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SISTEMA ELECTRÓNICO INALÁMBRICO DE ALERTA TEMPRANA Y
MONITOREO DEL COMPORTAMIENTO DEL NIVEL DE LOS RÍOS DE
BAJO COSTO.
PABLO ANDRÉS CAMPO ERAZO – 1086018
KARINA ZAFRA VALLEJO – 1085380
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA DE CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA INGENIERÍA ELECTRÓNICA
CALI – VALLE
2013-2
SISTEMA ELECTRÓNICO INALÁMBRICO DE ALERTA TEMPRANA Y
MONITOREO DEL COMPORTAMIENTO DEL NIVEL DE LOS RÍOS DE
BAJO COSTO.
PABLO ANDRÉS CAMPO ERAZO – 1086018
KARINA ZAFRA VALLEJO – 1085380
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRÓNICO
DIRECTOR:
HECTOR FABIO ROJAS
INGENIERO ELECTRICISTA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA DE CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA INGENIERÍA ELECTRÓNICA
CALI – VALLE
2013-2
AGRADECIMIENTOS
Principalmente agradecemos a Dios, por la fortaleza que nos brindó durante toda esta
etapa.
Este trabajo de grado es la finalización de tantos años de estudio donde vivimos
amarguras, felicidades, éxitos, fracasos, y es el primer peldaño que escalamos para
abrir nuevos caminos y descubrir nuevos retos en nuestra vida, por eso queremos
agradecer especialmente al Ing. Héctor Fabio Rojas director de este proyecto, por su
asesoría durante la última etapa del trabajo de grado, al Ing. David Escobar por
exponernos sus ideas de posibles proyectos al comienzo de esta etapa, al Ing. Carlos
Porras y al Ing. Armando Campo por su orientación metodológica y al Ing. Alejandro
Pustowka por sus asesorías técnicas durante la última etapa de este proyecto.
Agradecemos a nuestros padres y familiares por el apoyo incondicional que siempre
demostraron.
Y un agradecimiento mutuo por la paciencia, por la buena actitud y por la motivación ya
que como integrantes de este grupo de investigación nos apoyamos constantemente
para no desfallecer en los momentos difíciles de este proceso investigativo y así lograr
los objetivos propuestos con satisfacción.
CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................... 13
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................... 17
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ........................................................................... 17
1.2 HIPÓTESIS DEL PROBLEMA ............................................................................ 17
1.3 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................. 18
1.4 OBJETIVOS ........................................................................................................ 18
1.4.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 18
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 18
2. MARCO DE REFERENCIA ....................................................................................... 21
2.1 MARCO CONCEPTUAL ...................................................................................... 22
2.1.1 NIVEL. ............................................................................................................... 22
2.1.2 HIDROLOGÍA. ...................................................................................................... 22
2.1.3 MÉTODOS DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS. ........................................... 23
2.1.3.1 ASPECTOS BÁSICOS EN LA TRANSMISIÓN. ........................................................... 24
2.1.4 SISTEMAS DE ALERTA. ......................................................................................... 25
2.2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 26
2.2.1 MEDICIÓN DEL NIVEL LÍQUIDO. .............................................................................. 26
2.2.1.1 SENSOR POR DESPLAZAMIENTO (FLOTADOR). ..................................................... 27
2.2.1.2 SENSOR CAPACITIVO. ...................................................................................... 27
2.2.1.3 SENSOR ULTRASÓNICO. ................................................................................... 28
2.2.1.4 CONDUCTIVÍMETRO. ......................................................................................... 29
2.2.1.5 SENSOR DE RADAR. ......................................................................................... 29
2.2.2 COMUNICACIÓN. ................................................................................................. 30
2.2.2.1 RADIO FRECUENCIA. ......................................................................................... 30
2.2.2.2 TECNOLOGÍA GSM Y GPRS. ............................................................................ 32
2.2.2.3 TECNOLOGÍAS 3G. ........................................................................................... 33
2.2.3 ENERGÍAS ALTERNATIVAS RENOVABLES................................................................. 33
2.2.3.1 ENERGÍA HIDRÁULICA. ...................................................................................... 33
2.2.3.2 ENERGÍA EÓLICA. ............................................................................................. 34
2.2.3.3 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ....................................................................... 35
2.2.4 UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO. ................................................................ 36
2.2.4.1 MICROCONTROLADORES ATMEL. ..................................................................... 36
2.2.4.2 MICROCONTROLADORES MICROCHIP. ................................................................ 37
2.2.5 SISTEMAS DE ALARMA. ......................................................................................... 37
2.2.5.1 COLUMNAS DE SEÑALIZACIÓN. ........................................................................... 37
2.2.5.2 SONORAS........................................................................................................ 38
2.2.6 INTERFAZ SISTEMA-USUARIO. ............................................................................... 38
2.3 MARCO METODOLÓGICO ................................................................................. 39
2.3.1 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO CONCURRENTE. ............................................................ 39
2.3.1.1 PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA CONCURRENTE. .................................................... 39
2.3.1.2 COMPONENTES DE LA INGENIERÍA CONCURRENTE. .............................................. 40
2.3.1.3 BENEFICIOS DE LA INGENIERÍA CONCURRENTE. ................................................... 40
2.3.2 DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD (QFD). ................................................... 40
2.3.3 PROTOCOLOS PARA LA MEDICIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS RÍOS. .................... 41
3. DESARROLLO DEL PROTOTIPO ............................................................................ 45
3.1 MÉTODO Y PLAN DE TRABAJO ........................................................................ 45
3.1.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES. .................................................................. 45
3.1.2 ORDENAMIENTO JERÁRQUICO DE LAS NECESIDADES. .............................................. 46
3.1.3 ESTABLECIMIENTO DE MÉTRICAS, CARACTERIZACIÓN DEL EQUIPO. ........................... 47
3.1.4 CONSTRUCCIÓN DE LA MATRIZ DE CALIDAD ............................................................. 47
3.1.5 EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS. ............................................................................. 48
3.2 FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO .............................................................. 51
3.2.1 LEVEL MONITORING STATION (LMS). ................................................................... 57
3.2.2 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA – MÓDULOS XBEE. ................................................... 64
3.2.3 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN. .......................................................................... 66
3.2.4 CONSUMOS DE ENERGÍA. ..................................................................................... 67
3.2.4.1 CONSUMOS EN EL LMS. ................................................................................... 67
3.2.4.2 CONSUMOS EN EL LMB. ................................................................................... 69
3.2.5 LEVEL MONITORING BASE (LMB). ........................................................................ 71
3.3 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO .................................................................. 75
3.3.1 CONSTRUCCIÓN DEL SENSOR CAPACITIVO. ............................................................ 75
3.3.2. DISEÑOS PCB THROUGH-HOLE. .......................................................................... 79
3.3.3 SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN. ................................................................................ 86
3.3.4 SISTEMAS DE VISUALIZACIÓN Y ALERTA. ................................................................. 89
3.4 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ............................................ 92
4. INTERFAZ LMB - PC ................................................................................................ 95
5. ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................. 101
6. CONCLUSIONES ................................................................................................... 105
7. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 107
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 109
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1 - Sensores de nivel ......................................................................................... 26
Figura 2 - Funcionamiento sensor capacitivo ................................................................ 28
Figura 3 - Módulo Xbee-Pro XSC .................................................................................. 31
Figura 4 - Módulo Xbee-Pro 900 ................................................................................... 31
Figura 5 - Matriz de Calidad .......................................................................................... 48
Figura 6 - Diseño conceptual del dispositivo ................................................................. 52
Figura 7 - Configuración de fuses del Atmega328P ...................................................... 55
Figura 8 - Partes funcionales del LMS .......................................................................... 57
Figura 9 - Área de carga condensador cilíndrico ........................................................... 58
Figura 10 - Circuito básico para la configuración del LM334 ......................................... 59
Figura 11 - Gráfica caracterización sensor pequeño ..................................................... 61
Figura 12 - Gráfica caracterización sensor grande ........................................................ 61
Figura 13 - Xbee Explorer USB y Maxstream ................................................................ 64
Figura 14 - Configuración firmware usando el X-CTU ................................................... 65
Figura 15 - Configuración módulos Xbee desde X-CTU ................................................ 65
Figura 16 - Partes funcionales del LMB......................................................................... 71
Figura 17 - Condensador Cilíndrico ............................................................................... 75
Figura 18 - Sensor pequeño (prototipo)......................................................................... 76
Figura 19 - Acondicionamiento de capacitancia para el sensor ..................................... 77
Figura 20 - LMS con display .......................................................................................... 80
Figura 21 - LMS sin display ........................................................................................... 81
Figura 22 - Diagrama Pictórico del LMS de prueba ....................................................... 82
Figura 23 - Diagrama Pictórico del LMS versión final .................................................... 82
Figura 24 - Foto LMS terminado.................................................................................... 83
Figura 25 - Foto acople LMS y Kit Solar ........................................................................ 83
Figura 26 - Diseño esquemático LMB ........................................................................... 84
Figura 27 - Diagrama Pictórico de la board de prueba .................................................. 84
Figura 28 - Diseño Pictórico del LMS versión final ........................................................ 85
Figura 29 - Foto LMS terminado.................................................................................... 85
Figura 30 - Wireless Sensor Node Solar Kit .................................................................. 86
Figura 31 - Diagrama esquemático etapa regulación LMB ............................................ 87
Figura 32 - Diseño Pictórico de la etapa de regulación ................................................. 88
Figura 33 - LMB con etapa de regulación...................................................................... 88
Figura 34 - Diagrama esquemático circuito semáforo ................................................... 89
Figura 35 - Diseño Pictórico del circuito semáforo ........................................................ 89
Figura 36 - Circuito semáforo terminado ....................................................................... 90
Figura 37 - Señal PWM para buzzer ............................................................................. 90
Figura 38 - Tarjeta para interfaz USB / UART FTDI ...................................................... 95
Figura 39 - Solicitud de la ruta destino .......................................................................... 97
Figura 40 - Solicitud del COM ....................................................................................... 97
Figura 41 - JTable (Historial) ......................................................................................... 98
Figura 42 - Archivos .txt (registros) ............................................................................... 98
Figura 43 - JChart, TimeSeries ..................................................................................... 99
Figura 44 - Menú item Acerca de... ............................................................................... 99
Figura 45 - Resultado pantalla principal ...................................................................... 100
Figura 46 - Icono del ejecutable .................................................................................. 100
Figura 47 - Foto prototipo final con sensor pequeño ................................................... 102
Figura 48 - Gráfica generada por la interfaz ................................................................ 103
LISTADO DE CUADROS
Cuadro 1 - Descripción diagrama de flujo pronósticos hidrológicos ............................... 43
Cuadro 2 - Ordenamiento jerárquico de necesidades ................................................... 46
Cuadro 3 - Establecimiento de métricas ........................................................................ 47
Cuadro 4 - Evaluación tipos de sensor .......................................................................... 49
Cuadro 5 - Evaluación tecnologías Sistemas de Alimentación ...................................... 49
Cuadro 6 - Evaluación tecnologías comunicación ......................................................... 49
Cuadro 7 - Evaluación tecnologías procesamiento de datos ......................................... 50
Cuadro 8 - Evaluación tecnologías Tipos de Alerta ....................................................... 50
Cuadro 9 - Evaluación tecnologías visualización ........................................................... 50
Cuadro 10 - Evaluación tecnologías Interfaz ................................................................. 51
Cuadro 11 - Caracterización Sensor pequeño............................................................... 60
Cuadro 12 - Caracterización sensor grande .................................................................. 60
Cuadro 13 - Características principales XBEE .............................................................. 64
Cuadro 14 - Configuración básica de los módulos ........................................................ 66
Cuadro 15 - Detalle trama del mensaje ......................................................................... 66
Cuadro 16 - Relación de consumos LMS ...................................................................... 67
Cuadro 17 - Especificaciones batería y panel solar ....................................................... 69
Cuadro 18 - Relación consumos en el LMB .................................................................. 70
Cuadro 19 - Especificaciones de los sensores .............................................................. 76
Cuadro 20 - Relación toma de muestras para cálculo de error ...................................... 78
Cuadro 21 - Especificaiones técnicas kit solar .............................................................. 87
Cuadro 22 - Relación de costos prototipo ..................................................................... 92
Cuadro 23 - Costos adicionales cargados al prototipo .................................................. 94
Cuadro 24 - Características técnicas del prototipo completo ....................................... 101
LISTADO DE DIAGRAMAS DE FLUJO
Diagrama de flujo 1 - Estructura pronósticos hidrológicos ............................................. 42
Diagrama de flujo 2 - Level Monitoring Station .............................................................. 53
Diagrama de flujo 3 - Level Monitoring Base ................................................................. 54
Diagrama de flujo 4 - Programa prueba No.1 ................................................................ 63
Diagrama de flujo 5 - Programa LMB ............................................................................ 74
Diagrama de flujo 6 - Programa para la interfaz ............................................................ 96
LISTADO DE ANEXOS
Anexo A - Manual de Usuario ..................................................................................... 113
GLOSARIO
ADMITANCIA: Magnitud física que indica la facilidad de paso de corriente en un
circuito. Es la inversa de la impedancia y su unidad son los Siemens.
CAPACITANCIA: es la razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los
conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos.
CUENCA: Territorio en donde las aguas desembocan en un mismo río, lago o mar.
DESASTRE: Se denomina desastre a todo evento que provoque daños graves o
cambios en las condiciones normales de la vida en una determinada zona geográfica.
DIAGRAMA PICTÓRICO: Es la representación a manera de dibujo de un circuito
eléctrico y sus componentes con su apariencia física real.
DIELÉCTRICO: Material que es poco conductor pero que no es totalmente aislante. a
través de este material se puede inducir un campo eléctrico.
FENÓMENO HIDROLÓGICO: Son aquellos desastres relacionados con el agua en
cualquiera de sus estados, entre ellos se consideran las inundaciones y las sequías.
FUENTE DE CORRIENTE: Es la que suministra una intensidad de corriente constante
sin depender del valor de la tensión o de los otros elementos conectados al circuito.
INTERFAZ: Se refiere a un espacio donde pueden interactuar dos sistemas totalmente
separados. También se refiere al medio por el cual una máquina puede interactuar con
un usuario.
LDO: En ingles siglas de Low-DropOut se refiere a una característica de los
reguladores de voltaje que requieren muy poca diferencia de voltaje entre sus
terminales de entrada y la salida.
LMB: En inglés, las siglas de Level Monitoring Base. En este proyecto, es el nombre del
bloque que tiene como función alertar y monitorear.
LMS: En inglés, las siglas de Level Monitoring Station. En este proyecto, es el nombre
del bloque que tiene como función realizar la medición de la variable nivel del río.
MICROCONTROLADOR O µC: Circuito lógico programable, que ejecuta las ordenes
guardadas en su memoria, en su interior cuenta con una CPU, memoria, y periféricos
de entrada/salida.
OMNIDIRECCIONAL: Con referencia a los tipos de radiación de ondas que un sistema
capta o emite, omnidireccional indica que es en todas las direcciones es decir en 360º
teniendo como centro el emisor o el receptor.
RADIOFRECUENCIA O RF: Es la porción menos energética del espectro
electromagnético, está situado entre unos 3KHz y unos 300GHz.
TELEMETRÍA: Permite la medición remota de magnitudes físicas y su posterior envío
hacia un operador.
X-CTU: Software de Digi, creado para configurar y probar los módulos Xbee.
ZÓCALO: Dispositivo, ranura o conexión que se utiliza para instalar los componentes
eléctricos en un circuito.
13
RESUMEN
En Colombia existen entidades que tienen como objetivo monitorear algunos de
los fenómenos hidrológicos que más afectan el país, ya que en los últimos años
estos han perjudicado gravemente a la población. Por esta razón, se han
implementado estaciones que detectan automáticamente estos fenómenos y que
alertan de manera remota al centro de monitoreo ante cualquier emergencia.
En este proyecto de grado, se busca proponer una alternativa a los sistemas
actuales que utilizan comunicación satelital y sensores de alta gama, con el fin de
reducir los costos de instalación e implementación, teniendo presente mejorar la
prestación del servicio que reciben los usuarios.
La propuesta consiste en diseñar un prototipo integrando un sensor de nivel,
energía solar y comunicación por radiofrecuencia, que transmita la información de
forma inalámbrica a un receptor ubicado directamente en la comunidad que
requiere este servicio de alerta y monitoreo, esto permitirá que en esta zona, se
tenga acceso a una estación que indique constantemente el nivel del río por medio
de una interfaz que integra una gráfica, una tabla de registros y almacenamiento
de los datos en el computador, de esta manera los usuarios tienen la posibilidad
de decidir qué medidas tomar con respecto a la información recibida.
Además de esto, en la estación se incluye un sistema de visualización de la alerta
por medio de un indicador estilo semáforo, es decir que gradualmente cambia el
color según sea el grado de la alerta, cuando el nivel sea alto, el sistema
encenderá unos leds rojos y emitirá un sonido a manera de alarma.
Esta investigación logra integrar varias tecnologías para dar solución a una
necesidad que cada vez se hace más evidente en el país y en el mundo, gracias a
su diversidad en cuanto a los métodos para alertar y monitorear considerando que
todas las poblaciones no poseen las mismas características.
Palabras Clave: Telemetría, Monitoreo, Alarma, Prevención, Hidrología, Desastre.
14
INTRODUCCIÓN
Los cambios en las condiciones climáticas, actualmente preocupan mucho al
hombre, ya que son factores incontrolables y que pueden generar desastres de
grandes magnitudes, sin embargo, estos eventos se pueden registrar y monitorear
para preparar a los que serían los afectados ante cualquier cambio radical de
dicho fenómeno. Por lo tanto, específicamente, ante las amenazas de carácter
hidrológico, se requiere especial atención al comportamiento de los ríos, ya que
durante la temporada de lluvias, estos suelen crecer a veces inesperadamente,
trayendo como consecuencias inundaciones impredecibles que a su vez provocan
tanto pérdidas de vidas humanas como pérdidas económicas, entre las
comunidades que habitan en las cercanías de dichos ríos.
Por lo tanto, en el marco de la Ley 46 de 1988, el congreso de Colombia, crea el
Sistema Nacional para la Prevención y Atención de Desastres en donde se
estipulan todos los lineamientos, los encargados, las fases del proyecto, los
factores a tener en cuenta frente a un desastre, entre otras consideraciones
importantes de responsabilidad social.
Adicionalmente, en el decreto 919 de 1989, la Presidencia de la Republica,
organiza el Sistema Nacional para la Prevención y Atención de Desastres en
donde incluye entre los integrantes y directos responsables a entidades como
CONRED1, CREPAD2, CLOPAD3, CVC4, entre otros, que son los principales
encargados de desarrollar estrategias para minimizar al máximo las
consecuencias de los desastres, por lo que han desarrollado distintos dispositivos
con los cuales monitorear y sensar dichas variables, con relación a las
inundaciones, evalúan el nivel del rio con el fin de mantener informados y alertar
con tiempo a las comunidades directamente implicadas. En este decreto también
se define el Sistema integrado de Información (Art. 7), los Sistemas y Equipos de
Información (Art. 10) y los Sistemas de Alarma y de Comunicaciones, que fueron
tomados en cuenta al momento de establecer algunas características del proyecto.
Por otra parte, también se debe considerar el Decreto 93 de 1998, expedido por el
Presidente de la República, teniendo en cuenta la ley y el decreto mencionados
1 Coordinadora Nacional para la Reducción de Desastres 2 Comité Regional de Prevención y Atención de Desastres 3 Comité Local de Prevención y Atención de Desastres 4 Corporación autónoma del Valle del Cauca
15
anteriormente, en el artículo 7 se decreta y se describen los programas que el
Sistema Nacional para la prevención y atención de desastres debe ejecutar, entre
ellos el programa para el conocimiento sobre riesgos de origen natural, en donde
se contempla: ―Instalación y consolidación de redes, procedimientos y sistemas de
detección y alerta para la vigilancia y aviso oportuno a la población. […]. Se deben
instalar redes de monitoreo y alerta de cuencas de régimen torrencial y de zonas
inestables de ladera‖. Esto quiere decir que no solo los grandes ríos deben ser
monitoreados sino también aquellos que aunque pequeños sean de riesgo para la
comunidad.
En Colombia, se comenzó el monitoreo de variables en los ríos de manera
manual, ―De acuerdo con el ―Protocolo para la emisión de los pronósticos
hidrológicos‖ la red hidrológica específica con fines de alertas hidrológicas tuvo su
inicio en el año 1976 con la asesoría de la Agencia Canadiense para el Desarrollo
Internacional (ACDI). El sistema funcionaba a través de radios localizados en
algunas estaciones hidrológicas y de allí la información era transmitida por el
observador a centros regionales o áreas operativas, para posteriormente
retransmitirla al centro nacional de comunicaciones vía radio o teléfono a la oficina
central del Instituto de Hidrología, Meteorología y Adecuación de Tierras (HIMAT)
en Bogotá.‖ (IDEAM, Instituto De Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales,
2008)
Sin embargo, estos sistemas manuales no eran muy exactos ya que incluían en
gran medida los errores de carácter humano, dificultades en la comunicación, sin
contar que tal vez al momento de realizarse la toma de los datos ya fuera
demasiado tarde; Al revisar todos estos factores, se requirió poco a poco ir
automatizando los sistemas de medición ya sea en los sensores, en la
comunicación u otros factores. De manera general y estándar, todos los sistemas
automáticos deben cumplir con una cantidad mínima de elementos ―El sistema
deberá contar con dispositivos de monitoreo remoto, alimentación autónoma,
transmisión de información, almacenamiento en doble sitio y procesamiento
semiautomático, pudiendo ser revisada la información desde cualquier equipo con
acceso a Internet.‖ (CONRED, 2010)
Sin ser una camisa de fuerza, lo anterior es un esquema general sobre el cual se
pueden realizar cambios conservando el mismo principio ya que sobre cada
componente del sistema hay diferentes opciones que pueden ser implementadas
según las necesidades, es decir, consideraciones sobre el río a monitorear, los
costos del sistema, las comunidades que requieren ser alertadas. ―Actualmente, la
16
red de estaciones automáticas, que opera el IDEAM5 con transmisión vía satélite,
tiene una cobertura nacional, y está diseñada básicamente para cubrir los grandes
ríos del país, principalmente el Magdalena, – Cauca y Catatumbo; su objetivo
principal es alertar a las poblaciones ribereñas sobre la probabilidad del aumento o
disminución de los niveles del agua‖ (Ministerio de Ambiente, Vivienda y
Desarrollo Territorial, IDEAM, 2007). Los sistemas tanto de monitoreo manual
como automático, han sido implementados por diversas entidades que pueden ser
del gobierno o privadas con el fin de difundir a más personas esta información y
tener un cubrimiento completo del país.
Con referencia a lo dicho anteriormente, en el presente documento se propone un
desarrollo como respuesta a la siguiente pregunta problema: ¿Cómo integrar
tecnologías para construir un equipo de bajo costo que informe de manera efectiva
y en tiempo real los cambios de nivel de los ríos a los principales perjudicados en
caso de inundaciones buscando disminuir las pérdidas humanas y económicas
presentadas en dicha zona?
Considerando que en Colombia actualmente ya hay cierto camino recorrido en
este tema, se busca que tomando como punto de referencia estos equipos ya
implementados, diseñar un equipo que sea principalmente de bajo costo, que esté
al alcance de los usuarios, y que ellos mismos sean el centro de acopio de la
información sobre el nivel del río de interés, sin dejar de lado la calidad en cuanto
a la veracidad de los datos entregados al usuario. También se toman en cuenta
las necesidades resaltadas por los habitantes de las comunidades que están en
riesgo para el diseño de este prototipo y que lo usuarios se sientan conforme con
él.
La construcción de este sistema se lleva al acabo siguiendo un método que facilita
su construcción, el diseño concurrente brinda la facilidad de desglosar las
necesidades de los usuarios en métricas para así escoger los dispositivos
necesarios buscando que el sistema tenga un buen funcionamiento. Teniendo
como resultado el prototipo completo.
5 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales
17
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Durante la primera temporada de lluvias del 2012 en el Valle del Cauca, se
registraron un total de 56.000 personas damnificadas según el Comité Regional
para la Prevención y Atención de Desastres6, debido a que por esta temporada,
los ríos y pequeñas cuencas crecen inesperadamente, produciendo inundaciones,
sin contar las pérdidas que se generan por los deslizamientos y obstrucción de las
carreteras.
Debido a lo anterior, cada día se despierta más la preocupación por resolver las
consecuencias de las inundaciones, por lo tanto es importante también enfocarse
en las medidas preventivas que han tomado las entidades gubernamentales y que
tan efectivas han resultado hasta el momento.
Y aunque existen equipos que proporcionan información sobre el comportamiento
y la tendencia del nivel de los ríos, por problemas de comunicación entre estas
entidades y las comunidades rivereñas en algunos casos no se notifica
oportunamente un posible riesgo de inundación.
1.2 HIPÓTESIS DEL PROBLEMA
Si se lograra integrar tecnologías para diseñar un equipo que tenga como objetivo
principal reducir los costos de elaboración de equipos de alerta y monitoreo que
existen actualmente mejorando el servicio en cuanto a la gestión de la información
sobre el comportamiento del nivel de un río en específico, entonces se podría
prevenir en mayor porcentaje las pérdidas materiales ocasionadas por las
inundaciones que se presenten en una zona determinada.
6 Corresponsales y Redacción periódico el país. Santiago de Cali, Abril 24 de 2012
18
1.3 JUSTIFICACIÓN
Con el panorama ya descrito, se observa que en algunas zonas donde hay
pequeñas cuencas, aún no se cuenta con un equipo que realice acciones de alerta
temprana y monitoreo del comportamiento del nivel de los ríos. Este sistema que
se quiere desarrollar, debe ser automático, telemétrico y con tecnologías
apropiadas para lograr una buena comunicación e información del comportamiento
del nivel. Este proyecto alertaría a las comunidades ubicadas en zonas ribereñas y
todos los interesados sobre la tendencia del desbordamiento o de una sequía de
un rio, ofreciendo la posibilidad de que las personas tomen medidas preventivas.
Además de contribuir a la sociedad, se busca reducir los costos actuales en la
adquisición de los equipos de monitoreo que realizan alarmas preventivas, ya que
los construidos o adquiridos por las organizaciones en pro de solucionar pérdidas
por las inundaciones tienen un valor alrededor de 8 a 10 millones de pesos,
mejorando también el tiempo que se transmite la información desde la estación
remota hasta la base que recopila los datos, el proceso actualmente dura
aproximadamente 4 horas y aunque no tiene costo, solo se deben seguir unos
protocolos que requiere la NOAA7 para que le asignen espacio en el mismo.
(Ramírez, 2012.)
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo General
- Diseñar y construir un sistema electrónico inalámbrico de alerta temprana y
monitoreo del comportamiento del nivel de los ríos que sea de bajo costo.
1.4.2 Objetivos Específicos
- Precisar la zona en donde se realizará el estudio el comportamiento de
nivel de los ríos.
- Decidir los sensores más apropiados para detectar el nivel de los ríos.
- Determinar el esquema general en donde se involucre la integración de los
elementos.
7 NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION
19
- Definir la forma por el cual el sistema va a obtener su energía para su
funcionamiento.
- Limitar el tipo de comunicación que se va a proponer para enviar la
información desde el punto remoto hacia el centro de control.
- Escoger el medio por el cual se va a alertar la zona en peligro.
- Diseñar y construir el equipo prototipo.
- Realizar pruebas para validación del sistema determinando limitaciones.
- Redactar un artículo con los resultados obtenidos de la investigación y un
manual para el usuario.
20
21
2. MARCO DE REFERENCIA
Actualmente la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC) es una
de las principales responsables para ejecutar el monitoreo del nivel de los ríos en
el departamento, esta entidad cuenta con 5 sistemas que se describen a
continuación (Ramírez, 2012.):
1. Forma convencional, manual, escala limnimetrica (error 1%), con
observador en campo y con planilla para tomar lectura 3 veces al día
(7:00am, 1:00pm y 6:00pm) en la mayoría de las estaciones, hay algunas
que solo se realiza 1 medida al día.
2. Forma semiautomática, SDR (State Date Recorder), sensor de
desplazamiento flotador-contrapeso, este sistema no cuenta con
transmisión inalámbrica de los datos, solo con grabación en sitio.
Precio: $4.000.000.
3. Forma automática, Shaft Encoder (Sensor de desplazamiento flotador-
contrapeso) el cual está conectado a una unidad de trasmisión vía satélite
que trasmite a un centro de control en Cali. El nivel se lee cada 15min,
30min, 60min, dependiendo de la corriente del río (error 0.001m).
Precio: $3.500.000.
4. Forma automática, Sensor de Radar ( Radar Level Recorder) al igual que el
sistema 3, cuenta con trasmisión vía satélite. Precio: $9.000.000.
5. Forma automática, Sensor de presión sumergible, al igual que el sistema 3,
cuenta con trasmisión vía satélite. Precio: $8.000.000.
Los equipos que utilizan comunicación satelital, utilizan el satélite GOES que les
asigna un espacio cada 4 horas para la trasmisión de los datos recolectados.
A nivel nacional, y como proyectos emprendedores, en el TecnoParque del SENA
Vladimir Rubio Acosta, creó el “Sistema de monitoreo de ríos por medio de
ultrasonido”, como respuesta a una problemática evidente en la región. (Ministerio
de Educación, 2010)
Y esta problemática no solo se presenta en nuestro país, sino también a nivel
mundial, por ejemplo en Guatemala, donde se instaló el “Sistema de Alerta
Temprana de la cuenca del río Coyolate”, que desde 1996 ya cuentan con un
sistema para este río pero de manera manual, pero que está en continuo
22
mejoramiento, ahora estableciéndolo como equipo automático. ―Las estaciones a
implementarse se dividen, principalmente, en estaciones de monitoreo y de
alertamiento. Las estaciones de monitoreo estarán configuradas dependiendo de
las variables que vaya a registrar y el aporte que haga para el análisis del evento‖
(Secretaría ejecutiva coordinadora nacional para la reducción de desastres
departamento de desarrollo sostenible de la organización de Estados Americanos,
2010), este sistema cuenta con alerta automatizada, audible y visible, modem para
comunicación GSM/GPRS con conector RS-232, antena GSM, módulo de
alimentación solar, acumulador de energía con salida a 12V, encapsulado NEMA 4
para exteriores (para el modem y la estación meteorológica). El presupuesto para
un equipo de estos es de US $2,496.45 c/u.
Estos son solo algunos ejemplos de los sistemas ya implementados, por lo tanto
se observa que es de gran importancia, encontrar las tecnologías adecuadas para
diseñar y construir un sistema de estos que a su vez sea de bajo costo
permitiendo la facilidad para su adquisición por parte de los clientes.
2.1 MARCO CONCEPTUAL
2.1.1 Nivel.
Según el Protocolo de monitoreo y seguridad (Ministerio de Ambiente, Vivienda y
Desarrollo Territorial, IDEAM, 2007), Se denomina nivel del agua en una corriente
(río, quebrada, arroyo, caño) o en un cuerpo de agua (ciénaga, lago, laguna,
embalse), a la elevación o altura de la superficie del agua en un punto
determinado, el cual está ligado topográficamente a un origen de referencia
identificado con una cota arbitraria o al nivel medio del mar. Con este dato es
posible realizar las medidas necesarias para llevar a cabo una alerta temprana de
inundación o una alerta de sequía según sea el valor del nivel del río y con esto
optimizar el uso de los recursos hídricos de la cuenca en cuestión.
2.1.2 Hidrología.
Desde hace mucho tiempo se ha tenido la necesidad de medir el comportamiento
físico del agua en reposo o en movimiento. Es por ello que la humanidad ha
desarrollado dispositivos que registran variables medibles del agua.
23
La hidrología es una ciencia enfocada al estudio de las propiedades del agua, su
distribución sobre la tierra, incluyendo fenómenos hidrológicos como
precipitaciones, escorrentía entre otros.
Los estudios hidrológicos son importantes para conocer el comportamiento
hidrológico de un río, arroyos o lagos, para establecer áreas vulnerables a los
desastres de este tipo como desbordamientos, grandes inundaciones, crecidas
inesperadas.
Entre los tipos de hidrología, se encuentra la hidrometría que se centra en la
medición de variables hidrológicas, usando adecuadamente instrumentos de
medición en puntos estratégicos que sean propensos a estos fenómenos, además
incluye la correcta interpretación de estos datos para obtener calidad en la
información obtenida.
En un monitoreo hidrológico común se observan 3 características:
Niveles
Caudales
sedimentos
Por lo tanto el proyecto a desarrollar tendría solo un propósito que es la medición
de niveles de aguas superficiales.
Para obtener los datos de una manera más precisa y siempre reportar un
comportamiento acertado hay que hacer una observación de los niveles en las
distintas épocas hidrológicas, es decir, en temporadas húmedas, secas e
intermedias, se recurre a este prototipo que es un equipo automático digital el cual
va a generar, en el primer caso, una gráfica que relaciona hora y nivel, y en el
segundo caso una tabla con registros digitales, que posteriormente se interpretan
a través de señalizaciones de alerta.
2.1.3 Métodos de adquisición y transmisión de datos.
La forma más fácil y utilizada actualmente en Colombia que es de muy bajo costo
e imprecisa, es la toma de datos con instrumentos que dependen de un
observador, estos pueden ser flotador, sonda o limnígrafos. Estas lecturas se
hacen en horas fijas en el día y son establecidas o estandarizadas por la OMM8.
8 Organización Meteorológica Mundial
24
Si se requiere mucha más precisión en la medición ya se opta por implementar
equipos automáticos mecánicos o digitales cuyo funcionamiento es tomar datos
para relacionar hora y nivel. Estos métodos se pueden clasificar de la siguiente
manera (Hernández Vidal, 2011):
Manual: En una hora determinada el observador se dirige hasta el instrumento a
medir el nivel instantáneo.
Semiautomática: El instrumento registra cada determinado tiempo el nivel del río;
el observador solo va a recoger los datos concentrados en una memoria o un rollo
de papel.
Automática: El instrumento registra los eventos dependiendo de su intervalo
programado, y en un momento determinado lo transmite a través de algún medio
de comunicación.
2.1.3.1 Aspectos básicos en la transmisión.
El término telecomunicaciones significa transmisión a distancia, y para ello son
necesarios medios de transmisión capaces de transportar la señal eléctrica, en la
que se han convertido los datos, más allá de unos pocos metros, llegando incluso
a cubrir kilómetros. Un sistema de telecomunicaciones se compone de tres
elementos principales (Pierre Nérou, 1991):
El Emisor: sus funciones principales son el transformar en información eléctrica la
información que se transmitirá, modificar esta información eléctrica para que
pueda transmitirse a distancia y transmitir esta información por la vía o canal de
comunicación.
La vía o canal de comunicación: tiene la función de transportar la información
entre el emisor y el receptor. Esta vía de comunicación puede consistir en: hilos
eléctricos, cables coaxiales, guías de ondas, ondas electromagnéticas libres
emitidas por una antena, fibras ópticas, entre otros.
El Receptor: cumple con las funciones inversas a las del emisor: detectar la
información transmitida por el canal de comunicación; transformar esta
información en información eléctrica en información sonora o visual de ser
necesario.
25
2.1.4 Sistemas de alerta.
Básicamente hay que considerar a través de que medio se puede alertar a las
personas de un acontecimiento; para ello se puede resaltar principalmente la
alerta sonora la cual consiste en una bocina o un parlante que emita un sonido a
determinada frecuencia o un mensaje previamente grabado. Adicionalmente es
muy importante considerar el efecto que tienen las alarmas visuales, como lo son
las columnas de señalización, con esto además se pueden indicar los niveles de
alerta que son determinados propiamente por la condición del nivel del rio. Ambas
son importantes y no se reemplazan entre ellas, ya que personas que estén
carentes de los sentidos de la escucha o la visión también tienen manera de
enterarse de la situación.
26
2.2 MARCO TEÓRICO
Para contextualizar más el proyecto con respecto a los dispositivos que pueden
ser usados para su construcción, a continuación se exponen algunos elementos
importantes pertenecientes a cada bloque de desarrollo los cuales principalmente
son:
Sensores, medición del nivel del líquido.
Sistemas de comunicación inalámbricos.
Sistemas de alimentación. Energías alternativas renovables.
Unidad central de procesamiento.
Sistemas de alarma.
Interfaz con el usuario.
2.2.1 Medición del nivel líquido.
En cuanto a sensores se refiere, se cuenta con una variedad para todo tipo de
necesidades, en la Figura 1 se observan los tipos de sensor más utilizados en la
medición de nivel en los ríos.
Figura 1 - Sensores de nivel
FUENTE: (Zanini, 2010)
27
2.2.1.1 Sensor por Desplazamiento (flotador).
Según (IIMPI, 2012) consiste en un flotador ubicado en contacto con el fluido y
conectado al exterior del depósito indicando directamente el nivel sobre una
escala graduada.
Los instrumentos de flotador tienen una precisión de 0,5 %. Son adecuados en la
medida de niveles en estanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, y son
independientes del peso específico del líquido. Por otro lado, el flotador puede
agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que
el líquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse
ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en
el estanque.
2.2.1.2 Sensor Capacitivo.
―Se basa en medir la variación de capacitancia de un condensador cuando va
variando el medio dieléctrico entre sus placas‖ (IIMPI, 2012) . Mide la capacidad
del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes
del tanque (ver Figura 2). La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel
del líquido.
En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del
sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones
superiores.
En fluidos conductores el electrodo está aislado usualmente con teflón
interviniendo las Capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo
en la zona del líquido y del gas. La precisión de los transductores de capacidad es
de ± 1 %.
Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena
resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es
prácticamente ilimitado. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede
afectar las constantes dieléctricas (0,1 % de aumento de la constante dieléctrica /
°C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido puedan adherirse
al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso
de líquidos conductores. (IIMPI, 2012)
28
Figura 2 - Funcionamiento sensor capacitivo
FUENTE: (IIMPI, 2012)
2.2.1.3 Sensor Ultrasónico.
―Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la
recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco
depende del nivel del estanque‖ (IIMPI, 2012).
Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas ondas atraviesan
con cierto Amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se
reflejan en la Superficie del sólido o del líquido.
La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los
tipos de estanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de
explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos
y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida
como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos
de los ultrasonidos.
La utilización de la computadora permite, a través de un programa, almacenar el
perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de
la superficie del líquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de
la medida.
29
2.2.1.4 Conductivímetro.
Según (IIMPI, 2012), consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o
electrónico que es excitado cuando el líquido humedece a estos electrodos. El
Líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito
electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el
líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una
caldera de vapor. La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la
tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las
sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando el líquido humedece los
electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden
de los 2 mA; el relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide
su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación
momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados
enclavados eléctricamente en el circuito.
El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés
eléctricos para líquidos con buena conductividad y relés electrónicos para líquidos
con baja conductividad.
Montado en grupos verticales de 24 o más electrodos, puede complementar los
típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisión del nivel a la
sala de control y a la adición de las alarmas correspondientes.
El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con
la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el
estanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la
corriente debe ser baja para evitar la deterioración del producto. Por otro lado,
conviene que la sensibilidad del aparato Sea ajustable para detectar la presencia
de espuma en caso necesario.
2.2.1.5 Sensor de Radar.
La tecnología de radar ofrece importantes ventajas en la medición de nivel. La
tecnología sin contacto directo y su trabajo a tan altas frecuencias (GHz) requiere
poco mantenimiento, por lo que el radar es una elección rentable.
La tecnología radar es ideal en aquellas aplicaciones de medición de nivel de
líquidos, pastas, lodos, materiales pulverizados y sólidos.
30
Este dispositivo es insensible a: Polvo, Presión, Viscosidad, Vacío, Espuma, y
Humedad.
2.2.2 Comunicación.
Adicionalmente es necesario considerar que los equipos estarán ubicados en
lugares lejanos, para eso se debe utilizar la red inalámbrica, la idea es recibir toda
esa información en una estación de monitoreo, además de recibirla en los lugares
en donde se quiere alertar, así que es necesario una introducción a los sistemas
de comunicación inalámbricos, exceptuando el uso de satélites, ya que la idea del
proyecto se basa en buscar un medio alternativo reemplazando este sistema.
2.2.2.1 Radio frecuencia.
La transmisión de datos mediante enlace inalámbrico está ahora más extendida
que nunca. En el campo de la electrónica no se puede ignorar el inmenso
potencial que tiene en el campo profesional a la hora de resolver problemas de
ingeniería.
Aún para quienes se dedican a la electrónica, la comunicación inalámbrica ofrece
diversas posibilidades en la realización de proyectos no solamente más
interesantes, útiles, versátiles, de fácil uso, y también muy económicos.
En esta integración de tecnologías se podría utilizar los módulos:
XBee Pro 900 XSC RPSMA
El módulo RF XBee-PRO XSC que se observa en la Figura 3 es una solución
inalámbrica que trabaja en la frecuencia de 900MHz, diseñado para tener el
máximo de alcance dentro del mismo empaquetado del XBee. Éste módulo es
capaz de establecer comunicación punto a punto, peer a peer y punto-multipunto.
31
Figura 3 - Módulo Xbee-Pro XSC
FUENTE: (MCI Electronics, 2009)
El XBee-PRO XSC es ideal para soluciones RF donde la penetración y distancia
de transmisión de la radio frecuencia son requerimientos críticos de la aplicación.
Como miembro de la familia de productos RF de XBee, éste módulo es fácil de
usar, comparte el mismo empaquetado, y tiene compatibilidad con las soluciones
de networking de Digi que incluyen Gateways y adaptadores.
Para la aplicación a desarrollar se debe de implementar este módulo agregando
una antena de ganancia muy alta para poder utilizar al máximo la distancia de
transmisión de este módulo que es de 15 millas (24kilometros). (MCI Electronics,
2009)
XBee Pro 900 RPSMA
El módulo RF XBee-Pro 900 observado en la Figura 4 es ideal para aplicaciones
punto a punto y punto a multi-punto de baja latencia. Este módulo es ideal para
aplicaciones que requieren transmisión a grandes distancias.
Figura 4 - Módulo Xbee-Pro 900
FUENTE: (MCI Electronics, 2009)
Como miembro de la familia XBee, el módulo es fácil de usar, utiliza el mismo
conector y es compatible con las soluciones de redes Drop-In que ha desarrollado
Digi incluyendo adaptadores y dispositivos gateway. El módulo puede ser
configurado utilizando comandos AT.
32
La ventaja de utilizar estos módulos es que son muy sencillos de configurar
usando el software que proporciona el fabricante Digi, llamado X-CTU. Este
programa es capaz de configurar cualquier módulo XBee (no importa la Serie) con
los parámetros de funcionamiento deseados dentro de las posibilidades de
configuración del módulo XBee.
Las características que ofrece X-CTU son las siguientes:
• Soporte para todos los productos MaxStream.
• Ventana de terminal integrada.
• Capacidad de descarga y actualización del Firmware del módulo.
• Visualización caracteres ASCII o hexadecimal en la ventana del terminal.
• Composición de paquetes de prueba de envío en ASCII o hexadecimal.
• Guardar y recuperar configuraciones de módulos de uso común.
• Detección automática del módulo conectado.
• Restauración de parámetros del módulo ha estado de fábrica.
• Muestra ayuda de los parámetros de radio.
Para este proyecto se debería implementar un módulo Xbee pero agregando una
antena de ganancia muy alta para poder utilizar al máximo la distancia de
transmisión que puede llegar a ser hasta de 6 millas (10 kilómetros). (MCI
Electronics, 2009).
2.2.2.2 Tecnología GSM y GPRS.
GSM se considera, por su velocidad de transmisión y otras características, un
estándar de segunda generación (2G). Su extensión a 3G se denomina UMTS y
difiere en su mayor velocidad de transmisión, el uso de una arquitectura de red
ligeramente distinta y sobre todo en el empleo de diferentes protocolos de radio
(W-CDMA).
La tecnología GPRS mejora y actualiza a GSM con los servicios siguientes:
Servicio de mensajes multimedia (MMS)
Mensajería instantánea
Aplicaciones en red para dispositivos a través del protocolo WAP
Servicios P2P utilizando el protocolo IP
Servicio de mensajes cortos (SMS)
Posibilidad de utilizar el dispositivo como módem USB
33
2.2.2.3 Tecnologías 3G.
La tecnología 3G es la abreviación de tercera generación de transmisión de voz y
datos a través de telefonía móvil mediante UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System o servicio universal de telecomunicaciones móviles).
Los servicios asociados con la tercera generación proporcionan la posibilidad de
transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica o una video llamada) y datos
no-voz (como la descarga de programas, intercambio de correos electrónicos, y
mensajería instantánea).
Aunque esta tecnología estaba orientada a la telefonía móvil, desde hace unos
años las operadoras de telefonía móvil ofrecen servicios exclusivos de conexión a
Internet mediante módem USB, sin necesidad de adquirir un teléfono móvil, por lo
que cualquier computadora puede disponer de acceso a Internet. Existen otros
dispositivos como algunos ultrapórtátiles (netbooks) que incorporan el módem
integrado en el propio equipo, pero requieren de una tarjeta SIM (la que llevan los
teléfonos móviles) para su uso, por lo que en este caso sí es necesario estar dado
de alta con un número de teléfono.
2.2.3 Energías alternativas renovables.
Se le denomina energías alternativas principalmente a los conceptos conocidos
como energía renovable o energía verde las cuales no implican la quema de
combustibles fósiles, ya que estos combustibles han sido utilizado por muchos
años y décadas los cuales han causado problemas naturales como es el
calentamiento global y la contaminación de la atmosfera. Esta energía
renovable se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la
inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de
regenerarse por medios naturales
2.2.3.1 Energía hidráulica.
Una central hidroeléctrica es aquella que se utiliza para la generación de energía
eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía potencial o cinética de la
corriente del agua, saltos de agua y mareas. Usa la fuerza hídrica sin represarla
(energía verde).
Esta energía se puede transformar a muy diferentes escalas, en pequeñas
explotaciones la corriente del rio mueve un rotor de palas y genera un movimiento
aplicado.
34
La energía eléctrica se produce cuando el agua con cierta energía cinética pasa
por una turbina hidráulica la cual transmite la energía mecánica a un alternador o a
un dinamo él cual la convierte en la energía eléctrica.
La pico-hidroeléctrica es generada mediante el uso de turbinas hidráulicas con una
potencia no mayor a los 5KW, permitiendo así el aprovechamiento de pequeñas
fuentes de agua como riachuelos; Comúnmente usado en viviendas rurales, ya
que requiere de una baja inversión. (Jayr, 2012)
Ventajas de la pico-hidroenergía:
No requiere represas o embalses.
La turbina se puede fabricar en un taller local.
Como generador puede usarse un motor de inducción trifásico.
Costos relativamente bajos comparados con otras tecnologías.
Desventajas de la pico-hidroenergía:
Depende principalmente del caudal del rio o riachuelo.
2.2.3.2 Energía eólica.
En la actualidad, con esta energía se busca la generación de electricidad libre de
polución y se ha convertido en otra alternativa atractiva de energías renovables.
Los aerogeneradores son los que hacen posible que gracias al viento se pueda
obtener energía eléctrica.
Desventajas: Altos costes de inversión, condicionada por las condiciones
climatológicas de la región
―Una aplicación interesante de la energía eólica son los pequeños
aerogeneradores de potencia hasta 50 kW destinados a abastecer de energía
eléctrica a edificaciones aisladas, sin conexión a la red. Estos pequeños
aerogeneradores se utilizan combinados con paneles fotovoltaicos para generar
energía eléctrica de origen renovable, aunque es necesario el apoyo de un
generador diesel en los momentos de climatología adversa‖ (Blanco Silva, 2004)
También existen aplicaciones que requieren baja potencia, por lo tanto se habla de
energía mini-eólica que englobaría los aerogeneradores entre 1 y 100KW
Ventajas:
35
Permite el suministro de electricidad en lugares aislados y alejados de la
red eléctrica.
Genera energía de manera distribuida (Microgeneración distribuida)
reduciendo de este modo las pérdidas de transporte y distribución.
Produce electricidad en los puntos de consumo, adaptándose a los
recursos renovables y a las necesidades energéticas de cada lugar.
Puede combinarse con fotovoltaica en instalaciones híbridas.
2.2.3.3 Energía solar fotovoltaica.
La energía solar emplea un generador fotovoltaico, el cual está conformado por un
módulo solar, una batería y un sistema electrónico para controlar la carga y
descarga de la batería (Oyola, Arredondo, & Gordillo, 2008)‖. Estos paneles
solares se construyen principalmente de silicio dopado para provocar una reacción
interna que hace que las cargas se muevan generando así una pequeña diferencia
de potencial en sus extremos.
En los programas de electrificación rural, el sistema convencional para hogares
aislados ha constado de un panel solar de 50 a 70 Wp, una batería entre 60 y 120
Ah y un regulador de carga.
Colombia se encuentra en una zona compleja de la cordillera de los Andes en
donde los climas cambian frecuentemente. La radiación media es de 4.5 kWh/m2,
y el área con mejor recurso solar es la Península de la Guajira, con 6kWh/m2 de
radiación
En Colombia se podría generar en mayor escala en las zonas del Magdalena, La
Guajira, San Andrés y Providencia.
Este tipo de energía se utiliza generalmente en aplicaciones que impliquen la
generación de electricidad a pequeña escala.
Ventajas de la energía solar:
- Naturaleza inagotable, renovable y su utilización libre de polución.
Desventajas de la energía solar:
- Baja densidad de potencia, naturaleza intermitente (por el clima variable) y su
variabilidad fuera del control del hombre.
- Los valores es que la variación mensual de la radiación global frente a la
media anual es pequeña comparada con las variaciones de otras regiones del
36
mundo, lo que permite que los sistemas de acumulación de energía sean de
capacidad reducida.
2.2.4 Unidad Central de Procesamiento.
2.2.4.1 Microcontroladores ATMEL.
Microcontroladores AVR grandes con memoria flash programable de 4 a 256 Kb,
encapsulados de 28 a 100 pines, con conjunto de instrucciones extendido
(multiplicación y direccionamiento de programas mayores) y amplio conjunto de
periféricos.
ATmega328P (Atmel Corporation, 2009)
Microcontrolador con 32KB de memoria Flash para programa
1KB de memoria EEPROM
2KB de memoria SRAM
23 pines de entrada salida
Operación hasta 20MHz.
contadores de 8 bits y 1 contador de 16 bits
USART serial programable, interface serial SPI
6 canales PWM
6 canales ADC de 10 bits
Voltaje de operación de 1.8 a 5.5V
Empaque 28-DIP (angosto)
Usado en el kit de desarrollo ARDUINO
ATmega640 (Atmel Corporation, 2009)
Microcontrolador con 64K de memoria Flash para programa
4K de memoria EEPROM
8K de memoria SRAM
Operación hasta 16MHz
86 I/O programables
2 Contadores de 8 bits y 4 contador de 16 bits
4 USART serial programable
interface serial SPI
4 canales PMW 8 bits y 12 canales PWM con resolución programable de 2
a 16 bits
37
8 canales ADC de 10 bits
Voltaje de operación de 1.8V a 5.5V.
Empaque TQFP 100 pines
2.2.4.2 Microcontroladores Microchip.
PIC 16F877A (Microchip Technology Inc., 2003)
8K de memoria Flash
368 bytes de memoria RAM
256 bytes de memoria EEPROM
33 I/O programables
2 contadores de 8 bits y 1 contador de 16 bits
1 USART
2 canales PWM
8 canales ADC de 10 bits
Voltaje de operación de 2.0V a 5.5V
Empaque QFN/ PDIP/ TQFP / PLCC
40/44 pines
2.2.5 Sistemas de alarma.
2.2.5.1 Columnas de señalización.
Permite ver desde gran distancia y avisa de anomalías durante el funcionamiento
del equipo.
En caso de anomalía, se encienden los señalizadores ópticos y algunos
dispositivos inalámbricos GSM envían un aviso de alarma por SMS a un móvil
específico. Así se minimizan los tiempos de vigilancia del dispositivo.
Ventajas:
Selección entre los elementos luminosos y acústicos con diferentes
funciones: luz permanente, intermitente, de flash y omnidireccional, zumbador y
sirena
Elementos luminosos con LEDs de vida útil muy larga
Colores diversos: rojo, amarillo, verde, blanco o azul
38
2.2.5.2 Sonoras.
Con alarmas sonoras, se puede alertar a la comunidad el grado de peligro actual,
en caso de que no esté una persona constantemente vigilando el estado de la
columna de señalización.
2.2.6 Interfaz sistema-usuario.
Se debe tener en cuenta, que para que el usuario se sienta conforme con el
sistema y de alguna manera pueda ver el comportamiento del rio de forma
dinámica y gráfica, se debe crear un ejecutable para un sistema operativo como
Windows, para esto se debe considerar que el sistema desarrollado debe estar
comunicado con la zona habitada a la rivera del rio por medio de comunicación
inalámbrica ya tratada anteriormente.
Por lo tanto, se requiere una visualización dinámica y obtener gráficas que ilustren
activamente el comportamiento del rio, mostrando también los niveles de peligro y
la estimación de los tiempos en que se puede llevar a cabo una subida drástica del
mismo. Esta interfaz solo estará instalada máximo en dos lugares estratégicos en
las zonas habitadas de la orilla de los ríos o zonas que tenga peligro de
inundación. Estos lugares y/o personas que se encarguen de la visualización,
tendrán actualización de la información constantemente para detectar cualquier
cambio que presente el rio. Para lo cual se requiere como mínimo un computador
que tenga una capacidad normal de correr el ejecutable creado y puertos USB
para recibir la información de los módulos de radio frecuencia.
Otra de las opciones y esto depende de los requerimientos de los usuarios en
cuanto a los medios de comunicación que puede tener el sistema para lograr una
visualización importante del comportamiento del río es crear un hosting en internet
el cual pueda ponderar los cambios del rio monitoreado de tal manera que
cualquier persona que se interese por esta información la pueda ver accediendo a
la web.
39
2.3 MARCO METODOLÓGICO
Este proyecto es de carácter investigativo-aplicativo con enfoque experimental,
para su desarrollo, los autores se apoyan en la metodología de la ingeniería
concurrente.
2.3.1 Descripción del diseño concurrente.
Es una metodología en donde se busca la integración simultánea de las unidades
de desarrollo en el diseño de productos y procesos. Este trabajo paralelo, tiene
como ventaja la mejora continua, la reducción en los tiempos de diseño e
implementación del producto o proyecto. ―El principio básico que plantea el
esquema metodológico implementado en el proyecto, es evitar los ciclos
repetitivos en el proceso de diseño y desarrollo de productos‖ (Centro de Diseño y
Desarrollo Integrado DuooUC, 2002). De esta manera, se concreta el diseño en
las primeras partes del proyecto, considerando todos los elementos implicados,
reduciendo posteriores retrasos por modificaciones que se podrían generar en el
proceso de desarrollo.
También es llamada ingeniería simultánea, ingeniería cooperativa, diseño
integrado de procesos y productos, diseño concurrente, etc., ya que involucra
valores de equipo, como la cooperación, la confianza y el intercambio de ideas, en
donde cada unidad participa de forma activa, integrando de igual manera la
opinión del cliente o de los usuarios, garantizando que será un proceso aceptado y
acorde a las necesidades planteadas originalmente.
―La ingeniería concurrente, reemplaza el enfoque tradicional secuencial de diseño
y fabricación de producto por un enfoque simultáneo en paralelo, con menos
procesos vinculados en serie‖ (Builes Gómez, 2010).
La ingeniería concurrente (IC) cuenta con fundamentos básicos importantes
reunidos en tres categorías que son: principios, componentes y beneficios.
2.3.1.1 Principios de la ingeniería concurrente.
Son ―las características generales que de modo transversal imprimen su sello en
cada uno de los procesos de la organización‖ (Builes Gómez, 2010). Como el
trabajo organizado, el trabajo en equipo y la colaboración de diferentes secciones
de conocimiento.
40
2.3.1.2 Componentes de la ingeniería concurrente.
―Son las características que esta disciplina aporta a cualquier proceso que vaya a
ser desarrollado dentro del entorno empresarial.‖ (Builes Gómez, 2010). Las tres
centrales son el Inicio multidisciplinario que reúne a las diferentes unidades de
desarrollo enfocándolas en las fases de diseño y desarrollo del producto; El
trabajo en equipo, la IC fomenta las relaciones interpersonales e interdisciplinarias,
en donde con la colaboración de todos, se logran mejores resultados; y la
participación global en donde cada unidad en conciencia que hace parte de un
grupo mayor, se hace cargo de sus responsabilidades confiando en que las demás
cumplirán con su objetivo.
2.3.1.3 Beneficios de la ingeniería concurrente.
Son muchos los beneficios de la IC, como la reducción de tiempo gracias al
trabajo en paralelo de las distintas divisiones, de costos desperdiciados en corregir
errores en fases avanzadas del proyecto, comunicación entre los departamentos,
llegando así más rápido al objetivo que en este caso sería la finalización del
proyecto o la construcción de un determinado producto.
2.3.2 Despliegue de la función de calidad (QFD).
Es una manera de recopilar las demandas y expectativas de los clientes en
función de sus necesidades, lo que posteriormente sirve de base para establecer
las características técnicas y operativas del sistema a desarrollar.
Dentro de los procedimientos que implica la técnica QFD, se encuentra la
construcción de la matriz de la calidad en donde de manera cualitativa y
cuantitativa, se presta especial interés a los requerimientos específicos del cliente,
―De esta forma, se comprende mejor la importancia de los datos, se facilita el
diálogo, se asignan prioridades, y se establecen métricas y objetivos armónicos—
todo ello sin perder el contacto con el cliente y con los productos de los
competidores‖ (Yacuzzi & Martin).
El QFD siguiendo los lineamientos de la IC, también establece la importancia del
trabajo en equipo en la distribución y asignación de tareas de acuerdo a las áreas
en donde cada unidad presenta mayores fortalezas esta técnica plantea que: “el
diseño debería ser realizado no por una sola persona sino por un equipo
compuesto por personal de las diferentes áreas de la empresa proveedora del
41
producto o servicio: diseñadores de producto, ingenieros de manufactura, personal
de mercadotecnia, ventas y servicio, etc.‖ (Riba & Molina, 2006).
De esta manera, el QFD soluciona dos limitaciones que presentaban otras
metodologías en donde el diseño se hace de manera aislada tanto entre unidades
de desarrollo como con el mismo cliente, “la falta de conexión con el usuario final
(quien como se ha mencionado había perdido cierta importancia en función de la
necesidad por hacer al producto compatible con el proceso de producción en
masa), y la imposibilidad que tiene una sola persona para entender y dominar
todos los aspectos con que debe cumplir un producto para que sea éxitos” (Riba &
Molina, 2006).
2.3.3 Protocolos para la medición del comportamiento de los ríos.
La información hidrológica básica es usada para mejorar la comprensión de los
procesos de monitoreo realizados a los ríos. En la etapa de la producción del
dato, la garantía de la calidad de información es un componente muy importante.
Por eso hay que tener en cuenta tres principios básicos cuando se va a manejar
calidad de información hidrológica. Las actividades principales de terreno como
son, la selección del sitio de recolección de datos y el mantenimiento continúo de
los instrumentos hasta la difusión de los datos e información “El dato como
producto se obtiene con el procesamiento de la información y análisis lo cual debe
ir acompañado de un programa informático (software) versátil, acorde con la
tecnología actual, con sistemas operativos y programas de almacenamiento bien
desarrollados, con los apropiados controles y con la capacidad de comparar
registros procedentes de estaciones vecinas y de visualizar en una pantalla gráfica
los registros que se van capturando para su validación” (Ministerio de Ambiente,
Vivienda y Desarrollo Territorial, IDEAM, 2007).
En la etapa de procesamiento de la información se necesitan programas o series
de algoritmos de validación automáticos para tener objetividad y uniformidad en la
información.
Este procesamiento de datos hidrométricos se refiere generalmente a los niveles,
caudales y sedimentos (transporte y concentración), variables y parámetros de
calidad del agua, incluyendo las características fisiográficas y morfo métricas de
los sistemas hídricos. Normalmente los datos de entradas deben de ser claros
para el sistema y los de salidas también despejadas de cualquier procedimiento
matemático para que los usuarios puedan utilizarlos en cualquier momento. Todo
42
el sistema tiene que garantizar un buen desempeño en toda su estructura y cada
etapa que lo compone.
El proceso de los datos puede estar clasificado de esta manera: ver Cuadro 1
Los sistemas automáticos pueden tener una alta gama de técnicas disponibles
para la validación de los datos donde se puede distinguir los errores absolutos,
errores relativos y los errores físico-estadísticos.
―Los pronósticos hidrológicos o los resultados de estos deben de tener una
estructura sistemática en cuanto a los usuarios debe de ser así‖ (ver Diagrama de
flujo 1) (IDEAM, Instituto De Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales,
2008).
Diagrama de flujo 1 - Estructura pronósticos hidrológicos
FUENTE: (IDEAM, Instituto De Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales,
2008)
43
Cuadro 1 - Descripción diagrama de flujo pronósticos hidrológicos P
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Preparación de los dispositivos automáticos para la captura de los datos Codificación, reducción/ normalización de datos de entrada.
Al tener los datos normalizados generar diagramas que sea fácil visualización del comportamiento de los Ríos.
Hacer el control respectivo para que los datos tengan una certera información haciendo los máximos y mínimos de estos, logrando homogeneidad en ellos. Corrección de errores.
ya con los datos obtenidos gráficas y curvas de parametrización realizar cálculos para cuales son los niveles de riesgo para una inundación y cuáles no.
Todos los datos de tomados como importantes para un comportamiento van a ir en una base existente que llevara las estadísticas totales de cambio de los ríos días, meses, años.
Al tener la recopilación de los datos que sean de importancia, ordenar y organizar estos para una fácil visualización a los usuarios.
Transmitir estos datos en forma general y hacer la distribución adecuada de alerta o alarma a los usuarios que obtiene el servicio.
FUENTE: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, IDEAM, 2007)
44
45
3. DESARROLLO DEL PROTOTIPO
3.1 MÉTODO Y PLAN DE TRABAJO
En consecuencia con la metodología aplicada a este proyecto, y con base en la
teoría QFD se establecen los pasos a seguir para emprender el proyecto de la
manera más organizada, ya que éste incluye distintas áreas de conocimiento en
las que se puede incluir el manejo de los módulos de comunicación, sensores,
manejo de variables, adecuación de señales, alimentación autónoma, entre otros.
3.1.1 Identificación de las necesidades.
Estas se establecen según una encuesta realizada a los habitantes de la
urbanización “La Villa” en Tuluá, con este procedimiento, se recopila información
sobre los requerimientos del cliente, en cuanto a lo que este desea que el sistema
realice, pues son ellos los que han sufrido directamente varias inundaciones en
sus hogares que le han hecho perder la mayoría de sus enseres, de manera tal
que pueden corroborar que no existen alertas tempranas muy eficientes que
lleguen a oídos de las personas que son directamente afectadas.
Con respecto a lo anterior se entrevistaron 16 personas, las cuales reflejan lo
siguiente:
Que el sistema alerte con tiempo sobre una creciente, los rangos varían de
30 minutos a 2 horas.
Varios de los entrevistados son personas adultas que no están muy
acostumbrados al manejo del internet, por lo que prefieren una alarma
sonora, un aviso por el citófono, o un mensaje de texto al celular.
Ellos consideran que adicionalmente se debe tener un monitor en la
portería, este no necesariamente tiene que ser una pantalla, puede ser un
indicador de nivel con leds, o también puede ser un indicador de nivel de
alerta por ejemplo como un semáforo que indique el nivel de riesgo en
donde verde sería seguro y rojo sería peligro. Esto nos lleva a que es
necesario que la base de monitoreo se encuentre en la portería, en donde
con un monitor y/o indicador, el portero o cualquier persona que ingrese a la
unidad tenga un rápido acceso a esta información que adicionalmente se
desea esté en tiempo real.
46
Otro medio para difundir la información puede ser a través de perifoneo
(implica un colaborador), internet, o de alguna manera avisar a una radio
local para que emita el mensaje.
Con respecto a la distancia a la cual se considera sería prudente instalar el
sistema, varía entre 2 y 50 km dependiendo del rio, es mas muchos dicen
que en el nacimiento del mismo o a medio recorrido.
Y por último la comunidad encuestada indica un precio por la prestación del
servicio el cual sería comunal y la idea es que toda la unidad se comprometería a
participar activamente de esta actividad. Por lo tanto, los clientes establecen un
rango de $5.000 a $30.000 pesos por casa.
3.1.2 Ordenamiento jerárquico de las necesidades.
Luego de realizar la identificación de las necesidades, se obtiene la información
necesaria para establecer los requisitos del cliente (RC), posteriormente se deben
agrupar por categorías, enlistarlas y asignarles importancia dentro del proyecto así
como se muestra en el Cuadro 2.
Cuadro 2 - Ordenamiento jerárquico de necesidades
No Necesidad Importancia
1 El sistema debe informar sobre el desbordamiento del río
mínimo con 1h de anticipación.
5
2 El sistema debe estar ubicado aproximadamente entre 2km a
5km de la base de monitoreo.
5
3 El sistema debe alimentarse autónomamente o tener bajo
consumo.
5
4 El sistema debe ser robusto 5
5 El sistema debe ser de bajo costo en su desarrollo 5
6 El sistema debe utilizar distintos medios de comunicación
para todo tipo de población.
4
7 En el lugar de recepción de datos y distribución de alertas,
deben existir distintas formas de visualizar el nivel de riesgo
del río.
3
8 El sistema debe requerir poco mantenimiento. 2
FUENTE: LOS AUTORES
47
Nota: No se especifica el RC9 que se enfoca al precio por la utilización del servicio
ya que la idea es hacer el sistema de manera general, aplicable a cualquier
comunidad.
3.1.3 Establecimiento de métricas, caracterización del equipo.
Siguiendo con la metodología propuesta, se procede a realizar el establecimiento
de las métricas así como se muestra en el Cuadro 3, definiendo la importancia de
cada métrica y su peso dentro del establecimiento de las características del equipo
y las unidades de medida en que estas se expresan.
Cuadro 3 - Establecimiento de métricas
No. Necesidades Métrica Importancia Unidades
1 1, 4 Sensibilidad del sensor 3 %
2 1, 2, 6 Rango de alcance del dispositivo RF 3 Km
3 5, 8 Costos 5 $
4 3 Consumo del dispositivo ubicado en la
base
2 Kw/h
5 3 Consumo del dispositivo en la estación 5 Kw/h
6 1, 2 Tiempo de muestreo del dispositivo 4 Seg.
7 7 Rangos de nivel de acuerdo a la
generación de la alarma
4 Metros.
FUENTE: LOS AUTORES
3.1.4 Construcción de la matriz de calidad
Una vez establecidos los Requerimientos del Cliente (RC) y las Características
Técnicas (CT) del equipo, se construye la matriz de calidad, en donde se
relacionan ambos para facilitar el balance entre unos y otros, revisando de qué
manera se pueden satisfacer con cada una de las métricas dadas, esta relación se
muestra en los cruces de las filas y las columnas de dicha matriz, usando
símbolos que indican la intensidad del vínculo. Los RC se ubican en la dimensión
vertical de la matriz y las CT en la horizontal (ver Figura 5).
9 Requisitos del Cliente
48
Figura 5 - Matriz de Calidad
FUENTE: LOS AUTORES
3.1.5 Evaluación de tecnologías.
Una vez establecidas las métricas y su importancia, se continúa con los cuadros
comparativos en donde se realiza la evaluación de las tecnologías que podrían ser
utilizadas, esto se hace, asignándole una calificación cuantitativa de 0 a 5 según
sea su cumplimiento con la métrica que esté directamente relacionada. Para
encontrar cual favorece más al proyecto, al final se totalizan los cuadros
comparativos y el dispositivo con mayor puntaje será el seleccionado.
49
Sensor:
Cuadro 4 - Evaluación tipos de sensor
Capacitivo Ultrasónico
Sensibilidad 5 3
Costos10 4 1
Rangos de medida 3 5
Resistencia al ambiente 4 3
TOTAL 15 12
FUENTE: LOS AUTORES
Alimentación:
Cuadro 5 - Evaluación tecnologías Sistemas de Alimentación
Paneles solares Planta pico-hidroeléctrica
Costos de la instalación11 4 1
Potencia entregada 3 5
TOTAL 7 6
FUENTE: LOS AUTORES
Comunicación:
Cuadro 6 - Evaluación tecnologías comunicación
RF GPRS
Distancia 2 5
Costos12 5 1
TOTAL 7 6
FUENTE: LOS AUTORES
10 Para este caso 1 es más costoso y 5 más económico 11 IDEM 12 IDEM
50
Procesamiento de datos:
Cuadro 7 - Evaluación tecnologías procesamiento de datos
Tarjetas embebidas Microprocesador
Costos13 2 4
Confiabilidad 5 4
Compatibilidad con otros dispositivos 5 5
TOTAL 12 13
FUENTE: LOS AUTORES
Alerta a los usuarios:
Se seleccionan dos tipos, de esta manera el equipo es más efectivo en cuanto a la
comunicación de la alerta.
Cuadro 8 - Evaluación tecnologías Tipos de Alerta
Alerta Sonora Alerta Visual Mensajes de texto
Costos14 3 2 1
Efectividad 4 4 4
TOTAL 7 6 5
FUENTE: LOS AUTORES
Método de visualización nivel de riesgo:
Cuadro 9 - Evaluación tecnologías visualización
Sistema de semáforo Sistema de leds Pantalla
Costos15 3 5 1
Consumo 3 5 1
Efectividad 5 5 4
Grado de visualización 5 4 3
TOTAL 16 19 9
FUENTE: LOS AUTORES
13 Para este caso 1 es más costoso y 5 más económico 14 IDEM 15 IDEM
51
Interfaz con el usuario:
Cuadro 10 - Evaluación tecnologías Interfaz
Ejecutable Página en internet
Acceso 4 3
Complejidad de uso 5 3
TOTAL 9 6
FUENTE: LOS AUTORES
3.2 FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO
Para satisfacer los requerimientos detallados en la sección anterior y de acuerdo
con los resultados de la evaluación de tecnologías, se comienza con el desarrollo
propiamente del equipo estableciendo coherencia con los resultados parciales de
la investigación.
De esta manera, este proyecto se compone de dos partes que se correlacionan
entre sí, para lo cual se diseñan dos bloques por separado llamados el LMS (Level
Monitoring Station) que estará ubicado directamente en el río realizando la
medición, y el LMB (Level Monitoring Base) ubicado en la zona a alertar que
realizará el enlace y las funciones de la interfaz con el usuario. Usualmente para
este tipo de proyectos, se elaboran primero esquemas de funcionamiento para
estructurar claramente la secuencia a seguir en el sistema. (Villareal Romero &
Arzola Macías)
Como se puede observar en la Figura 6, cada uno de estos bloques se compone
de otros módulos que cumplen determinadas funciones que se pueden analizar
igualmente en los diagramas de bloques 1 y 2 correspondientes al LMS y al LMB
de manera un poco más aplicada como tal al sistema que se planea implementar.
52
Figura 6 - Diseño conceptual del dispositivo
FUENTE: LOS AUTORES
Como indica el Diagrama de flujo 2, el LMS es el sistema ubicado directamente en
el río midiendo el fenómeno hidrológico, en este caso el nivel del rio usando un
sensor capacitivo, luego se hace la respectiva adecuación de la señal con el
debido muestreo, para convertir este valor que se recibe del sensor, en un dato en
centímetros que se enviará vía inalámbrica al LMB.
53
Diagrama de flujo 2 - Level Monitoring Station
FUENTE: LOS AUTORES
El Diagrama de flujo 3, es una clara muestra del proceso que se realiza en el LMB,
lo primero que se debe hacer es recibir el dato que envía el LMS igualmente vía
inalámbrica, se analizan los datos para realizar las respectivas comparaciones con
los niveles de alerta que se tienen como referencia determinados previamente
durante el proceso de investigación, luego el LMB debe enviar los datos por
comunicación serial al PC que contiene la interfaz del usuario en donde se
realizará el monitoreo, también debe visualizar estos datos en el Display LCD que
está incluido en el prototipo, y por último pero no menos importante, debe activar
según corresponda el nivel de alerta en el sistema del semáforo.
54
Diagrama de flujo 3 - Level Monitoring Base
FUENTE: LOS AUTORES
Para el desarrollo de ambos bloques se decide utilizar el ATMEGA328P (Atmel
Corporation, 2009), por factores como su distribución de pines, su característica
de bajo consumo, si integración con la tarjeta Arduino UNO y por el soporte que
hay para desarrollos usando este integrado, además se programa en lenguaje C
usando el software Atmel Studio 6.
Se adquiere adicionalmente el programador Pocket AVR programmer,
desarrollado por Sparkfun Electronics, una AVR Dragon también como
programador, la disponibilidad de los dos programadores es fundamental para no
retrasar el proceso de desarrollo por la demanda de los mismos en cada bloque y
55
una Arduino UNO R3 basada en el mismo microcontrolador que se usará en el
sistema para apoyar la gestión de desarrollo del sistema.
Antes de comenzar a programar, hay que tener en cuenta una característica muy
importante de los microcontroladores son los fuses, estos pueden determinar en
gran medida el buen o el mal funcionamiento del programa que se descargue en el
microcontrolador, el más crítico de ellos es la frecuencia del cristal, ya sea externo
o interno, los fuses están diseñados para modificar esta frecuencia sin necesidad
de modificar el hardware externo al µC. Por lo tanto hay que ser muy cuidadosos
con respecto a su configuración.
Los Atmega328P traen por defecto la configuración Efuse= 0xFF, Hfuse = 0xD9,
Lfuse: 0x62, sin embargo para el circuito planeado, esta configuración no permite
el buen funcionamiento del mismo y se deben registrar así como se indica en la
Figura 7. Es decir que el circuito utiliza un cristal externo de 16MHz y sin divisor
del reloj (CKDIV8).
Figura 7 - Configuración de fuses del Atmega328P
FUENTE: Imagen tomada del software Atmel Studio 6
56
Una vez se tiene clara la configuración de los fuses, se comienza con el desarrollo
de los programas que controlarán el funcionamiento de los 2 bloques, para ello, se
cuenta con unas librerías (especificadas en cada diagrama de bloques) que se
utilizarán en la programación tanto del LMB como del LMS, estas son compatibles
con atmel studio 6, específicamente para la comunicación serial UART16 y para el
manejo del display.
Físicamente la UART se implementa usando los pines TX y RX, que servirán para
comunicar el LMB con el LMS usando los módulos XBee. En donde el Xbee
conectado al LMB funciona como maestro en esta comunicación bidireccional.
Ya que se cuenta con una librería que controla las funciones de la UART, se
realizan las modificaciones pertinentes a las necesidades del proyecto. Esta
librería cuenta con varias funciones que facilitan su utilización, algunas de ellas
son:
UART_init(UART_BAUD_SELECT(9600, F_CPU)); //Sirve para establecer los
parámetros principals de la UART, en este caso los bauds y la frecuencia de la CPU (16MHz)
dato = UART_getc(); //Utilizada para recibir los datos que llegan por el pin RX, la función no
recibe parámetros pero retorna un char que es guardado en una variable, en este caso “dato”.
UART_putc(byterx); //Utilizada para enviar un carácter por el pin TX, como parámetro de
entrada recibe el dato a enviar y no retorna nada.
Además, para el manejo del Display LCD, se recurre igualmente a una librería que
permite tanto la configuración de pines como la inicialización de puertos, además
que resume el uso de muchas instrucciones en funciones como:
lcd_init(LCD_DISP_ON); //Limpiar pantalla del display colocar cursor en posición inicial,
display encendido, cursor apagado.
lcd_gotoxy(0,1); //Sirve para ubicar el cursor en una posición específica, ingresando las
coordenadas en x,y. Hay que recordar que este display tiene 4 lineas en x y 20 espacios en y.
lcd_puts(BUFFER1); //Sirve para publicar una string en el display.
16 Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
57
3.2.1 Level Monitoring Station (LMS).
Inicialmente se desarrolla una simulación en el software ISIS Proteus con los
dispositivos que se seleccionaron durante la fase de investigación. El LMS tiene 5
partes funcionales, que se ilustran en la Figura 8.
Figura 8 - Partes funcionales del LMS
FUENTE: Diseño por los autores, usando el software ISIS Proteus
1. UART (comunicación serial)
2. Manejo del Display LCD
3. Fuente de corriente
4. Interrupción - INT0
5. Sensor capacitivo
En la secuencia lógica del LMS, se debe comenzar hablando del sensor el cual
según la investigación previa, es un sensor capacitivo cuya capacitancia es
proporcional al nivel por el cambio del material dieléctrico, permitiendo la medición
del nivel del rio indirectamente a través del voltaje y del tiempo de carga del
condensador.
58
El primer paso es hacer una comparación (amplificador operacional LM324) de un
voltaje de referencia vs el voltaje de carga del condensador, este voltaje de
referencia se determina analizando la rampa de carga del sensor que es la
diferencia de potencial entre las placas del condensador.
Este voltaje se calcula integrando el área sombreada (ver Figura 9) de la siguiente
manera:
∫
Figura 9 - Área de carga condensador cilíndrico
FUENTE: (García, 2010)
Esta comparación proporciona el dato de cuánto tiempo se demora el
condensador en cargarse hasta un voltaje referenciado (ver sección 3.3.2 Diseños
PCB through-hole), ya que por el cambio del dieléctrico en el condensador que en
este caso es agua, cambia la capacitancia del sensor y por lo tanto el tiempo de
carga se ve constantemente afectado, adicionalmente es necesaria una fuente de
corriente cuya función es mantener una intensidad eléctrica constante para que
cuando el sensor cambie su capacitancia, la corriente no se vea obligada a
fluctuar, estabilizando así la medición.
El tiempo de carga del condensador como anteriormente se ha mencionado se
debe al cambio del dieléctrico aumentando su capacitancia, pero también depende
de la corriente que entra al sensor (condensador), esta puede ser regulada con el
LM334 su circuito típico se muestra en la Figura 10.
59
Figura 10 - Circuito básico para la configuración del LM334
FUENTE: (TEXAS INSTRUMENTS, 2013)
El calculo que se utiliza para saber que corriente se le esta suministrando al
sensor o a la salida del LM334 es:
En este caso Es un potenciómetro de 10kΩ, siendo útil para la calibración
del nivel medido.
Paralelamente, se debe utilizar un dispositivo (transistor en corte/saturación
2N2222A) que permita la carga y descarga del condensador esto con el fin de
refrescar la medición del nivel.
En esta parte se debe involucrar el µC que es el encargado de enviar un estado
lógico alto o bajo para excitar la base del transistor, así colocándolo en corte (bajo)
y saturación (alto). Cuando el transistor está en corte, el sensor capacitivo
comienza a cargarse y un Timer1 que está configurado para que se desborde
cada 4 segundos se activa llevando la cuenta del tiempo de carga del
condensador hasta llegar a un voltaje de referencia, generando un nivel lógico alto
a la salida del comparador, activando así la interrupción del µC y deteniendo la
cuenta del Timer1.
Para convertir la cuenta del timer1 en un nivel válido, es necesario hacer la
caracterización del sensor y encontrar las equivalencias entre estos datos. Para
ello se realizan gráficas para cada versión del sensor en donde las variables son la
cuenta del timer vs el nivel en centímetros visualizado en el sensor. El Cuadro 11,
60
contiene la relación de la cuenta del timer vs el nivel para el sensor pequeño,
estos datos se utilizan para generar la gráfica que se observa Figura 11 y
posteriormente obtener una ecuación con una línea de tendencia. El
procedimiento se repite para el sensor grande y los datos se registran en el con su
respectiva gráfica de la Figura 12.
Cuadro 11 - Caracterización Sensor pequeño
Nivel en cm Cuenta del Timer1 (/100) Por ejemplo:
29,48 => 188,67ms
Tiempo que demora en cargar el condensador para 1
centímetro de nivel
1 29,48
2 36,60
3 44,65
4 50,97
5 56,20
6 61,55
7 67,15
8 73,75
9 81,18
10 87,35
11 94,15
12 99,50
13 105,50
14 109,59
15 113,60
16 116,90
17 120,15
18 123,09
19 124,95
20 127,60
FUENTE: LOS AUTORES
Cuadro 12 - Caracterización sensor grande
Nivel en cm Cuenta del Timer1 (/100)
1 23,30
298 120,75
FUENTE: LOS AUTORES
61
Figura 11 - Gráfica caracterización sensor pequeño
FUENTE: LOS AUTORES
Figura 12 - Gráfica caracterización sensor grande
FUENTE: LOS AUTORES
La ecuación resultante es la que se debe implementar en el programa para
obtener como resultado del LMS el nivel del río en centímetros.
Una vez se tenga el dato en centímetros del nivel del río, se envía por la UART del
µC, en este caso por los pines TX y RX como se señala en el circuito de la Figura
8, que a su vez está conectado con el Xbee que enviará los datos hacia el LMB.
y = 0,0008x2 + 0,0553x - 0,893
0
5
10
15
20
25
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00
Niv
el (
cm)
Cuenta del timer
Cuenta del Timer1 vs Centímetros
y = 3,0479x - 70,015
0
50
100
150
200
250
300
350
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00
Niv
el (
cm)
Cuenta del timer
Cuenta del Timer1 vs Centímetros
62
Adicionalmente, se visualiza en el Display LCD para obtener una retroalimentación
del circuito, al momento de calibrar la medición del sensor.
El programa para el µC del LMS está dividido en 3 partes: Inicializaciones de
librerías y variables, interrupción, programa principal.
El Diagrama de flujo 4, es una ilustración de cómo funciona el programa que va
estar corriendo en el LMS durante la fase de pruebas, sin embargo hay que
resaltar que este no es el que va ir en el diseño final ya que como se ha venido
diciendo, el sistema va estar energizado por un panel solar y una batería así que
es necesario disminuir consumos y por eso la decisión de quitar la visualización en
campo para así prolongar la vida de la batería17.
17 Ver el capítulo 5. Construcción del Prototipo
63
Diagrama de flujo 4 - Programa prueba No.1
FUENTE: LOS AUTORES
64
3.2.2 Comunicación inalámbrica – módulos Xbee.
Este módulo utiliza una antena omnidireccional con conector RP-SMA Hembra. De
alta ganancia (5dBi). Que trabaja a una frecuencia de 900MHz. que permite
alcanzar una distancia de comunicación de 4 kilómetros con una ubicación lineal.
En el Cuadro 13 se resumen las especificaciones del módulo de radio frecuencia
elegida.
Cuadro 13 - Características principales XBEE
Modelo XBee: Módulo XBee Pro 900. [XBP09-DPUIT-15]
Tipo de antena: RPSMA
Alcance interiores: 140m
Alcance exteriores: 4000m
Potencia de salida: 50mW (+17dBm)
Corriente hibernación: < 10μA
Frecuencia de trabajo: 900MHz
Consumo Tx/Rx: 55mA (3,3V) / 210mA (3,3V)
FUENTE: LOS AUTORES
El Hardware utilizado para configurar los módulos es el “XBee Explorer USB”, que
permite conectar los módulos XBee al puerto USB del PC. Este Hardware funciona
con todos los módulos XBee incluida la Serie 1, la 2.5 tanto las versiones estándar
como la Pro. En la Figura 13 se puede observar el Hardware XBee Explorer USB y
la Maxstream utilizadas durante el desarrollo.
Figura 13 - Xbee Explorer USB y Maxstream
FUENTE: (Maxstream, 2006) y (Sparkun, 2013)
65
Una característica muy importante de los Xbee es la versión del firmware, y su
importancia radica en que esta puede habilitar o deshabilitar algunas funciones del
Xbee por ejemplo, el Xbee que se está configurando en la Figura 14, venía de
fábrica configurado con la versión 1002 que tiene deshabilitadas las instrucciones
para dejar al Xbee en modo sleep, por lo tanto se actualiza usando el X-CTU a la
versión 1061 que si trae incluidas estas funciones.
Figura 14 - Configuración firmware usando el X-CTU
FUENTE: Imagen tomada usando el software X-CTU
La comunicación serial se configura en los Xbee de la siguiente manera:
9600baud; 8bits; 1 bit de stop y sin paridad (ver Figura 15).
Figura 15 - Configuración módulos Xbee desde X-CTU
FUENTE: Imagen tomada del software X-CTU configuración de módulos
En la pestaña Modem Configuration del X-CTU es posible configurar los
parámetros del Xbee, entre estos la versión, la ID red, los bauds, el DH y DL
66
(direcciones destino) o cuál será el Xbee Coordinator / End Device, ya que como
solo se requieren dos Xbee no es necesario formar ningún tipo de red, sino una
conexión punto a punto entre el LMS y el LMB.
En el Cuadro 14 se puede ver a modo de resumen la configuración necesaria para
el correcto funcionamiento de los módulos.
Cuadro 14 - Configuración básica de los módulos
Variable Valor
Modem VID 1
Hopping Channel 0
Serial number High 13A200
Serial number Low 409406AF
Baud 9600
Sleep mode 2
FUENTE: LOS AUTORES
3.2.3 Protocolo de comunicación.
La trama utilizada en la comunicación contiene el dato y un carácter terminador
„@‟ para indicar la finalización de la trama. En el Cuadro 15, se muestra un
ejemplo de cómo sería la trama de un dato.
Según la codificación con caracteres ASCII, cada carácter tiene una
representación en hexadecimal, por la UART se envían caracteres codificados
para que tanto el emisor como el receptor entiendan el mensaje.
Cuadro 15 - Detalle trama del mensaje
Byte 6 Byte 5 Byte 4 Byte 3 Byte 2 Byte 1
1 2 . 4 5 @
Primer
dígito
Segundo
dígito
Punto
decimal
Primera
cifra
decimal
Segunda
cifra decimal
Carácter
finalizador de
trama
FUENTE: LOS AUTORES
67
El LMS, envía los datos cada 5 minutos, de igual manera la interfaz en JAVA está
temporizada para recibir un dato, para actualizar la tabla y para agregar un dato a
la gráfica, cada que se cumpla un temporizador ajustado al tiempo que hay entre
el envío de una trama y otra.
El estándar de comunicación utilizado para la conexión entre el LMB y la interfaz
es el RS-232, la parametrización de esta comunicación es la misma que la
utilizada para los Xbee, la diferencia, es que en este caso el tipo de canal es
simplex (un solo sentido, de LMB a PC) tipo cableado usando un conversor de
RS232 a USB.
3.2.4 Consumos de energía.
3.2.4.1 Consumos en el LMS.
Cuadro 16 - Relación de consumos LMS
Articulo Consumo Nota
Atmega328p 50mA-100mA
Depende a la frecuencia que trabaje el
integrado y que tenga conectado.
Led(verde) 10mA Es un led 3.3mm
Módulo XBee
Pro 900. 210mA
Con antena de alta ganancia operando a
900MHz
sensor 1mA-10mA
Depende a la calibración de
lm334(corriente de entrada )
FUENTE: LOS AUTORES
Según los datos relacionados en el Cuadro 16 que especifica los consumos del
LMS, se puede escoger el tipo de batería y de panel. Las especificaciones de
estos deben ser las siguientes:
Haciendo un cálculo sencillo de la suma de los consumos se tiene:
68
Esta corriente es lo que se gasta el LMS para su buen funcionamiento. Si se
desea que trabaje 24 horas, hay que tener en cuenta los horarios en los cuales
hay luz solar, es decir, la salida del sol es por lo común a las 5:50 am, y la puesta
del sol es a la 6:00pm. En este rango hay 12h, 10min y la noche se contempla
desde las 6:00pm hasta las 5:50am con un rango 11h, 50min. De este rango
depende el tiempo de carga del dispositivo que está aproximadamente entre 8h y
12h ya que el clima es muy variable y pueden aparecer agentes que obstaculicen
la carga de la batería como lluvias, formaciones nubosas, entre otros.
Por lo tanto, Haciendo otro calculo más:
Esto quiere decir que durante 24 horas el dispositivo debe de estar encendido, de
las cuales 16h son de independencia total del sol en las que este debe
energizarse solo por la pila de litio a la que está conectado (batería), y que por un
lapso de 8 horas, el dispositivo debe ser capaz de continuar con su
funcionamiento y a su vez cargar la batería al 100% mediante el panel solar.
( )
Es decir que el circuito necesita una batería de por lo menos 7Ah para resistir
todo el tiempo que el panel no la está cargando.
Ahora para cargar esta batería como lo mencionó anteriormente, se cuenta
solamente con 8 horas:
( )
( )
( )
( )
Esto quiere decir que se debe considerar un panel solar que entregue o garantice
una corriente de 840mA en 8 horas.
69
Así que una pila y un panel con las especificaciones anteriores son de demasiada
capacidad para este sistema así que se requiere que LMS consuma menos, para
ello es muy necesario el modo sleep del Xbee, ya que así el Xbee solo consumiría
210mA del xbee durante 50ms (enviando los datos cada 5minutos, el sistema
estaría en alto consumo durante 0,6seg de 1 hora) mientras envía el dato y el
tiempo restante estaría en modo bajo consumo (30uA), es decir que el consumo
del dispositivo en este modo es:
( )
( )
( )
( )
( )
Las características de los equipos necesitados para la alimentación del LMS se
muestran en el Cuadro 17.
Cuadro 17 - Especificaciones batería y panel solar
Elemento Especificaciones
Sin modo sleep
Especificaciones
con modo sleep
Batería 7Ah 1,7Ah
Panel solar 840mA / 2,772W 210mA / 0,693W
FUENTE: LOS AUTORES
3.2.4.2 Consumos en el LMB.
Para realizar el cálculo de los consumos de corriente de los componentes del
LMB, se tiene en cuenta también el circuito del semáforo, ya que su alimentación
depende de la alimentación que se le suministra al LMB. Como nota especial cabe
resaltar que el resultado del Cuadro 18 es cuando el circuito se encuentra en
plena carga, ya que según el funcionamiento especificado del sistema: para el
70
semáforo solo prende un conjunto de leds a la vez, el buzzer no suena siempre
sino únicamente durante la fase de alarma, el Xbee no se encuentra recibiendo
todo el tiempo ya que el LMS le envía el dato periódicamente, igualmente la tarjeta
USB-UART FTDI no funciona a su plena carga continuamente ya que solo se
envía el dato hacia la interfaz periódicamente cuando el Xbee reciba la
información desde el LMS sin olvidar que esta tarjeta adquiere importancia cuando
el sistema está en modo monitoreo y alarma.
De esta manera, se podría resumir que el LMB también tiene dos modos de
funcionamiento en cuanto al consumo:
Modo plena carga (cuando hay una alerta y en modo monitoreo):
Modo reposo (cuando no hay ni alarma, ni recepción de datos, ni modo
monitoreo):
Cuadro 18 - Relación consumos en el LMB
CANTIDAD ELEMENTO CONSUMO NOTA
1 ATMEGA328P 50mA-100mA
Depende de la frecuencia de trabajo
1 DISPLAY LCD 4X20 240mA Depende del led backlight
1 XBEE PRO 210mA Este xbee nunca entra en modo sleep
1 BUZZER 12mA En su frecuencia de resonancia
80 LEDS SEMAFORO 80mA - 320mA
5 leds EN SERIE x 16; C/U 20ma; *todos los leds tienen la misma corriente, cambia es el voltaje dependiendo del color
1 Tarjeta USB-UART FTDI 70uA - 15mA Depende si está en modo normal o usb suspedido
TOTAL 897mA Corriente necesaria para el circuito a plena carga
FUENTE: LOS AUTORES
71
3.2.5 Level Monitoring Base (LMB).
Para este bloque, se hace un diseño del circuito en el software ISIS Proteus, en
donde se puede simular casi que en tiempo real, el programa que se le descarga
al µC. Además permite realizar modificaciones en las conexiones según las
necesidades que se presenten en el desarrollo del programa, el circuito resultante
para LMB se observa en la Figura 16:
Figura 16 - Partes funcionales del LMB
FUENTE: Diseño propio, usando el software ISIS Proteus
Como se puede observar en la Figura 16, el circuito consta de varias partes que
se desglosan a continuación:
1. UART (comunicación serial)
2. SUART (comunicación serial virtual)
3. Manejo del LCD
4. Visualización – indicadores LED
Basándose en el funcionamiento de la UART, se procede a configurar una UART
virtual, es decir, como el Atmega328P solo tiene una UART, entonces se deben
72
usar otros dos pines simulando que son TX y RX para obtener 2 “puertos” de
comunicación serial. Esta UART virtual será utilizada para el envío de datos al PC
y por lo tanto es de vital importancia ya que juega un papel decisivo en el software
que se desarrollará más adelante y que servirá de interfaz con el usuario.
Esta UART virtual será referida como SUART para diferenciarla de la UART que
viene integrada en el uC.
Para la SUART deben simularse los pines de TX y RX, para lo cual se
implementan funciones utilizando los pines del µC que tienen la función de
ICP18(PB0 definido como RX) y OC1A19(PB1 definido como TX) así:
La librería de la SUART, tiene funciones muy similares a la UART ya que igual su
funcionalidad es la misma. Entre estas tenemos:
sUART_init(); //se utiliza para inicializar los parámetros que se deben configurar para simular la
transmisión y la recepción de datos a través del OC1A ligado al timer1 y del ICP respectivamente.
sUART_putc('*'); //a través del STX(OC1A) envía el dato que se ingrese como parámetro a la
función.
dato = sUART_getc(); //a través del SRX(ICP) recibe el dato que retorna la función y lo guarda
en una variable.
Tanto para la UART como para la SUART hay una función que envía “string” es
decir que se debe previamente guardar los valores a enviar en un buffer el cual se
ingresa como parámetro en la función correspondiente y esta lo que hace es usar
repetidamente la función de envío de carácter hasta terminar de enviar todo lo que
hay en el buffer.
void sUART_puts(char *txt);
void UART_puts(char *s);
En el programa, se utiliza la función descrita anteriormente para enviar la magnitud
del nivel convertido en caracteres por la SUART hacia el PC.
Tanto la UART como la SUART, solamente manejan los datos tipo char, para
manejo interno del programa, estos deben convertirse a float o de float a char.
18 Input Capture Pin 19 Output Compare Match
73
Para ello existe una librería llamada <stdio.h> que tiene dos funciones muy útiles
que realizan esta tarea sin ningún problema:
sscanf(arreglo, “tipo de dato”, &variable); //se coge el dato que está en el arreglo que se
llenó previamente con los char recibidos por la UART y se convierte según el “tipo de dato”
guardándolo con este nuevo formato en la variable.
snprintf(arreglo, tamaño, "Num: %1.2f\n\r", variable); //se coge el texto que hay entre
comillas, y en donde está el %1.2f se reemplaza con el valor de la variable, esto se guarda en el
arreglo teniendo en cuenta que no sobrepase el tamaño del mismo. Los datos que quedan en
arreglo están en formato char y ya se puede usar las funciones descritas antes para enviar el
arreglo por la UART o por el lcd.
Teniendo claro estas secciones del programa, se prosigue detallando el
funcionamiento de la visualización en los leds que se realiza en el programa
principal.
En general, la función que cumple el programa principal (ver Diagrama de flujo 5)
es recepción del nivel por la UART, análisis de los datos, los compara con unos
valores preestablecidos para determinar el nivel de riesgo de esta medición que
envía el LMS, en esta parte es donde se activan los leds correspondientes al nivel
de alerta para lo cual tenemos:
Azul: No hay riesgo, el nivel está bajo.
Verde: No hay riesgo, el nivel está normal.
Amarillo: Alerta, el nivel está normal-alto.
Rojo: Alerta grado II, el nivel está alto.
Paralelamente, el programa debe ser capaz de enviar hacia el display el nivel
actual recibido, el nivel de alerta correspondiente y enviar este nivel por la SUART
la cual como se explicó anteriormente, se tiene conectada a un PC, por este medio
se enviarán los datos hacia la interfaz HMI.
74
Diagrama de flujo 5 - Programa LMB
FUENTE: LOS AUTORES
75
3.3 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
Para el diseño del prototipo se necesitó realizar la construcción respectiva de los
módulos antes descritos, los cuales se integran para lograr un completo
funcionamiento del equipo. Estos módulos son:
3.3.1 Construcción del sensor capacitivo.
Como se ha mencionado anteriormente, el sensor escogido es un sensor
capacitivo, construido con dos tubos de aluminio, cada uno con un diámetro
diferente ya que para que el sensor funcione debe de ir un tubo dentro de otro
ubicados concéntricamente configurado como condensador cilíndrico,
Hay dos versiones del sensor, uno que es de menor tamaño con respecto al otro
(ver Figura 17), el sensor pequeño mide 20cm de largo (ver Figura 18) y el sensor
grande, mide 3metros de largo. Como se indica en el Cuadro 19.
Figura 17 - Condensador Cilíndrico
FUENTE: (García, 2010)
76
Figura 18 - Sensor pequeño (prototipo)
FUENTE: LOS AUTORES
Cuadro 19 - Especificaciones de los sensores
FUENTE: LOS AUTORES
La fórmula (Olmo Nave) da como resultado la diferencia de potencial entre las
placas del condensador que se calcula integrando:
∫
Y su expresión para la capacidad (Olmo Nave)
*
+
Gracias a esto se obtiene una aproximación cuanto es la capacitancia manejada
por sensor porque se debe tener en cuenta que el dieléctrico es el agua y esta
tiende a variar en un rio ya que tiene la influencia en gran medida por elementos
químicos de la naturaleza y del ambiente, por ahora manejando una constante
dieléctrica se despeja con los siguientes datos:
SENSOR PEQUEÑO
(PROTOTIPO)
SENSOR GRANDE
(PROTOTIPO)
Radio a 1 pulgada = 25,4mm 0,87 pulgada = 22,4mm
Radio b 1
pulgada = 31,75mm 1
pulgada = 31,75mm
Longitud 20 centímetros 3 metros
77
SENSOR PEQUEÑO (PROTOTIPO)
a= 0.0254 m b=0.03175m L=0.2m
SENSOR GRANDE (PROTOTIPO)
a= 0.0224 m b=0.03175m L=3 m
Según los cálculos realizados, los sensores con agua estéril como dieléctrico
deberían tener una capacitancia que oscile alrededor de mF20, pero en el campo
práctico, como el agua del río tiene diferentes químicos, esta constante dieléctrica
tiende a cambiar debido a elementos como: alcalinos, sodio, potasio, calcio,
magnesio, cloruro, sulfato, nitrógeno de amonio, nitrógeno de nitrato, nitrógeno de
nitrito, oxígeno disuelto, arsénico, cadmio, cinc, cobre, hierro, manganeso que
permanecen en el rio.
En la práctica la capacitancia del sensor pequeño es cercana al dato que se
obtiene por el cálculo teórico ya que por la altura de este, la diferencia potencial no
es tan grande, por el contrario, la capacitancia del sensor grande si se pasa de
2000mF, esta capacitancia es bastante grande para la fuente de corriente y no es
capaz de cargarlo, así que se requiere hacer adecuar el sensor agregándole una
serie de condensadores (ver Figura 19) para reducir la capacitancia resultante
estableciendo unos valores más manejables para el LMS.
Figura 19 - Acondicionamiento de capacitancia para el sensor
FUENTE: LOS AUTORES
20 Milifaradios
78
Para obtener la capacitancia equivalente en el circuito implementado para el
sensor es necesario usar la siguiente formula:
(
)
El resultado depende de cómo varia la capacitancia del sensor.
Como todo procedimiento de tomas de datos y resultados experimentales se debe
determinar la varianza que hay en la medición, en este caso del sensor capacitivo
por lo tanto de toman 10 muestras. (ver Cuadro 20)
Cuadro 20 - Relación toma de muestras para cálculo de error N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nivel(cm) 16.20 16.23 16.26 16.28 16.25 16.30 16.32 16.37 16.40 16.42
FUENTE: LOS AUTORES
( )
Error absoluto:
√(( ) )
( ) √
Error relativo:
Error porcentual:
0.0106
0.0053
0.0018
0.0005
0.0028
0.0000
0.0003
0.0044
0.0094
0.0136
79
3.3.2. Diseños PCB through-hole.
Inicialmente se necesitan circuitos de pruebas para adecuar señales, verificar
funcionamiento y detectar previamente los errores que se puedan presentar en el
transcurso de las pruebas, para esto, se realizan los planos esquemáticos y los
diagramas Pictóricos tanto para el LMS como para el LMB usando tecnología
through-hole, estos diseños se desarrollaron en el software Eagle V5.10.0,
utilizando una sola cara para los circuitos de prueba y doble cara para los circuitos
finales, ambos con sistema de malla a tierra.
Adicionalmente, se integra a las plaquetas la opción de programarlas en board con
el puerto ISP21, para facilitar las tareas de programación del µC.
Diseños LMS
En el diagrama esquemático del LMS se contemplan prácticamente los mismos
componentes que se usan en la simulación de proteus, sin embargo, teniendo en
cuenta que para este circuito es importante reducir los consumos de energía al
mínimo, se realizaron varias versiones del circuito prueba, en orden cronológico
fueron:
o Circuito medición de nivel – atmega328P con Display LCD
o Circuito medición de nivel – atmega328P sin Display LCD
Los dos primeros circuitos prueba, funcionan a 5 voltios, la idea es que se tiene un
sistema de alimentación con energía solar que entrega 3.7 voltios, por lo tanto
para el tercer circuito se hacen ciertas adecuaciones buscando que toda la
plaqueta funcione a 3.3 voltios, es decir al mismo voltaje del Xbee, además como
el µC utilizado es de bajo consumo, no tiene problema en funcionar a este nivel de
tensión.
o Circuito medición de nivel – atmega328P con Display LCD.
En el plano esquemático que aparece en la Figura 20 se puede observar que el
circuito cuenta con su atmega328P y adicionalmente con los componentes
necesarios para su funcionamiento, se hacen las conexiones de los pines para
programación, los pines para conectarse con el display LCD, los pines de la UART
21 In-System Programming
80
que van conectado al módulo Xbee, las conexiones al LM324, y la sección a cargo
del LM334 regulador de corriente.
Figura 20 - LMS con display
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
o Circuito medición de nivel – atmega328P sin Display LCD
Para mejorar el circuito anterior, se busca reducir el tamaño del circuito (ver Figura
21) y su consumo, por lo tanto se modifica el circuito de la Figura 20, quitando el
display y los pines de programación, quiere decir que este circuito es ciego y que
solo se puede observar el resultado de la medición usando el módulo Xbee y el
software X-CTU.
Tal como está el circuito en la Figura 21, se requiere un voltaje de alimentación de
5 voltios, por lo tanto, una vez se terminan las pruebas a este voltaje, se deciden
unos pequeños ajustes para que el mismo circuito pueda funcionar a 3.3V y que
su alimentación se pueda obtener sin ningún problema desde la batería que se
recarga con el panel solar. Las modificaciones básicamente fueron cambiar el led,
por uno que requiere menos voltaje y disminuir el voltaje de referencia cambiando
81
el divisor de voltaje que va conectado a una de las entradas del comparador.
Cuando el circuito funcionaba a 5V, este voltaje de referencia estaba en 1.5 v, al
disminuirlo a 3.3V quedó en 1.05V y no funcionaba muy bien el comparador, así
que decide realizar el cambio en las resistencias para que ese voltaje de
referencia sea de 0.7V.
Figura 21 - LMS sin display
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
Este diseño es el más favorable para el buen funcionamiento del LMS. El
diagrama Pictórico de la board se puede observar en la Figura 22.
82
Figura 22 - Diagrama Pictórico del LMS de prueba
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
o Versión final.
Basándose en el diseño anterior, se realiza una reorganización de los
componentes buscando reducir el tamaño del LMS, además la plaqueta final tiene
sus pistas por doble capa facilitando la tarea de ruteado. En la Figura 23 y en la
Figura 24 se pueden observar el resultado de estos diseños, la versión final en
Eagle y la PCB ya construida.
El LMS incluye la PCB antes mencionada y el Kit solar que se integra al diseño ya
que como se ha dicho anteriormente, este proporciona la energía al circuito
además que tiene un zócalo apropiado para la ubicación del Xbee (Ver Figura 25).
La dimensión aproximada de esta plaqueta es de 6cm x 5cm.
Figura 23 - Diagrama Pictórico del LMS versión final
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
83
Figura 24 - Foto LMS terminado
FUENTE: LOS AUTORES Figura 25 - Foto acople LMS y Kit Solar
FUENTE: LOS AUTORES
Diseños LMB.
El plano esquemático del LMB (ver Figura 26) comprende el circuito básico que
requiere el Atmega328P para su funcionamiento, la conexión ISP, los pines de la
UART (conexión con el Xbee) y SUART (conexión con la tarjeta FTDI Basic -
comunicación serial), la conexión con el LCD y la conexión con la plaqueta del
semáforo.
84
Figura 26 - Diseño esquemático LMB
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
Luego se procede a generar la board (ver Figura 27) a partir del esquemático,
organizando los componentes como se crea conveniente, y ajustando las pistas de
un grosor adecuado a la corriente que circulará por el circuito.
Figura 27 - Diagrama Pictórico de la board de prueba
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
85
La versión final de este circuito cuenta con pistas por ambas caras lo que reduce
su tamaño en comparación con el circuito de pruebas (ver Figura 28), sus
dimensiones son de 9cm x 6,5cm. En la Figura 29 se observa el LMS terminado.
Figura 28 - Diseño Pictórico del LMS versión final
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
Figura 29 - Foto LMS terminado
FUENTE: LOS AUTORES
86
3.3.3 Sistemas de alimentación.
Ambos circuitos deben tener sus respectivas fuentes de alimentación, para el LMS
se ha dicho anteriormente que se alimentará por un panel solar y su batería, en el
LMB se tiene una etapa de regulación para suministrar los voltajes que requiere
este circuito.
Fuente de alimentación para el LMS.
Para LMS como se había calculado anteriormente, se sugiere para su
alimentación un panel solar y batería de litio de unas características para que el
sistema trabaje sin ningún problema en las horas de la noche y en el día.
Pero al construir el prototipo se decide implementar el Wireless Sensor Node -
Solar Kit (Seeed Open Hardware Facilitator, 2011) ya que es una herramienta de
fácil manejo cuando se trata de módulos Xbee este kit proporciona alimentación
LDO, cargador de LiPo batería y el puerto de programación de módulos
compatibles XBee. El panel solar proporciona la tensión de carga necesaria en
áreas remotas. La batería Li-Po 500 mAh suministra energía al circuito aún
cuando el Sol no está presente. Un módulo inalámbrico correctamente diseñado y
configurado que podría proporcionar muchas horas de uso. En la Figura 30 se
observan las partes de este kit.
Figura 30 - Wireless Sensor Node Solar Kit
FUENTE: (Seeed Open Hardware Facilitator, 2011)
87
Las especificaciones del kit solar se resumen en el Cuadro 21.
Cuadro 21 - Especificaiones técnicas kit solar
ITEM SPECIFICATION
Grove - XBee Carrier I/O Logic 3.3V
LiPo Battery 500mAH @ 3.7V
Solar Panel 0.5Watt @ 5.5V
FUENTE: (Seeed Open Hardware Facilitator, 2011)
Fuente de alimentación para el LMB.
Para el LMB se requieren 5V para el micro y el display LCD, 3.3V para el Xbee y
15V para el semáforo.
Para suplir esta diversa demanda de voltajes se construye el circuito que se
observa en la Figura 31, en donde la entrada es un adaptador switcheado de 15V
a 3A.
Figura 31 - Diagrama esquemático etapa regulación LMB
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
La idea es que este circuito se ensamble como una extensión del LMB así que se
diseña de tal manera que pueda calzar uno en el otro y así reducir el cableado.
88
En el JP1 hay que tener mucho cuidado para que los voltajes queden en la misma
ubicación para ensamblarlo con el LMB. En la imagen X se observa la conexión
entre ambos circuitos.
En la Figura 32 se observa cómo queda el diseño Pictórico en Eagle usando una
sola cara para las pistas, y en la Figura 33 el circuito terminado.
Figura 32 - Diseño Pictórico de la etapa de regulación
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
Figura 33 - LMB con etapa de regulación
FUENTE: LOS AUTORES
89
3.3.4 Sistemas de visualización y alerta.
Según las especificaciones realizadas durante la fase de investigación, se
construye un sistema de visualización que hace una analogía a un semáforo, éste
cuenta con 4 círculos de leds, cada uno con un color distinto (azul, verde, amarillo,
rojo). Cada conjunto de leds, es alimentado a 15v y cuentan con un transistor que
permite que el circuito sea activado desde el pin del Atmega328P. El diagrama
esquemático de un conjunto de leds del sistema de visualización se observa en la
Figura 34, el pin del µC va conectado a la resistencia de 1,2kΩ y la resistencia de
82Ω se utiliza para controlar y disminuir la corriente que pasa por los leds.
Figura 34 - Diagrama esquemático circuito semáforo
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
La plaqueta final es de 28cm x 10cm, el diseño de la PCB se puede apreciar en la
Figura 35 y en la Figura 36 el circuito terminado.
Figura 35 - Diseño Pictórico del circuito semáforo
FUENTE: Diseño propio, usando el software Cadsoft Eagle
90
Figura 36 - Circuito semáforo terminado
FUENTE: LOS AUTORES
El semáforo entonces, cumple con la tarea de visualización del nivel de alerta
usando el sistema de colores, sin embargo es importante indicar que cuando la
alerta esté en rojo, se emitirá un sonido de alarma para las personas que en el
momento no estén atentos al semáforo.
Para ello se implementa en el diseño un buzzer (Chacón, Cortés, Giral, & Romero
Romero, 2012) que es dispositivo piezoeléctrico cuya tensión nominal es de 1.5V,
corriente máxima de 12mA, presión de sonido de 80dB a 10cm, resistencia de
±8Ω, frecuencia de resonancia 2048Hz (duty 50%, onda cuadrada), se activa
enviando una señal de PWM a uno de sus terminales y el otro conectado a tierra.
Para generar el sonido deseado, se varía la frecuencia de la señal cuadrada
modificando los registros del timer2 del µC.
La alarma cuenta con dos tonos distintos (ver Figura 37), es decir:
Figura 37 - Señal PWM para buzzer
FUENTE: Imagen tomada usando el software ISIS Proteus (Simulación)
91
1er Tono: con preescalador 8
TCCR2B=0X02;
pwm_set(60);
2do Tono: con preescalador 32
TCCR2B=0X03;
pwm_set(50);
92
3.4 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
Una de las principales razones que impulsó este proyecto fue construir un equipo
que fuera de bajo costo, en contraste con los equipos de monitoreo automáticos
existentes que tienen un valor comercial que supera los $8‟000.000 de pesos por
su tecnología de alta gama.
Para la fabricación de 1 equipo que consta del módulo LMS, LMB, sensor,
columna semáforo, panel solar y batería recargable, se necesitaron no más de
$800.000 pesos como costos netos.
En el Cuadro 22, se relacionan los elementos que componen cada módulo, las
cantidades y los precios de cada dispositivo.
Cuadro 22 - Relación de costos prototipo CANTIDAD ELEMENTO PRECIO U. PRECIO T.
LMB
1 BOARD PCB $ 22.400 $ 22.400
6 RESISTENCIAS $ 50 $ 300
4 LEDS $ 200 $ 800
1 BASE DE 28 PINES $ 300 $ 300
1 CRISTAL $ 800 $ 800
2 CONDENSADORES $ 100 $ 200
1 TRIMMER 10K $ 2.000 $ 2.000
1 PULSADOR $ 200 $ 200
3 REGLETAS $ 1.000 $ 3.000
1 DISPLAY LCD 4X20 $ 26.500 $ 26.500
1 CABLE RIBBON 10 LINEAS $ 2.250 $ 2.250
2 CONECTOR HEADER 10P 2MM $ 2.000 $ 4.000
1 ATMEGA328P $ 9.500 $ 9.500
ETAPA REGULACIÓN LMB
1 REGULADOR 3.3V $ 1.800 $ 1.800
1 REGULADOR 5.V $ 900 $ 900
1 REGULADOR 15V $ 1.200 $ 1.200
1 ADAPTADOR SWITCHEADO 18V 3A $ 40.000 $ 40.000
1 OTROS ELEMENTOS $ 2.000 $ 2.000
LMS
1 BOARD PCB $ 22.400 $ 22.400
7 RESISTENCIAS $ 50 $ 350
1 LEDS $ 200 $ 200
93
CANTIDAD ELEMENTO PRECIO U. PRECIO T.
1 PULSADOR $ 200 $ 200
1 BASE DE 28 PINES $ 300 $ 300
1 BASE DE 14 PINES $ 200 $ 200
1 CRISTAL $ 800 $ 800
2 CONDENSADORES $ 100 $ 200
1 LM334 $ 2.500 $ 2.500
1 TRANSISTORES 2N2222A $ 200 $ 200
1 TRIMMER 10K $ 2.000 $ 2.000
1 ATMEGA328P $ 9.500 $ 9.500
2 BORNERAS 2 PINES $ 300 $ 600
1 LM324 $ 2.000 $ 2.000
COMUNICACIÓN
2 XBEE PRO $ 120.000 $ 240.000
2 ANTENAS 900MHz $ 5.000 $ 10.000
2 CONECTOR UF HEMBRA $ 7.700 $ 15.400
2 SMA MACHO $ 7.700 $ 15.400
1 Tarjeta USB-UART FTDI $ 32.000 $ 32.000
ENERGÍA SOLAR
1 KIT SOLAR $ 61.000 $ 61.000
1 PANEL SOLAR 1W $ 18.000 $ 18.000
1 BATERÍA LiPo 1000mA $ 20.000 $ 20.000
SISTEMA ALARMA
80 LEDS $ 200 $ 16.000
4 TRANSISTORES 2N2222A $ 200 $ 800
20 RESISTENCIAS $ 50 $ 1.000
1 PLAQUETA 30X10 $ 2.800 $ 2.800
1 BUZZER $ 800 $ 800
SENSOR
1 SENSORES $ 30.000 $ 30.000
1 ADAPTACIÓN SENSOR A LMS $ 20.000 $ 20.000
1 TUBO DE PBC (INSTALACIÓN) $ 10.000 $ 10.000
CAJAS
1 CAJA PARA LMS $ 18.000 $ 18.000
1 CAJA PARA LMB $ 40.000 $ 40.000
1 CAJA PARA SEMÁFORO $ 40.000 $ 40.000
CABLES Y CONECTORES
2 CONECTOR RIBON 2X3 HEMBRA $ 750 $ 1.500
2 CONECTOR RIBON 2X3 MACHO $ 1.900 $ 3.800
1 METROS DE CABLE RIBON X 6 HILOS $ 1.300 $ 1.300
1 CABLE MINIUSB-USB $ 5.000 $ 5.000
TOTAL PROTOTIPO $ 762.400
FUENTE: LOS AUTORES
94
Además es importante incluir los costos de ingeniería por el desarrollo del equipo,
hay que aclarar que estos se disminuyen al producirlo en cantidad, por ahora solo
se hace el cálculo (ver Cuadro 23) para la producción de uno.
Se tiene que el salario promedio de un ingeniero en Colombia es de $1‟400.000 y
considerando 192h legales al mes, se obtiene la hora de un ingeniero a $7.292. En
este proyecto trabajan dos ingenieros por lo tanto se cobrará la hora de ingeniería
en $14.584.
Cuadro 23 - Costos adicionales cargados al prototipo
Descripción Tiempo invertido (horas) Precio
Costos de ingeniería
Documentación 44,8 $ 653.363
Diseño del sistema 67,2 $ 980.045
Programación y Simulación 78,4 $ 1.143.386
Construcción y validación de
funcionamiento 33,6 $ 490.022
TOTAL $ 3.266.816
FUENTE: LOS AUTORES
Esto quiere decir que el precio final incluyendo materiales y diseño es de:
$4’029.216
95
4. INTERFAZ LMB - PC
El sistema propuesto, debe satisfacer los requerimientos propuestos inicialmente
en respuesta a las necesidades indicadas por las personas que han sido víctimas
de inundaciones, entrevistadas al inicio del proyecto, es decir, debe contar con el
elemento de monitoreo que incluya visualización y registro de los datos que se
envían desde el LMS, esto permite un reconocimiento permanente de la situación
que se presenta en el río además que facilita la identificación de una tendencia en
el nivel.
Para el desarrollo de la interfaz que se incorpora al sistema, se decide programar
en NetBeans IDE 7.2.1 en lenguaje JAVA. (Deitel & Deitel, 2004).
Ya que en este sistema toda la comunicación se realiza de manera serial, se
utiliza una Tarjeta para interfaz USB-UART FTDI (ver Figura 38) en donde se
conectan los cables que vienen desde la SUART del LMB con el objetivo de enviar
los datos desde el sistema hasta el software en JAVA.
Figura 38 - Tarjeta para interfaz USB / UART FTDI
FUENTE: (SparkFun Electronics, 2012)
Al conectar la tarjeta al computador, automáticamente se reconoce en un puerto
de comunicación que puede variar en cada ordenador.
Como tal, la interfaz cuenta con los siguientes elementos:
Tabla para almacenar los datos y visualizarlos en el orden de llegada.
Botón para generar un Jchart de tiempo (TimeSeries).
Menú de ayuda en donde se puede acceder a las instrucciones de uso y a
la información de los creadores de la interfaz y del sistema.
96
Diagrama de flujo 6 - Programa para la interfaz
FUENTE: LOS AUTORES
La secuencia lógica del programa se observa en el Diagrama de flujo 6, en donde
lo primero es establecer la ruta donde se guardará el historial del nivel del río (ver
Figura 39) y el puerto de comunicación (ver Figura 40), para esto, la interfaz
muestra una ventana para escoger la ruta, usando una ventana en donde el
usuario puede navegar fácilmente por las carpetas y seleccionar la indicada;
posteriormente la interfaz solicitará el puerto de comunicación por el cual se
conectó el sistema, esto se puede comprobar verificando en “dispositivos e
impresoras” cual fue el puerto asignado a la FTDI, una vez realizado esto, se
97
empiezan a recibir los datos por el puerto serial y se almacenan en un buffer,
paralelamente, se va creando el objeto que se va a cargar en la JTable, la idea es
que se actualice la tabla cada 5 minutos (tiempo estimado en el LMS para
muestreo del nivel), y para ello se utiliza un timer que genera un evento que le
notifica a la JTable que se debe cargar un nuevo dato.
Figura 39 - Solicitud de la ruta destino
FUENTE: LOS AUTORES, Usando NetBeans IDE 7.2.1
Figura 40 - Solicitud del COM
FUENTE: LOS AUTORES, Usando NetBeans IDE 7.2.1
98
En la Figura 41 se observa una simulación de la manera en que se van ordenando
los datos en la JTable, la ventaja de esta tabla es que se registran en conjunto la
fecha, la hora, el nivel del rio en centímetros y su respectivo nivel de alerta, que
coincide con lo mismo que muestra el Display LCD del LMB.
Figura 41 - JTable (Historial)
FUENTE: LOS AUTORES, Usando NetBeans IDE 7.2.1
Adicionalmente, desde Java se guardan en archivos .txt cada que llegue un dato
por el puerto serial, todos los datos recolectados mientras el sistema se encuentre
encendido, almacenándolos directamente en el disco duro del computador. Se
almacenan por día y cada que comience un nuevo día se crea un nuevo archivo
tipo bloc de notas, en la Figura 42 a la izquierda se representa como se van
almacenando los archivos históricos y a la derecha se muestra lo que se guarda
dentro de este archivo, que básicamente es una réplica de lo que se visualiza en
la tabla.
Figura 42 - Archivos .txt (registros)
FUENTE: LOS AUTORES.
Como se dijo anteriormente, el tercer elemento principal que contiene esta
interfaz, es el historial del nivel del rio que es generado por día y visualizado en un
timeSeries, una gráfica de tiempo vs nivel (ver Figura 43) que se crea presionando
99
el botón que sale en la pantalla principal, básicamente es lo mismo que se tiene
tanto en la tabla como en el archivo .txt, solo que se muestra de manera gráfica
para identificar una tendencia más clara con respecto al nivel del río.
Figura 43 - JChart, TimeSeries
FUENTE: LOS AUTORES, Usando NetBeans IDE 7.2.1
En el menú, se encuentra una referencia de los creadores del prototipo en el ítem
“Acerca de…” (ver Figura 44).
Figura 44 - Menú item Acerca de...
FUENTE: LOS AUTORES, Usando NetBeans IDE 7.2.1
Se pretende que la interfaz sea clara y fácil de manejar por lo tanto durante la
investigación se observaron otras pantallas que resultaron de proyectos similares
(CENAPRED, 2004) para generar la ventana propia, como resultado de ello se
obtiene la pantalla principal (ver Figura 45) en donde adicional al botón para
100
generar la gráfica y de contener la tabla, también indica a que puerto está
conectado el sistema y si la conexión es exitosa.
Figura 45 - Resultado pantalla principal
FUENTE: LOS AUTORES, Usando NetBeans IDE 7.2.1
Generación del archivo ejecutable InterfazRIO.exe
La idea del proyecto, también contempla que este software de monitoreo, no
requiera ningún tipo de instalación, sino solamente un archivo ejecutable (ver
Figura 46), el cual es muy fácil de generar teniendo los archivos .jar y las librerías.
Para este procedimiento, se utiliza el software libre LAUNCH4J (Kowal).
Figura 46 - Icono del ejecutable
FUENTE: Icono descargado internet (Icon Archive, 2013)
101
5. ANALISIS DE RESULTADOS
Al final del proceso de investigación y de culminar el desarrollo del equipo,
se obtiene el prototipo de un sistema de alerta temprana y monitoreo del nivel de
un río o una cuenca menor.
Este sistema se puede usar para alerta y monitoreo sin registrar datos sino
solamente visualizando la última medición y el estado del nivel de riesgo que este
genera. Adicionalmente está la opción de conectarlo con un computador en donde
se pueda realizar la parte de monitoreo gráfico y de almacenamiento de la variable
nivel, por el tiempo que el computador se encuentre encendido.
Las especificaciones del prototipo se relacionan en el Cuadro 24.
Cuadro 24 - Características técnicas del prototipo completo
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD DE
MEDIDA
Sensibilidad del sensor (error) +/- 0.14 %
Rango del sensor pequeño 0-20 Cm
Rango del sensor grande 0-300 Cm
Rango de alcance del dispositivo RF(con
antena) km
Consumo del Level Monitoring Station (modo
TX) 322 mA
Consumo del Level Monitoring Station (modo
sleep) 72 mA
Potencia entregada por el panel solar 500 mW
Duración de carga(modo sleep) 272 Min
Corriente entregada por el panel solar 110 mA
Voltaje de la batería 3.7 V
Corriente entregada por la batería 500 mA
Consumo del Level Monitoring Base 657 mA
Voltaje cargador del Level Monitoring Base 18 V
Corriente cargador del Level Monitoring Base 3 A
Tiempo de muestreo del dispositivo 5 min
FUENTE: LOS AUTORES
102
Como se ha indicado durante este proyecto, el sistema consta físicamente
de 2 partes: el LMS (equipo a la izquierda en la Figura 47) y el LMB (equipo
ubicado a la derecha en la Figura 47 más el semáforo ubicado al frente) que se
comunican entre sí vía inalámbrica.
Figura 47 - Foto prototipo final con sensor pequeño
FUENTE: LOS AUTORES
El equipo es de bajo costo, ya que como se puede observar en la sección
3.4, donde se relacionan los costos del prototipo, se observa que es más
103
económico que los equipos automáticos usados actualmente por la CVC que
constan de tecnologías más avanzadas teniendo el mismo objetivo.
Inicialmente el propósito de la interfaz es que fuera sencilla de manejar y
que sirva para visualizar el comportamiento del nivel del río, además de guardar
los datos en el computador, esta meta también se cumple satisfactoriamente.
En modo monitoreo, el prototipo genera la siguiente gráfica, en donde se
comprueba que los datos llegan sin errores en la comunicación, además que lo
hace en el tiempo de muestreo especificado tanto en el LMS como en el LMB.
Figura 48 - Gráfica generada por la interfaz
FUENTE: LOS AUTORES
104
105
6. CONCLUSIONES
- Se diseñó y construyó un sistema electrónico inalámbrico de alerta temprana y
monitoreo del comportamiento del nivel de los ríos que es de bajo costo.
- El estudio para el desarrollo de este proyecto, se realizó con los habitantes de
la Urbanización “La Villa” ubicada en la ciudad de Tuluá y que ha estado en
riesgo por el Río Morales durante los últimos años.
- Se utilizó un sensor capacitivo cilíndrico de aluminio de fácil construcción y de
muy buena precisión para medir el nivel del río.
- Se diseñaron y construyeron dos versiones del sensor a utilizar, uno para
instalar en condiciones reales y otro más pequeño para pruebas. Cada uno
tiene su módulo LMS para garantizar el correcto funcionamiento del sistema.
- Se determinó el esquema general que principalmente está compuesto por dos
módulos, el Level Monitoring Station y el Level Monitoring Base. Entre ellos
hay una relación constante y muy importante para el funcionamiento del
sistema en conjunto.
- Se define como fuente de alimentación una energía renovable para el LMB
usando una batería LiPo que se carga mediante energía solar por medio de un
panel fotovoltaico.
- Para este prototipo se usa la comunicación por radiofrecuencia usando los
módulos Xbee Pro 900 con protocolo Zigbee y con antenas de alta ganancia.
- Se adaptó el sistema para que trabaje al mínimo consumo, sobre todo el LMB,
el cual mantiene en modo sleep al Xbee siempre y cuando no esté
transmitiendo, reduciendo así la corriente que necesita este módulo y por lo
tanto prolongando la duración de la batería.
- Se escogió como medios para alertar a la comunidad en donde se instalará el
sistema, una alerta visual que consta de un sistema semáforo con 4 conjuntos
de leds de diferentes colores, según sea el nivel de riesgo de la alerta.
Adicionalmente cuenta con una pequeña alarma sonora.
106
- Se desarrolló una interfaz sencilla y fácil de usar en donde el usuario puede
observar por medio de una Tabla, el comportamiento del río de forma
numérica, y también se puede generar una gráfica para una visualización más
dinámica.
- El sistema tiene dos modos de trabajo, uno se limita a la generación de la
alerta y a mostrar en el display del LMB el último dato recibido; el otro modo
incluye la opción de monitoreo, permitiendo 3 funciones adicionales que son:
guardar en el disco duro de un computador el historial del comportamiento del
nivel del río, presentar en una tabla los datos que el sistema va recibiendo en
tiempo real y realizar una gráfica que relaciona hora vs nivel.
- Se redactó un manual de usuario en donde se especifican las consideraciones
a tener en cuenta para lograr el buen funcionamiento del sistema.
107
7. RECOMENDACIONES
En el LMS, se aconseja considerar usar una batería de mayor potencia
igualmente el panel solar de mayor capacidad.
Una mejora que puede tener el LMS es la implementación de una fuente de
corriente constante que tenga en su salida más de 10mA como lo es el
LT3652 que su corriente máxima es de 200mA para así cargar el capacitor
más rápido y tener un rango de medida más amplio.
Se recomienda hacer un mantenimiento frecuente al sensor, ya que por su
forma constructiva tiende a que la suciedad del río se adhiera a él con gran
facilidad, y esto puede desencadenar un mal funcionamiento del mismo.
Si se desea alcanzar mayor distancia, se pueden usar igualmente los módulos
RF pero el Xbee PRO 868 que puede alcanzar hasta 40km de distancia en
línea directa.
Para generar una alarma más impactante, se recomienda instalar un parlante
de mayor potencia aproximadamente de 20W o más, haciendo unas pequeñas
adecuaciones al circuito LMB.
En el LMB, se puede agregar un módulo de comunicación GPRS para que en
el instante en que la alerta se suba a un nivel crítico, se envíe la información
directamente a los celulares de los usuarios que así lo deseen.
Mejorar la interfaz, agregándole opciones para consultar desde allí mismo, el
comportamiento del río en fechas anteriores, implementando también una
base de datos que soporte esto con mayor confiabilidad.
Como el proyecto descrito en el presente documento es un prototipo, por lo
tanto no se especifica la parte de instalación en el río. Cuando se requiera
realizar el montaje en campo, hay que construir una estación a medida del
equipo con la debida seguridad, para evitar el daño al mismo por los
fenómenos hidrológicos y para protegerlo de manipulación por personas no
autorizadas.
108
109
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112
113
Anexo A - Manual de Usuario
La puesta en marcha del LMS es sencilla, como lo vemos en la siguiente imagen
son dos plaquetas una encima de la otra, la plaqueta que está en la parte superior
es el wireless sensor kit solar y tiene el interruptor on-off, por el cual se enciende y
apaga el dispositivo cuando sea necesario, ya que como este bloque está ubicado
en el río, solamente deberá apagarse cuando se realice el mantenimiento del
mismo.
Durante el mantenimiento es posible cargar el dispositivo por el puerto mini-usb
con la opción adicional de comunicarse con el xbee y cambiar su configuración.
Cuando el dispositivo este encendido hay una serie de indicadores por diodos led
que facilitan conocer el estado del dispositivo, estos indicadores están ubicados en
la plaqueta superior e inferior.
114
En la plaqueta superior tenemos dos conjuntos de leds:
Los leds del lado derecho indican: si el dispositivo está cargando (CH) ya
sea por el panel solar o por un cable USB conectado a un PC; otro led (OK)
se activa cuando la batería está totalmente cargada, y por último, un led
(PWR) que indica si el sistema esta encendido.
El conjunto de leds de la izquierda indican: si el Xbee está enviando (TX) y
recibiendo (RX) datos; si está trabajando o está en modo sleep en este
caso TX Y RX son leds rojos y el estado actual es un led verde que cuando
está titilando indica que el Xbee está trabajando y si no que se encuentra
durmiendo (modo de bajo consumo).
En el circuito inferior solo hay un led, este indica los estados de funcionamiento del
sensor:
1. Cada vez que encienda es porque está entrando a la interrupción del
programa del µC es decir que el condensador está cargando.
2. De acuerdo a la frecuencia de parpadeo del led, así mismo es el tiempo en
que se demora el condensador (sensor) en cargarse y descargarse, este es
115
un indicador muy importante ya que con este se diagnostica si el LMS está
funcionando correctamente.
3. Si está completamente apagado es que el condensador no alcanzó a
cargarse para eso hay que mover la perilla trimer, permitiendo así más paso
de corriente al condensador (sensor) para que pueda cargar más rápido y
llegar al punto de referencia establecido en la interrupción.
La única conexión que el usuario tiene que hacer es la del sensor al LMS ya hay
un socket con tornillos externos a la caja de acrílico del dispositivo.
En cuanto al LMS, este tiene dos modos de funcionamiento: Modo alerta sin
monitoreo y Modo alerta con monitoreo.
Modo alerta sin monitoreo: El sistema solo requiere la conexión de la fuente de
alimentación, en caso que el adaptador entregado con el prototipo se dañe, se
recomienda reemplazarlo por uno de igual capacidad, es decir, que entregue
aproximadamente 18V a 2A/3A, para no generar sobrecarga en el circuito de
regulación interna.
Los datos se recibirán por el Xbee, se visualizarán en el display indicando el
nivel actual del río y el nivel de la alerta, si el nivel supera el límite del nivel
normal-alto, entonces se emitirá una alarma indicando que se corre peligro de
desbordamiento, igualmente se visualizará en el sistema semáforo la luz roja.
116
Los rangos de alerta pequeño son los siguientes:
Rango para
sensor pequeño
Rango para
sensor grande
Nivel de alerta Color del
Semáforo
Nivel < 5 Nivel < 50 Bajo Azul
5 < nivel > 10 50 < nivel > 100 Normal Verde
10 < nivel > 15 100 < nivel > 200 Normal - Alto Amarillo
Nivel > 15 Nivel > 200 Alto Rojo + alarma
sonora
Es importante también, mantener en una buena ubicación la antena del Xbee para
evitar contratiempos en la comunicación de los módulos.
Modo alerta con monitoreo: Aplican las mismas condiciones para el otro modo
de funcionamiento del equipo, pero adicionalmente se requiere de un
computador para ir registrando los datos y a la vez observar el comportamiento
del río. Los pasos para activar este modo son los siguientes:
1. Encienda el Computador.
2. Instale el driver para que el computador reconozca el LMB. (descargar según el
sistema operativo del siguiente link: www.ftdichip.com/FTDrivers.htm)
3. Conecte el cable USB al puerto mini-usb que tiene el equipo.
4. Identifique en que puerto de comunicación fue reconocido “COM…” (Inicio ->
Dispositivos e impresoras -> No especificados -> FT232R USB UART. Dar
doble click y pestaña de hardware, USB Serial Port (COMx))
5. Abra el ejecutable InterfazRIO.exe
6. La Interfaz va explicando paso a paso lo que se debe hacer, sin embargo el
primer paso es darle a la interfaz la ruta de la carpeta en donde se guardará el
historial del monitoreo, para ello, en la interfaz se abre una ventana estilo
examinar en donde debe dirigirse al destino seleccionándola allí mismo.
7. Posteriormente, la interfaz le solicitará el puerto de comunicación, debe ingresar
en letras mayúsculas el COMx que se identificó en el punto 4, siendo x el
número asignado por el computador.
8. La interfaz por si sola empieza a registrar los datos.
117
9. Si quiere ver los datos en la gráfica, presione el botón “Generar Gráfica” que
aparece en pantalla.
10. Para revisar los archivos históricos vaya a la carpeta para cual especificó en el
punto 6 la ruta, donde se van guardando los .txt
11. Si cierra la interfaz, ya no se seguirán guardando los datos hasta esta se inicie
de nuevo.
12. Si quiere regresar al otro modo, simplemente cierre la interfaz y desconecte el
cable serial.
Nota: Adicionalmente si tiene alguna duda, en la interfaz, hay algunos pequeños
tips.
Para mayor soporte, escriba sus dudas a los correos: [email protected]
![DrRoman.ppt [Sólo lectura] - MED-INFORMATICA...9LA SOBRE-EXPRESION FAVORECE LA PÉRDIDA DE RESPUESTA/MUTACIONES (White et al. ASH 2006. Abst 2144) Abst 2144) 9IMATINIB ES UN INHIBIDOR](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/614802f5a830d0442101ce7f/slo-lectura-med-informatica-9la-sobre-expresion-favorece-la-prdida-de.jpg)
