Adquisición de la temperatura media de un edificio mediante comunicación inalámbrica by Óscar González Díez

El presente artículo completo lo puedes encontrar en el siguiente link: Adquisición de la temperatura media de un edificio mediante comunicación inalámbrica

Algunos de los materiales que utilizarán los puedes encontrar en nuestra tiena online Ferrustronix:

• Arduino Uno
• Bluetooth HC-06

RESUMEN

El objetivo principal del proyecto es gobernar unas calderas de un edificio (por ejemplo un hotel de dos plantas) mediante un dispositivo maestro que además realizará la medida de la temperatura media del edificio en conjunto con un dispositivo esclavo.

En la elaboración del sistema se ha elegido la plataforma de hardware libre Arduino, por la variedad de modelos y su gran versatilidad.

El sistema mediante los dispositivos creados realizará la adquisición de temperatura mediante un termistor. El dispositivo esclavo se la transmitirá al maestro a través de ZigBee o Bluetooth.

Para facilitar las conexiones y reducir el cableado al máximo se realizarán las placas de circuito impreso necesarias (por ejemplo una shield para el dispositivo esclavo).

Podremos visualizar las temperaturas medidas, así como modificar la temperatura deseada desde el dispositivo maestro (que incorpora una shield con LCD y botones) o a través de Internet gracias a la unión de dos Servicios Web: Xively y Temboo.

Xively nos sirve para almacenar en la nube la información proveniente del dispositivo maestro y poder manejarla directamente desde su propia página web o a través de un smarthone mediante una aplicación para Android creada específicamente para este proyecto. Por otro lado Temboo tiene como función facilitar la comunicación de nuestra placa de Arduino del dispositivo maestro y de nuestra aplicación Android con la nube creada en Xively.

La domótica, se define como la integración de la tecnología en el diseño inteligente de un recinto cerrado. Los servicios que ofrece se agrupan en:

• Programación y ahorro energético
• Confort
• Seguridad
• Comunicaciones
• Accesibilidad

El objetivo del proyecto es diseñar un sistema que permita adquirir la temperatura media de un hotel de dos plantas, así como gobernar las calderas.

La idea del proyecto está concretamente pensada para hoteles situados en zonas frías, que cierran en invierno y tienen que tener especial cuidado de mantener una temperatura media mínima para que las tuberías no se congelen y evitar averías mayores.

Por lo tanto, por razones de accesibilidad el sistema se ha de diseñar para que se pueda interactuar con él a larga distancia además de in situ.

Descripción del proyecto.

El objetivo es comunicar de manera estable y en tiempo real dos placas de Arduino, una maestra y otra esclava; y a su vez comunicar la maestra con Internet para poder interactuar con un ordenador o un smartphone.

Componentes principales del sistema

• Arduino maestro – Arduino Yún
• Arduino esclavo – Arduino UNO

Componentes secundarios del sistema

• Sensor de temperatura (termistor) Pantalla LCD + Keypad – LCD Keypad Shield 16×2 HD44780
• Módulo transceptor de Radio Frecuencia o módulo Bluetooth
• RF Transceiver Module MRF24J40MA
• Bluetooth Module HC-05 Master-Slave
• Bluetooth Module HC-06 Slave

Descripción y justificación de la solución adoptada.

Introducción

Este proyecto se va a basar en Arduino, que es una plataforma de electrónica abierta (hardware libre) para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos.

Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y otros actuadores. Además tiene multitud de shields, que son circuitos impresos que facilitan la conexión de sensores, relés, LCD, etc.

El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en C/C++) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing) que para proyectos sencillos está bien pero cuando queremos realizar algún proyecto más complejo como es el caso no es suficiente, por lo que utilizaremos el entorno „Sublime Text‟ con el Package “Arduino-like IDE”, que nos aporta las características que necesitaremos del entorno original.

Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un ordenador, solo necesitándolo para su programación..

Dispositivo maestro

De la gama de placas Arduino, la que mejor se ajusta a las características que queremos para nuestro dispositivo maestro es el Arduino Yún, una placa similar al Arduino Leonardo pero que incorpora conector USB estándar, un slot para tarjetas microSD, WiFi y conectividad Ethernet; por lo que nos permite utilizar el shield de LCD + Keypad que hubiera sido imposible de combinar con la shield WiFi.

Además es la primera placa Arduino que incluye Linux, en concreto una distribución llamada Linino basada en OpenWRT; por lo que es similar a un Router WiFi. Es decir, que por un lado contamos con toda la conectividad y capacidad de desarrollo de un Arduino y por el otro con una máquina Linux, lo que hace que podamos ejecutar comandos, aplicaciones o scripts en el lado Linux mientras que utilizamos su conectividad Ethernet y WiFi.

Para facilitar la programación web, incluye una librería puente (bridge) que conecta las transacciones HTTP entre los dos lados (Linux y microcontrolador), lo que facilita muchísimo el uso de Servicios Web.

Dispositivo esclavo

En este caso, entre la gama de placas Arduino tenemos varias que reúnen las características necesarias; pero sin duda la Arduino UNO R3 es una elección acertada ya que es una opción barata y existe multitud de información en Internet de este modelo (no es así en el caso del modelo Yún) por lo que podemos solventar problemas más fácilmente aprovechando su similitud con el Arduino Yún a la hora de comprobar errores.

Sensor de temperatura

El termistor elegido es el Dallas DS18B20 que se comunica de forma digital, con una precisión de 9 a 10 bits desde -55C a 125C con un margen de error de tan solo 0.5 ºC.

La ventaja principal que presentan estos sensores es que cada sensor incorpora de fábrica un número de serie de 64 bits que permite que conectar hasta 100 dispositivos a un único pin y a una distancia máxima de nuestro Arduino de 200 metros. Dichos sensores emplean el protocolo de comunicación en serie 1-wire.

Módulos de comunicación entre maestro-esclavo

Ante la diversidad de opciones disponibles se han seleccionado Zigbee (estándar IEEE 802.15.4) y Bluetooth (estándar IEEE 802.15.1) como las especificaciones a utilizar en nuestro proyecto.

ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radiodifusión digital de bajo consumo y funciona en la banda de 2,4 GHz.

Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. Además de su bajo consumo ofrece una fácil integración (se fabrican nodos con muy poca electrónica) así como topología de red en malla, estrella o árbol.

El módulo más popular para utilizar con Arduino es el Xbee por su interfaz USART que facilita la puerta en marcha, pero también es caro; sobre todo si queremos incluir gran cantidad de esclavos.

Por lo tanto es preferible utilizar un módulo como el MRF24J40MA, con menor consumo de corriente, mayor sensibilidad y un costo menor que el Xbee, con la única desventaja del uso de la interfaz SPI.

El Bluetooth es un estándar de comunicación inalámbrica que permite la transmisión de datos a través de radiofrecuencia en la banda de 2,4 GHz.

Existen muchos módulos Bluetooth para usarlos en nuestros proyectos de electrónica, pero los más utilizados son los módulos de JY-MCU, ya que son muy económicos y fáciles de encontrar en el mercado. Son módulos pequeños y con un consumo muy bajo que nos permitirán agregar funcionalidades Bluetooth a nuestro Arduino. Estos módulos contienen el chip con una placa de desarrollo con los pins necesarios para la comunicación serie.

Existen dos modelos de módulos Bluetooth: el HC-05 que puede ser maestro/esclavo, y el HC-06 que solo puede actuar como esclavo. La diferencia entre maestro y esclavo es que en modo esclavo es el dispositivo quien se conecta al módulo, mientras que en modo maestro es el módulo quien se conecta con un dispositivo.

ZigBee es muy similar al Bluetooth pero con algunas diferencias y ventajas para domótica como:

• Una red ZigBee puede constar de un máximo de 65535 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, frente a los ocho máximos de una subred (Piconet) Bluetooth.
• Zigbee tiene más alcance que Bluetooth.
• Menor consumo eléctrico que el de Bluetooth. En términos exactos, ZigBee tiene un consumo de 30 mA transmitiendo y de 3 μA en reposo, frente a los 40 mA transmitiendo y 0,2 mA en reposo que tiene el Bluetooth. Este menor consumo se debe a que el sistema ZigBee se queda la mayor parte del tiempo dormido, mientras que en una comunicación Bluetooth esto no se puede dar, y siempre se está transmitiendo y/o recibiendo.
• Tiene una velocidad de hasta 250 kbit/s, mientras que en Bluetooth es de hasta 3000 kbs.
• Debido a las velocidades de cada uno, uno es más apropiado que el otro para ciertas cosas. Por ejemplo, mientras que el Bluetooth se usa para aplicaciones como los teléfonos móviles y la informática casera, la velocidad del ZigBee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como la Domótica, los productos dependientes de la batería, los sensores médicos, y en artículos de juguetería, en los cuales la transferencia de datos es menor.

Para la magnitud del proyecto con el uso del Bluetooth es suficiente y bastante recomendable (por la facilidad conexión de los módulos) ya que de precio son parecidos.

Es adecuado tener en cuenta la posibilidad de utilizar Zigbee en el caso de necesitar más alcance, cuando se tienen más de 7 dispositivos esclavos, o simplemente se busca un menor consumo.

BIBLIOGRAFÍA

González Díez, Ó. (2014). Adquisición de la temperatura media de un edificio mediante comunicación inalámbrica.