionesThingHTTP,TweetControl,ReactyTalkBackparaenvíodealarmasamóvilesy

activacióndeunabombasumergible.

AunqueconTweetControlyThingHTTPhubierasidosuficienteparaactivarlabomba,sehanusadolas

demásaplicacionesparamostrarlasfuncionalidadesquetraeestaplataforma.

3. MedianteunAPPparaAndroid,podervisualizarlosdatos,vergráficas,históricos,modificarrangos…,sinaccederdirectamentealaplataformaThingSpeak.

6.3.1 InstalaciónIDEArduino.

Para poder comenzar a trabajar con nuestra placa Arduino, lo primero que tenemos que hacer es

descargarnoselIDEdeArduino,antesdecontinuar,hayqueaclararquelacompañíadeArduinoestá

divididaendos,arduino.ccyarduino.org,alahoradetenerquedescargarelIDEdebemostenerestoen

cuenta,aunqueambosIDEfuncionanperfectamenteparaambasplacas.

Ennuestrocasodescargamoselsoftwaredelapáginaarduino.org,siendolaversióndelIDEactual la

1.7.3.:

http://www.arduino.org/downloads

Lainstalaciónesguiadaporlotantoesmuysencilla,unavezinstaladoconectamosnuestraplacaporUSB

yesperamosaqueseareconocidapornuestroequipo.

6.3.1.1 ConexiónGRPS.

ComoelmodulonosdisponedepinesquepermitanlaconexiónporclipconlaplacaArduino,serealizara

mediantecableado.

Cablesjumpermacho‐macho




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6.3.1.2 MontajedelCircuito

YaconectadoelShieldGSMGPRSSIM900anuestraplacaArduinoUNORev.3,nosapoyaremosdeun

protoboard,paralaconexióndelossensores.

• UsaremoselpinA0paraelsensordepH.

• UsaremoselpinA1paraelsensordeConductividad.

• UsaremoselpinA2paraelsensordeTurbidez.

• UsaremoselpinD2paraelsensordetemperatura.

• UsaremoselpinD4paraelpluviómetro.

• Pin5VyGNDparalaalimentación.

6.3.1.3 Descripciónyesquemadeconexiones

Elsistemadesensoresfinalsecomponedeloscincosistemasindividualesdescritosenestamemoria

(detección de temperatura, pH, conductividad, turbidez y pluviómetro), que operan de forma

independiente, excepto temperaturaque formapartedelpHy conductividad,demodoque tanto los

errores en el funcionamiento como en el conexionado pueda controlarse y solventarse también de

manera independiente. También con el objetivo y para minimizar los errores de conexión, se ha

mantenido(enlamedidadeloposible)uncódigodecoloresenelcableado,desdeeldiseñoinicialdelos

subsistemasenelsoftwaredeFritzinghastaelmontajefinaldelhardware,parafacilitarelseguimiento

yrevisióndelasseñalestalycomosedetallaacontinuación.




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Comoya se ha visto en la secciónde cada subsistema, cada sensor se conecta aunpin analógico de

Arduinoparaposteriormenteenviarlosalaestacióndecontrol.

pH:PinanalógicoA0.

Conductividad:PinanalógicoA1.

Turbidez PinanalógicoA2.

Temperatura:PindigitalD2.

Pluviómetro:PindigitalD4

Porotraparte,cadacircuitodealarmaluminosatienesuLEDcorrespondienteconectadoaunpindigital

delaplacaArduinoUNO:

CalibracióndelsensordepH:LEDazul:PindigitalD12.Calibracióndelsensordeconductividad:LED

azul:PindigitalD10.




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6.3.2 Códigoobtencióncalibracióndelossensores.

6.3.2.1 CódigopH:Usodelmodoanalógico.

/***************************************************

#include<EEPROM.h>

#defineEEPROM_write(address,p){inti=0;byte*pp=(byte*)&(p);for(;i<sizeof(p);i++)EEPROM.write(address+i,pp[i]);}

#defineEEPROM_read(address,p){inti=0;byte*pp=(byte*)&(p);for(;i<sizeof(p);i++)pp[i]=EEPROM.read(address+i);}

#defineReceivedBufferLength20

charreceivedBuffer[ReceivedBufferLength+1];//storetheserialcommand

bytereceivedBufferIndex=0;

#defineSCOUNT30//sumofsamplepoint

intanalogBuffer[SCOUNT];//storethesamplevoltage

intanalogBufferIndex=0;

#defineSlopeValueAddress0//(slopeofthephprobe)storeatthebeginningoftheEEPROM.Theslopeisafloatnumber,occupies4bytes.

#defineInterceptValueAddress(SlopeValueAddress+4)

floatslopeValue,interceptValue,averageVoltage;

booleanenterCalibrationFlag=0;

#defineSensorPinA0

#defineVREF5000//forarduinouno,theADCreferenceisthepower(AVCC),thatis5000mV

voidsetup()

{

Serial.begin(115200);

readCharacteristicValues();//readtheslopeandinterceptofthephprobe




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}

voidloop()

{

if(serialDataAvailable()>0)

{

bytemodeIndex=uartParse();

phCalibration(modeIndex);//Ifthecorrectcalibrationcommandisreceived,thecalibrationfunctionshouldbecalled.

EEPROM_read(SlopeValueAddress,slopeValue);//Aftercalibration,thenewslopeandinterceptshouldberead,toupdatecurrentvalue.

EEPROM_read(InterceptValueAddress,interceptValue);

}

staticunsignedlongsampleTimepoint=millis();

if(millis()‐sampleTimepoint>40U)

{

sampleTimepoint=millis();

analogBuffer[analogBufferIndex]=analogRead(SensorPin)/1024.0*VREF;//readthevoltageandstoreintothebuffer,every40ms

analogBufferIndex++;

if(analogBufferIndex==SCOUNT)

analogBufferIndex=0;

averageVoltage=getMedianNum(analogBuffer,SCOUNT);//readthestablevaluebythemedianfilteringalgorithm

}

staticunsignedlongprintTimepoint=millis();

if(millis()‐printTimepoint>1000U)

{

printTimepoint=millis();

if(enterCalibrationFlag)//incalibrationmode,printthevoltagetouser,towatchthestabilityofvoltage

{




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Serial.print("Voltage:");

Serial.print(averageVoltage);

Serial.println("mV");

}else{

Serial.print("pH:");//innormalmode,printthephvaluetouser

Serial.println(averageVoltage/1000.0*slopeValue+interceptValue);

}

}

}

booleanserialDataAvailable(void)

{

charreceivedChar;

staticunsignedlongreceivedTimeOut=millis();

while(Serial.available()>0)

{

if(millis()‐receivedTimeOut>1000U)

{

receivedBufferIndex=0;

memset(receivedBuffer,0,(ReceivedBufferLength+1));

}

receivedTimeOut=millis();

receivedChar=Serial.read();

if(receivedChar=='\n'||receivedBufferIndex==ReceivedBufferLength){

receivedBufferIndex=0;

strupr(receivedBuffer);

returntrue;

}

else{

receivedBuffer[receivedBufferIndex]=receivedChar;

receivedBufferIndex++;




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}

}

returnfalse;

}

byteuartParse()

{

bytemodeIndex=0;

if(strstr(receivedBuffer,"CALIBRATION")!=NULL)

modeIndex=1;

elseif(strstr(receivedBuffer,"EXIT")!=NULL)

modeIndex=4;

elseif(strstr(receivedBuffer,"ACID:")!=NULL)

modeIndex=2;

elseif(strstr(receivedBuffer,"ALKALI:")!=NULL)

modeIndex=3;

returnmodeIndex;

}

voidphCalibration(bytemode)

{

char*receivedBufferPtr;

staticbyteacidCalibrationFinish=0,alkaliCalibrationFinish=0;

staticfloatacidValue,alkaliValue;

staticfloatacidVoltage,alkaliVoltage;

floatacidValueTemp,alkaliValueTemp,newSlopeValue,newInterceptValue;

switch(mode)

{

case0:

if(enterCalibrationFlag)

Serial.println(F("CommandError"));




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break;

case1:

receivedBufferPtr=strstr(receivedBuffer,"CALIBRATION");

enterCalibrationFlag=1;

acidCalibrationFinish=0;

alkaliCalibrationFinish=0;

Serial.println(F("EnterCalibrationMode"));

break;

case2:


{

receivedBufferPtr=strstr(receivedBuffer,"ACID:");

receivedBufferPtr+=strlen("ACID:");

acidValueTemp=strtod(receivedBufferPtr,NULL);

if((acidValueTemp>3)&&(acidValueTemp<5))//typicalphvalueofacidstandandbuffersolutionshouldbe4.00

{

acidValue=acidValueTemp;

acidVoltage=averageVoltage/1000.0;//mV‐>V


Serial.println(F("AcidCalibrationSuccessful"));

}else{


Serial.println(F("AcidValueError"));

}

}

break;

case3:




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{

receivedBufferPtr=strstr(receivedBuffer,"ALKALI:");

receivedBufferPtr+=strlen("ALKALI:");

alkaliValueTemp=strtod(receivedBufferPtr,NULL);

if((alkaliValueTemp>8)&&(alkaliValueTemp<11))//typicalphvalueofalkalistandandbuffersolutionshouldbe9.18or10.01

{

alkaliValue=alkaliValueTemp;

alkaliVoltage=averageVoltage/1000.0;


Serial.println(F("AlkaliCalibrationSuccessful"));

}else{


Serial.println(F("AlkaliValueError"));

}

}

break;

case4:


{

if(acidCalibrationFinish&&alkaliCalibrationFinish)

{

newSlopeValue=(acidValue‐alkaliValue)/(acidVoltage‐alkaliVoltage);

EEPROM_write(SlopeValueAddress,newSlopeValue);

newInterceptValue=acidValue‐(slopeValue*acidVoltage);

EEPROM_write(InterceptValueAddress,newInterceptValue);

Serial.print(F("CalibrationSuccessful"));

}

elseSerial.print(F("CalibrationFailed"));




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Serial.println(F(",ExitCalibrationMode"));



enterCalibrationFlag=0;

}

break;

}

}

intgetMedianNum(intbArray[],intiFilterLen)

{

intbTab[iFilterLen];

for(bytei=0;i<iFilterLen;i++)

{

bTab[i]=bArray[i];

}

inti,j,bTemp;

for(j=0;j<iFilterLen‐1;j++)

{

for(i=0;i<iFilterLen‐j‐1;i++)

{

if(bTab[i]>bTab[i+1])

{

bTemp=bTab[i];

bTab[i]=bTab[i+1];

bTab[i+1]=bTemp;

}

}

}

if((iFilterLen&1)>0)

bTemp=bTab[(iFilterLen‐1)/2];




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else

bTemp=(bTab[iFilterLen/2]+bTab[iFilterLen/2‐1])/2;

returnbTemp;

}

voidreadCharacteristicValues()

{

EEPROM_read(SlopeValueAddress,slopeValue);

EEPROM_read(InterceptValueAddress,interceptValue);

if(EEPROM.read(SlopeValueAddress)==0xFF&&EEPROM.read(SlopeValueAddress+1)==0xFF&&EEPROM.read(SlopeValueAddress+2)==0xFF&&EEPROM.read(SlopeValueAddress+3)==0xFF)

{

slopeValue=3.5;//IftheEEPROMisnew,therecommendatoryslopeis3.5.

EEPROM_write(SlopeValueAddress,slopeValue);

}

if(EEPROM.read(InterceptValueAddress)==0xFF&&EEPROM.read(InterceptValueAddress+1)==0xFF&&EEPROM.read(InterceptValueAddress+2)==0xFF&&EEPROM.read(InterceptValueAddress+3)==0xFF)

{

interceptValue=0;//IftheEEPROMisnew,therecommendatoryinterceptis0.

EEPROM_write(InterceptValueAddress,interceptValue);




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6.3.2.2 CódigoConductividad:Usodelmodoanalógico.

//#NombreProducto:AnalogECMeter

//#ModeloSKU:DFR0300

//#Version:1.0

//#Connection:

//#ECmeteroutput‐>Analogpin1

//#DS18B20digitalpin‐>Digitalpin2

//#

#include<OneWire.h>

#defineStartConvert0

#defineReadTemperature1

constbytenumReadings=20;//thenumberofsampletimes

byteECsensorPin=A1;//ECMeteranalogoutput,pinonanalog1

byteDS18B20_Pin=2;//DS18B20signal,pinondigital2

unsignedintAnalogSampleInterval=25,printInterval=700,tempSampleInterval=850;//analogsampleinterval;serialprintinterval;temperaturesampleinterval

unsignedintreadings[numReadings];//thereadingsfromtheanaloginput

byteindex=0;//theindexofthecurrentreading

unsignedlongAnalogValueTotal=0;//therunningtotal

unsignedintAnalogAverage=0,averageVoltage=0;//theaverage

unsignedlongAnalogSampleTime,printTime,tempSampleTime;

floattemperature,ECcurrent;

//Temperaturechipi/o

OneWireds(DS18B20_Pin);//ondigitalpin2

voidsetup(){




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//initializeserialcommunicationwithcomputer:

Serial.begin(115200);

//initializeallthereadingsto0:

for(bytethisReading=0;thisReading<numReadings;thisReading++)

readings[thisReading]=0;

TempProcess(StartConvert);//lettheDS18B20starttheconvert

AnalogSampleTime=millis();

printTime=millis();

tempSampleTime=millis();

}

voidloop(){

/*

Everyonceinawhile,sampletheanalogvalueandcalculatetheaverage.

*/

if(millis()‐AnalogSampleTime>=AnalogSampleInterval)

{

AnalogSampleTime=millis();

//subtractthelastreading:

AnalogValueTotal=AnalogValueTotal‐readings[index];

//readfromthesensor:

readings[index]=analogRead(ECsensorPin);

//addthereadingtothetotal:

AnalogValueTotal=AnalogValueTotal+readings[index];

//advancetothenextpositioninthearray:

index=index+1;

//ifwe'reattheendofthearray...

if(index>=numReadings)

//...wraparoundtothebeginning:

index=0;

//calculatetheaverage:




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AnalogAverage=AnalogValueTotal/numReadings;

}

/*

Everyonceinawhile,MCUreadthetemperaturefromtheDS18B20andthenlettheDS18B20starttheconvert.

Attention:Theintervalbetweenstarttheconvertandreadthetemperatureshouldbegreaterthan750millisecond,orthetemperatureisnotaccurate!

*/

if(millis()‐tempSampleTime>=tempSampleInterval)

{

tempSampleTime=millis();

temperature=TempProcess(ReadTemperature);//readthecurrenttemperaturefromtheDS18B20

TempProcess(StartConvert);//afterthereading,starttheconvertfornextreading

}

/*

Everyonceinawhile,printtheinformationontheserialmonitor.

*/

if(millis()‐printTime>=printInterval)

{

printTime=millis();

averageVoltage=AnalogAverage*(float)5000/1024;

Serial.print("Analogvalue:");

Serial.print(AnalogAverage);//analogaverage,from0to1023

Serial.print("Voltage:");

Serial.print(averageVoltage);//millivoltaverage,from0mvto4995mV

Serial.print("mV");

Serial.print("temp:");

Serial.print(temperature);//currenttemperature

Serial.print("^CEC:");

floatTempCoefficient=1.0+0.0185*(temperature‐25.0);//temperaturecompensationformula:fFinalResult(25^C)=fFinalResult(current)/(1.0+0.0185*(fTP‐25.0));

floatCoefficientVolatge=(float)averageVoltage/TempCoefficient;




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if(CoefficientVolatge<150)Serial.println("Nosolution!");//25^C1413us/cm<‐‐>about216mvifthevoltage(compensate)<150,thatis<1ms/cm,outoftherange

elseif(CoefficientVolatge>3300)Serial.println("Outoftherange!");//>20ms/cm,outoftherange

else

{

if(CoefficientVolatge<=448)ECcurrent=6.84*CoefficientVolatge‐64.32;//1ms/cm<EC<=3ms/cm

elseif(CoefficientVolatge<=1457)ECcurrent=6.98*CoefficientVolatge‐127;//3ms/cm<EC<=10ms/cm

elseECcurrent=5.3*CoefficientVolatge+2278;//10ms/cm<EC<20ms/cm

ECcurrent/=1000;//convertus/cmtoms/cm

Serial.print(ECcurrent,2);//twodecimal

Serial.println("ms/cm");

}

}

}

/*

ch=0,lettheDS18B20starttheconvert;ch=1,MCUreadthecurrenttemperaturefromtheDS18B20.

*/

floatTempProcess(boolch)

{

//returnsthetemperaturefromoneDS18B20inDEGCelsius

staticbytedata[12];

staticbyteaddr[8];

staticfloatTemperatureSum;

if(!ch){

if(!ds.search(addr)){

Serial.println("nomoresensorsonchain,resetsearch!");

ds.reset_search();

return0;

}

if(OneWire::crc8(addr,7)!=addr[7]){




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Serial.println("CRCisnotvalid!");

return0;

}

if(addr[0]!=0x10&&addr[0]!=0x28){

Serial.print("Deviceisnotrecognized!");

return0;

}

ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0x44,1);//startconversion,withparasitepoweronattheend

}

else{

bytepresent=ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0xBE);//ReadScratchpad

for(inti=0;i<9;i++){//weneed9bytes

data[i]=ds.read();

}

ds.reset_search();

byteMSB=data[1];

byteLSB=data[0];

floattempRead=((MSB<<8)|LSB);//usingtwo'scompliment

TemperatureSum=tempRead/16;

}

returnTemperatureSum;

}

6.3.2.3 CódigoTurbidez:Usodelmodoanalógico.




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voidsetup(){

Serial.begin(9600);//Baudrate:9600

}

voidloop(){

intsensorValue=analogRead(A0);//readtheinputonanalogpin0:

floatvoltage=sensorValue*(5.0/1024.0);//Converttheanalogreading(whichgoesfrom0‐1023)toavoltage(0‐5V):

Serial.println(voltage);//printoutthevalueyouread:

delay(500);}




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6.3.3 PlataformaThingSpeak

Unavezmontadalapartehardwarepasaremosaconfigurarnuestraplataformasoftware.

Loprimeroquetenemosquehaceresdarnosdealtaenlaplataforma,paraelloentramosenlapágina:

https://thingspeak.com/login

EnelvínculoSingupnosdamosdealta.

Unavezdadodealta,nosvamosalapestañadeChanelsycreamosnuestroscanales,unoporcadasensor

quedeseemosregistrar,acontinuaciónrellenamoslossiguientescampos:




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Conestoyatenemoscreadoloscanalesdondesevolcaránlasmedidasregistradaspornuestrossensores,

undatoimportantequetenemosqueanotarparapodersubirlosdatoseslaWRITEAPIKEY,lacualala

horadeprogramarnuestroArduinodeberemosincluirlaparapodersubirlosdatosalaplataforma

.APIThingHTTP.

Configuraremosestaaplicaciónparaenviaralarmasamóvilescuandoalgunodelosparámetrossupere

laconsignaestablecida.

6.4 SOFTWAREMYSCADA.

Paralavisualizacióndelosparámetrosmonitorizadosysusgráficas,sehadesarrolladounaaplicación

medianteelsoftwaregratuitoparausonocomercial,denominadoMyScada.

6.4.1 Descripción.

MySCADAesunsistemadecontrolcontodaslasfuncionesyaplicacionesparalaAdquisiciónymanejo

de Datos (Sistemas SCADA) con una Interfaz avanzada hombre‐máquina o también llamada HMI. El

software proporciona al usuario la capacidad de controlar, monitorear y mostrar el estado de los

procesosdetipo:

• Tecnológico

• Infraestructura

• SistemasIndustriales

• Instalaciones

LaaplicaciónestádiseñadaparacomunicarseconlosdispositivosdeRockwellAutomationconunared

Ether‐Net / IP, permite usar el protocolo Modbus TCP Unidad de terminal remota (RTU) con los

dispositivos de control desarrollados por las empresas como Schneider, Delta, Wago, Siemens,

Advantech,Unitronics,Beckhoff,etc,conelapoyodelprotocoloModbus,puedeintegrardirectamenteun

grannúmerodesensoresydispositivosI/O.AdemássepuedecomunicarconprotocoloMTTQycon

JavaScriptconelservidordeThingSpeak

EleditordeMySCADAesunentornodedesarrollointegradoqueseutilizaparaconfigurar,desarrollar

y gestionar ventanas HMI.En la aplicación se encontrará todo lo necesario para implementar una




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herramienta completa SCADA. El editor de My SCADA se utiliza para crear y gestionar proyectos,

configurarconexionesaotrosdispositivos,entrelasetiquetas,lasalarmasytendencias.

UnadelasventajasdeMyscadaesqueesmultiplataforma,esdecir,sedesarrollaconunasolaaplicación

ysepuedecorrerenWindows,Android,IOS,Linux

MySCADAtambiénesunsistemamultiprotocoloycubrelamayoríadelosPLCconocidosoRTUsysus

protocolosparamantenerlaversatilidad.

Soportalamayoríadeprotocolosdelaindustria:

Ejemplodepantallasdesarrollas.




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6.4.2 Ámbitosdeaplicación.

Este prototipo además de monitorizar parámetros sobre la calidad del agua podría tener otras

aplicacionessinvariarmuchoelcódigoactualcomolamonitorizacióndeemisionesdegasesypartículas

alaatmósfera.

Para ello se utilizaría el mismo prototipo de Arduino y la plataforma ThingSpeak y únicamente se

cambiaríanlossensores,yaque,seutilizaríansensoresparacontroldeemisiones,talescomo:

SensordeCO2

SensordeNOx

SensordeCH4

SensordeVOC

Sensordepartículasensuspensión




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6.5 PRESUPUESTODELPROYECTO.

Estamosanteunproyectoeldesarrollodeunprototipoacadémico,porloqueelcostedistaríabastante

deloqueseríaunproyectorealanivelcorporativo,yaque,lossensoresautilizaraunquedebajocoste

sepondríandeunamarcaresistenteaentornosindustriales,enelapartadodelCapítuloII,sedescriben

untipoquepodríanserusadosporsucompatibilidadconelHardwareArduino.

Elpresupuestodescritoacontinuacióndetallaelcostequesupondríaelprototipoconsensoresde la

marcaconsiderada

1. Ingeniería:

2. Proyecto.

3. DesarrollosdelCódigo.

4. Testeoydepuracióndelcódigo

5. Equipos

6. Arduino

7. Sensores.

8. MaterialAuxiliar

9. Montaje

10. Puestaenservicio.

6.5.1 Comparativaconsistemastradicionales.

Porúltimosemuestraunacomparativaanivelcosteentreelprototipoyunsistematradicional.




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7 MANUALESDELOSSENSORES.




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8 ANEXOIV:GLOSARIO.

Android:SistemaoperativobasadoenLinuxutilizadoparamóviles.

Arduino:Plataformalibrequeconsisteenunaplaca,unmicro‐controladoryunentornodedesarrollo

quefacilitaelusodeelectrónica.

Framework: Conjunto estandarizado de conceptos, prácticas y criterios para enfocar un tipo de

problemáticaparticularquesirvecomoreferencia,paraenfrentaryresolvernuevosproblemasdeíndole

similar.

HTML:Lenguajedemarcadopredominanteparalacreacióndesitiosweb.Esunestándar...

HTML5:Versión5delestándarHTML.

HTTP:Protocolo de transferencia de hipertexto usando en las transacciones de laWorldWideWeb

(WWW).

InternetofThings:Redinteligentequecontieneobjetosheterogéneosyubicuosinteractuandoentre

ellos.

Java:LenguajedeprogramacióndealtonivelorientadoaobjetoscreadoporSunMicrosystems.

JavaScript:Lenguajedeprogramacióninterpretadoybasadoenprototipos.Esundialectodelestándar

ECMAScript.

JSON:Formato ligeropara el intercambiodedatos. JSONesun subconjuntode lanotación literalde

objetosdeJavaScriptquenorequiereelusodeXML.MIDGAR:Plataformaparalageneracióndinámica

deaplicacionesdistribuidasbasadasenlaintegraciónderedesdesensoresydispositivoselectrónicos

IOT

LenguajedeDominioEspecífico:Especificacióndeunlenguajededicadoaresolverunproblemaen

particular, representar un problema específico y proveer una técnica para solucionar una situación

particular.

Micro‐controlador: Circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su

memoria.

GPRSsignificaGeneralPacketRadioServiceoenespañolServicioGeneraldePaquetesporRadio.




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RFID:Sistemadealmacenamientoyrecuperacióndedatosremotosqueusandispositivosdenominados

etiquetas, tarjetas, transpondedores o tags RFID. El propósito fundamental de la tecnología RFID es

transmitirlaidentidaddeunobjeto(similaraunnúmerodeserieúnico)medianteondasderadio.Las

tecnologías RFID se agrupan dentro de las denominadas Auto ID (Automatic IDentification, o

identificaciónautomática).Sonunosdispositivospequeños, similaresaunapegatina,quepuedenser

adheridasoincorporadasaunproducto,unanimalounapersona

RubyonRails:Frameworkdeaplicacioneswebdecódigoabiertoescritoenellenguajedeprogramación

Ruby,siguiendoelparadigmadelaarquitecturaModeloVistaControlador(MVC).Tratadecombinarla

simplicidadconlaposibilidaddedesarrollaraplicacionesdelmundorealescribiendomenoscódigoque

conotrosframeworksyconunmínimodeconfiguración.EllenguajedeprogramaciónRubypermitela

metaprogramación,delacualRailshaceuso,loqueresultaenunasintaxisquemuchosdesususuarios

encuentranmuylegible.RailssedistribuyeatravésdeRubyGems,queeselformatooficialdepaquetey

canaldedistribucióndebibliotecasyaplicacionesRuby.

Sensor: Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de

instrumentación,ytransformarlasenvariableseléctricas.Lasvariablesdeinstrumentaciónpuedenser

por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento,

presión,fuerza,torsión,humedad,movimiento,pH,etc.Unamagnitudeléctricapuedeserunaresistencia

eléctrica(comoenunaRTD),unacapacidadeléctrica(comoenunsensordehumedad),unaTensión

eléctrica(comoenuntermopar),unacorrienteeléctrica(comoenunfototransistor),etc.

SQL:Lenguajedeclarativodeaccesoabasesdedatosrelacionalesquepermiteespecificardiversostipos

deoperacionesenellas.Unadesuscaracterísticaseselmanejodelálgebrayelcálculorelacionalque

permitenefectuarconsultasconelfinderecuperardeformasencillainformacióndeinterésdebasesde

datos,asícomohacercambiosenella.

SmartHome:Englobalaautomatizacióndelaactividadenelhogarylastareasdomésticas.Ladomótica

puede incluir un control centralizado de la iluminación, HVAC (calefacción, ventilación y aire

acondicionado),loselectrodomésticos,yotrossistemas,paraproporcionarmayorcomodidad,elconfort,

laeficienciaenergéticaylaseguridad.

SmartObject:Elemento físico, condiversaspropiedades, identificable a lo largode suvidaútil, que

interactúa con el entorno y otros objetos y que puede actuar de manera inteligente según unas

determinadassituaciones,medianteunaconductaautónoma.




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Smartphone: Teléfono móvil construido sobre una plataforma informática móvil, con una mayor

capacidaddealmacenardatosyrealizaractividadessemejantesaunaminicomputadorayconectividad

queunteléfonomóvilconvencional.Eltérmino«inteligente»hacereferenciaalacapacidaddeusarse

comounordenadordebolsillo,llegandoinclusoaremplazaraunordenadorpersonalenalgunoscasos.

World Wide Web: Sistema de distribución de información basado en hipertexto o hipermedios

enlazados y accesibles a través de Internet. Con un navegador web, un usuario visualiza sitios web

MIDGAR:Plataformaparalageneracióndinámicadeaplicacionesdistribuidasbasadasenlaintegración

deredesdesensoresydispositivoselectrónicoscompuestosdepáginaswebquepuedencontenertexto,

imágenes,vídeosuotroscontenidosmultimedia,ynavegaatravésdeesaspáginasusandohiperenlaces.

XML: Lenguaje de marcas desarrollado por el World Wide Web Consortium (W3C) utilizado para

almacenardatosenformalegible.DerivadellenguajeSGMLypermitedefinirlagramáticadelenguajes

específicosparaestructurardocumentosgrandes.

IDE:Entornodedesarrollointegrado.Interfazdeprogramación.

NetBeans:EsunIDE,desarrolladoprincipalmenteparaellenguajedeprogramación

Java.

API:Interfazdeprogramacióndeaplicaciones.Esunconjuntodefuncionesy

Procedimientos.Ofrececiertabibliotecadelacualsepuedetomardichasfuncioneso

Procedimientos.

GSM:SistemaGlobalparalastelecomunicacionesmóviles.

Gateway:Puertadeenlace.Permiteinterconectarredesconprotocolosyarquitecturas

diferentes.

LAN:ReddeÁreaLocal.

WAM:Reddeáreametropolitana.

GPL:Licenciapublicageneral.Licenciadesoftwarelibre.

C:Lenguajedeprogramaciónorientadoalaimplementacióndesistemasoperativos.

AMRA:AnalysisandMonitoringofEnvironmentalRisk.

SIG:SistemadeInformaciónGeográfica.

SSL:SecureSocketsLayer.




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GNULGPL:LesserGeneralPublicLicense(LicenciaPúblicaGeneralReducida)

WSAN Wireless sensor and actor networks MIDGAR: Plataforma para la generación dinámica de

aplicacionesdistribuidasbasadasenlaintegraciónderedesdesensoresydispositivoselectrónicosIOT




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8.1 ACRONIMOS.

HTMLHyperTextMarkupLanguage

HTTPHyptertextTransferProtocol

IoTInternetofThings

IoTUUsuariosinteresadosenInternetofThings

JSONJavaScriptObjectNotation

MDEModel‐drivenengineering

MOFMeta‐ObjectFacility

NFCNearfieldcommunication

NoSQLNoStructuredQueryLanguage

OMGObjectManagerGroup

PIMPlatform‐IndependentModel

PSMPlatform‐SpecificModel

RESTRepresentationalStateTransfer

RFIDRadioFrequencyIDentification

SDevSoftwareDevelopers

SIoTSocialInternetofThings

SOAService‐orientedarchitecture

SQLStructuredQueryLanguage

UMLUnifiedModelingLanguage

WWWWorldWideWeb.

XMIXMLMetadataInterchange

XMLeXtensibleMarkupLanguage




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9 BIBLIOGRAFIACOSULTADA:

1. Atzori,L.,Iera,A.,&Morabito,G.(2010).TheInternetofThings:Asurvey.ComputerNetworks,

54(15),2787–2805.doi:10.1016/j.comnet.2010.05.010

2. Hribernik,K.A.,Ghrairi,Z.,Hans,C.,&Thoben,K.(2011).Co‐creatingtheInternetofThings‐

FirstExperiencesintheParticipatoryDesignofIntelligentProductswithArduino(pp.1–9).

3. IoBridge.(2013).Thingspeak.RetrievedJune23,2013,fromhttp://www.thingspeak.com

4. McFarlane,D.,Sarma,S.,Chirn,J.L.,Wong,C. . .,&Ashton,K.(2003).AutoIDsystemsand

intelligentmanufacturing control.EngineeringApplications ofArtificial Intelligence, 16(4),

365–376.Doi:10.1016/S0952‐1976(03)00077‐.

5. JuanAndrésSánchezWevar,AnálisisyEstudiodeRedesGPRS,2005,TrabajodeTitulación

paraoptaralTítulodeIngenieroElectrónico.

6. MassimoBanzi,TomIgoe,GianlucaMartino,andDavidMellis.(2013,Noviembre)Arduino.

[Online].(Recuperado:20demarzodel2014).

7. http://arduino.cc/es/#.Uw1iIYXGVSE

8. http://postscapes.com/internet‐of‐things‐software‐guide#protocols

9. http://www.datamation.com/open‐source/35‐open‐source‐tools‐for‐the‐internet‐of‐

things‐1.html

10. https://thingspeak.com/

11. http://www.thinkingthings.telefonica.com/

12. http://www.zatar.com/

13. https://es.wikipedia.org/

14. http://www.libelium.com/es

15. http://www.arduino.cc/

16. http://www.intel.es/content/

17. http://www.zigbee.org/

18. http://www.instructables.com/id/Arduino‐Tutorial‐0‐

Introducci%C3%B3n/step3/Qu%C3%A9‐partes‐componen‐el‐Arduino




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10 ANEXOI.MANUALDEUSUARIODEARDUINO.




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11 ANEXOII.MANUALDEUSUARIODETHINKSPEAK




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12 ANEXOIII.MANUALDEUSUARIODELAAPLICACIÓNMÓVIL.




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13 ANEXOIV.CÓDIGOARDUINO.

Documents

Memoria TFMRV02 - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/70849/fichero/Memoria+TFMRV02.pdf · existe una amplia gama de sensores en el mercado dependiendo de la magnitud a medir