ambos.
Figura 13 - Diagrama medios de comunicación
Fuente: HERRAMIENTAS TELEMÁTICAS, Medios Guiados y no Guiados. [En línea] [Citado el 14
de noviembre de 2015]. Disponible en:
http://www.herramientastelematicas1115.weebly.com/medios-guiados-y-no-guiados.html)
2.5.2.1 Par Trenzado: Uno de los medios de transmisión más antiguos y todavía el más común es el par trenzado. Un par trenzado consta de dos cables de cobre aislados, por lo general de 1 mm de grosor. Los cables están trenzados en forma helicoidal, justo igual que una molécula de ADN. El trenzado se debe a que dos cables paralelos constituyen una antena simple. Cuando se trenzan los cables, las ondas de distintos trenzados se cancelan y el cable irradia con menos efectividad. Por lo general una señal se transmite como la diferencia en el voltaje entre los dos cables en el par. Esto ofrece una mejor inmunidad al ruido externo, ya que éste tiende a afectar ambos cables en la misma proporción y en consecuencia, el diferencial queda sin modificación.47
47 TANENBAUM, Andrés S, Wetherall, David. Redes de Computadoras, 5 Edición. México:
Figura 14 - Cable trenzado
Fuente: BLOG CISCO ROUTER SWITCH, “CAT5 vs. CAT5e vs. CAT6”. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://ciscorouterswitch.over-blog.com/article-cat5-vs-cat5e-vs-cat6-125134063.html
2.5.2.2 802.11 (WiFi): Las redes 802.11 están compuestas de clientes (como laptops y teléfonos móviles) y de una infraestructura llamada AP (Puntos de Acceso) que se instala en los edificios. Algunas veces a los puntos de acceso se les llama estaciones base. Los puntos de acceso se conectan a la red alámbrica y toda la comunicación entre los clientes se lleva a cabo a través de un punto de acceso. También es posible que los clientes que están dentro del rango del radio se comuniquen en forma directa, como en el caso de dos computadoras en una oficina sin un punto de acceso. A este arreglo se le conoce como red ad hoc. Se utiliza con menor frecuencia que el modo de punto de acceso.48
Figura 15 - Clasificación Redes Inalámbricas
Fuente: WIKIPEDIA, Red Inalámbrica. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Red_inal%C3%A1mbrica
48 TANENBAUM, Andrés S, Wetherall, David. Redes de Computadoras, 5 Edición. México:
2.5.3 Topologías de Red: el término “topología” se refiere al diseño de la red, bien sea ésta física o lógica. La topología de la red se refiere a la representación geométrica de los distintos enlaces entre los dispositivos o nodos. Existen, básicamente, cuatro topologías diferentes para la construcción de una red de área local.49
Figura 16 - Topologías de red
Fuente: BLOG SERVICIO DE REDES INFORMÁTICAS, Tipos de Redes. [En línea] [Citado el 17 de noviembre de 2015] http://redessil.blogspot.com.co/2014/12/tipos-de-redes_9.html
2.5.3.1 Topología en bus y en árbol: en la topología en bus todas las estaciones se encuentran conectadas directamente a un medio de transmisión lineal o bus. Se permite la transmisión en dúplex y ésta circula en todas direcciones a lo largo del bus, pudiendo cada estación recibir o transmitir. Hay terminales pasivos en cada extremo del bus para que las señales no se reflejen y vuelvan al bus.
La topología en árbol es similar a la de bus, pero se permiten ramificaciones a partir de un punto llamado raíz, aunque no se permiten bucles.50
2.5.3.2 Topología en anillo: la red consta de una serie de repetidores (simples mecanismos que reciben y retransmiten información sin almacenarla) conectados unos a otros en forma circular (anillo). Cada estación está conectada a un repetidor, que es el que pasa información de la red a la estación y de la estación a la red. Los datos circulan en el anillo en una sola dirección.
49 HUIDOBRO MOYA, José Manuel. Telecomunicaciones Tecnologías, redes y servicios. Bogotá:
Ra-Ma, 2011, p. 188
50 HUIDOBRO MOYA, José Manuel. Telecomunicaciones Tecnologías, redes y servicios. Bogotá:
La información también se divide en tramas con identificadores sobre la estación de destino. Cuando una trama llega a un repetidor, este tiene la lógica suficiente como para reenviarla a su estación (si el identificador es el mismo) o dejarla pasar si no es el mismo. Cuando la trama llega a la estación origen es eliminada de la red.51
2.5.3.3 Topología en estrella: en este caso, se trata de un nodo central del cual salen los cableados para cada estación. Las estaciones se comunican unas con otras a través del nodo central. Hay dos maneras de funcionamiento de este nodo: este nodo es un mero repetidor de las tramas que llegan (cuando le llega una trama de cualquier estación, la retransmite a todas las demás), en cuyo caso, la red funciona igual que un bus; otra manera es de repetidor de las tramas pero solo las repite al destino (usando la identificación de cada estación y los datos de destino que contiene la trama) tras haberlas almacenado.52
2.6 PROGRAMACIÓN
En terminología informática, se llama programación a la creación de un programa de computadora, es decir, elaborar un conjunto concreto de instrucciones que una computadora pueda ejecutar. Un programa es una secuencia no ambigua, finita y ordenada de instrucciones que han de seguirse para resolver un problema. Normalmente implementa (traduce a un lenguaje de programación concreto) un algoritmo, es decir, lo traduce a algún lenguaje de programación.
Un programa de computadora se escribe en algún lenguaje de programación, aunque también se puede escribir directamente en lenguaje máquina, pero en este caso la dificultad es mayor. También se puede dividir en diversas partes, que pueden estar escritas en lenguajes distintos cada una de ellas. Cuando se elabora un programa, generalmente, y sobre todo si pertenece al ámbito comercial, se le denomina software que es el sustantivo que hace referencia a los programas y datos de computadora.
La programación de computadores debe perseguir tres objetivos fundamentales:
Corrección: un programa es correcto si hace lo que debe hacer. Para comprobarlo es muy importante especificar de manera clara cuales son los datos sobre los que el programa trabaja, y lo que se tiene que hacer con ellos. Todo ello se debe pensar y documentar antes de desarrollarlo y, una vez acabado, comprobar lo que realmente hace.
Eficiencia: debe consumir la menor cantidad de recursos posible. Normalmente al hablar de eficiencia se suele hacer referencia al consumo
51 Ibid p. 188 52 Ibid p. 189
de tiempo y/o memoria. La eficiencia y la claridad de un programa pueden ser objetivos contrapuestos: se puede conseguir mayor claridad sacrificando parte de la eficiencia y viceversa.
Claridad: es muy importante que el programa sea lo más claro y legible posible para facilitar al máximo el mantenimiento posterior del software. Cuando el código del programa ya está escrito y probado se deben buscar errores y si los hay corregirlos.53
2.6.1 Lenguaje C++: el lenguaje C++ apareció oficialmente en 1983, fecha de las primeras utilizaciones fuera del laboratorio que lo vio nacer, AT&T. Su creador, Bjarne Stroustrup, había iniciado sus trabajos varios años antes, probablemente hacia 1980. El lenguaje C++ se elaboró conservando la mayoría de los conceptos del lenguaje C, su predecesor. En el tiempo que siguió, ambos lenguajes tomaron prestados elementos entre sí. Como lenguaje C, C++ adopta una visión muy cercana al lenguaje máquina. En un principio se destinó a escribir sistemas operativos, pero sus características le abrieron perspectivas nuevas. El lenguaje está formado por instrucciones muy explicitas, cortas, cuya duración de ejecución puede preverse con antelación, en el momento de escribir el programa. Como el número de instrucciones y notaciones ha sido limitado de forma voluntaria, las interpretaciones de las construcciones semánticas son múltiples y eso es sin duda lo que el creador del lenguaje C++ designa con el termino expresividad.54
2.6.2 Lenguaje Java: la creación de este lenguaje y plataforma se inspiró en las funcionalidades interesantes propuestas por otros lenguajes tales como C++, Eiffel, SmallTalk, Objective C, Cedar/ Mesa, Ada, Perl.
El resultado es una plataforma y un lenguaje idóneos para el desarrollo de aplicaciones seguras, distribuidas y portables en numerosos periféricos y sistemas transportables interconectados en red pero también en Internet (clientes ligeros), y en estaciones de trabajo (clientes pesados).
Primero apodado C++-- (C++ sin sus defectos), más tarde OAK, (un nombre ya utilizado en informática), lo bautizaron finalmente Java, palabra de argot que significa café, debido a las cantidades de café tomadas por los programadores y en particular por los diseñadores. Y así, en 1991 nació el lenguaje Java.
Con base a las necesidades expresadas, se necesitaba un lenguaje y una plataforma sencillos y eficaces, destinados al desarrollo y al despliegue de aplicaciones securizadas, en sistemas heterogéneos en un entorno distribuido, con un consumo de recursos mínimo y que funcionara en cualquier plataforma física y de software.
53 XHAFA, Fatos, Vázquez, Pere Pau, Gómez Jordi, Molinero, Javier, Martín, Ángela.
Programación en C++ para ingenieros. Madrid: Thomson, 2006, p. 28.
El diseño de Java aportó una respuesta eficaz a esas necesidades:
Lenguaje de sintaxis sencilla, orientada a objetos e interpretada, que permite optimizar el tiempo y el ciclo de desarrollo (compilación y ejecución).
Las aplicaciones son portables sin modificación en numerosas plataformas físicas y sistemas operativos.
Las aplicaciones son resistentes porque el motor de ejecución de Java se encarga de la gestión de la memoria (Java Runtime Environment), y es más fácil escribir programas sin error en comparación a C++, debido a un mecanismo de gestión de errores más evolucionado y estricto.
Las aplicaciones y en particular las aplicaciones gráficas son eficaces debido a la puesta en marcha y a la asunción del funcionamiento de varios procesos ligeros (Thread y multithreading).
El funcionamiento de las aplicaciones está securizado, en particular en el caso de los Java Applets en los cuales el motor de ejecución de Java se encarga de que el Applet no realice ninguna manipulación u operación peligrosa.
3 DISEÑO GENERAL
Debido a que el proyecto corresponde a un sistema de control donde se encuentran unas entradas, unos procesos a esas entradas y una salida final a este proceso la cual será la acción del sistema para mantener o controlar una variable dentro del umbral requerido se utilizará el esquema entrada, proceso, salida. Figura 17 - Diagrama general de un sistema de control
Fuente: SISTEMAS UMA, Sistemas y teoría general de sistemas. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015] http://sistemasumma.com/2011/11/03/sistemas-y-teoria-general-de-sistemas/
3.1 ENTRADAS
Este proyecto tiene como entradas las mediciones tomadas por los sensores, dado que las variables a medir y controlar son las de temperatura, humedad y luminosidad. Es por la característica de los sensores de imitar ciertas capacidades de percepción de las personas que se decide la utilización de estos en la implementación del prototipo, así de esta manera se pueden seguir midiendo las mismas variables del entorno agrícola como lo hacen los agricultores pero con elementos que garanticen más precisión.
3.1.1 Temperatura: para el sensor de temperatura se tomará como elección el MXL90615, una de las características más llamativas de este sensor, es que es un termómetro infrarrojo para mediciones de temperatura sin contacto lo cual es una característica beneficiosa para las plantas ya que no requiere contacto directo con estas y por ende no requiere ser amarrado o colgado de esta entrometiéndose en su crecimiento.
El MLX90615 se construye a partir de 2 chips, el detector de termopila Infrarrojo y el acondicionador de la señal del chip MLX90325, este es especialmente diseñado por Melexis para procesar la salida del sensor de infrarrojos. Gracias al amplificador de bajo ruido, alta resolución ADC de 16 bits y potente unidad DSP del MLX90325, este es capaz de ofrecer una alta precisión y alta resolución en el termómetro infrarrojo. El objeto medido y la temperatura ambiente se encuentran disponibles en la memoria RAM del MLX90325 con una resolución de 0,02 °C. Los valores son accesibles por 2 hilos y un protocolo compatible con SMBus serial con una resolución de 0,02 °C o a través de un 10-bit PWM (Pulse Width Modulada –
Modulación por ancho de pulso-) de la señal del dispositivo. El MLX90615 es calibrado en rangos de temperatura estándar de la fábrica: desde -40 hasta 85 °C de la temperatura ambiente y de -40 hasta 115 °C de la temperatura del objeto. Como estándar, el MLX90615 se entrega con una emisión objeto programada de 1. Puede ser fácilmente personalizado por el usuario para cualquier otro tipo de emisión en el rango de 0,1 a 1,0, sin necesidad de recalibración con un cuerpo negro. El MLX90615 puede ser alimentado por batería.55
Tabla 3 - Características de operación Sensor de Temperatura
Fuente: MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 4
Figura 18 - Diagrama de bloques (Sensor de Temperaura)
Fuente: MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 8
Características:
55 MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615,
Calibrado de fábrica en amplio rango de temperatura: -40 - 85 ° C para el sensor de temperatura y -40 - 115 ° C para la temperatura del objeto.
Alta precisión de 0,5 ° C en todo el rango de temperatura (0 - 50 ° C, tanto para TA y TO)
Resolución de la medición de 0,02 ° C
Interfaz digital compatible SMBus
Modo de ahorro de energía
Salida PWM personalizada para la lectura continua
Tensión de alimentación de 3V Figura 19 - Sensor de Temperatura
Fuente: MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 1
3.1.2 Humedad: para el sensor de humedad utilizaremos el HIH-4000 el cual tiene un desempeño bastante acorde con las necesidades del proyecto, principalmente por que cubre todo el rango de humedad medible, es decir, tiene la capacidad de medir desde un 0% hasta un 100% de Humedad relativa, sin embargo aunque el tiempo de estabilización es de máximo 70 ms, se debe tener en cuenta en la programación que el tiempo de respuesta de este sensor es de 15 s, este factor es un poco delicado dado que se puede, si no se realiza un buen control, pasarse en el tiempo de riego y producir un exceso de humedad.
Los sensores de humedad series HIH-4000 están diseñados específicamente para usuarios de alto volumen de OEM (Original Equipment Manufacturer). Entrada directa a un controlador u otro dispositivo se hace posible por la salida de tensión lineal cerca de este sensor. Con un consumo de corriente típico de 200 microA, la Serie HIH-4000 es a menudo ideal para bajo consumo, sistemas operados por batería. La estrecha intercambiabilidad del sensor reduce o elimina los costos de calibración de producción OEM. La serie HIH-4000 ofrece calidad de instrumentación un rendimiento de detección de HR (Humedad Relativa) en un precio competitivo, SIP soldable (Single In-line Package). Disponible en dos configuraciones de separación de conductores, el sensor de humedad relativa es un láser recortado, polímero termoestable capacitivo que sensa el elemento con acondicionamiento de señales en el chip integrado. La construcción de múltiples
capas del elemento de detección proporciona una excelente resistencia a la mayoría de los riesgos de aplicación, tales como agentes humectantes, polvo, suciedad, aceites y productos químicos ambientales comunes.56
Las especificaciones de este sensor se observan en la gráfica siguiente. Tabla 4 - Características de operación Sensor de Humedad
Fuente: HONEYWELL, Humidity sensors, datasheet HIH-4000 Series, 2005, p. 2
Características:
Sensor de humedad de alta precisión, salida de voltaje lineal.
Carcasa de plástico termoestable moldeada
Diseño de baja potencia
Precisión mejorada
Tiempo de respuesta rápido
Estable, desviación baja.
Resistente químicamente Figura 20 - Sensor de Humedad
Fuente: SIGMA ELECTRONICA LTDA, Catalogo-Sensores-Humedad. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.sigmaelectronica.net/4000-p-1227.html
3.1.3 Luminosidad: para controlar la luminosidad utilizaremos el sensor LX1972, el cual es un sensor de bajo costo pero de alta precisión y alta velocidad de respuesta. Este sensor es superior en calidad y desempeño a la comúnmente usada Fotorresistencia, la cual no tiene una respuesta rápida.
El LX1972 es un sensor de luz de silicio con la respuesta espectral que emula de cerca el ojo humano. Circuitos patentados producen respuesta espectral pico a 520 nm, con una respuesta IR menos de ± 5%, de la respuesta máxima, por encima de 900 nm. El fotosensor es un arreglo de diodos PIN con una función de transferencia lineal, precisa y muy repetible. La alta ganancia de corriente reflejada en el chip multiplica el diodo PIN foto-corriente a un nivel de sensibilidad que puede ser escalada de tensión con una resistencia externa valor estándar. La corriente de salida de este dispositivo fácil de usar de dos pines se puede utilizar directamente o se convierte a una tensión mediante la colocación en serie con una sola resistencia en cualquiera de sus dos pines.
El rango dinámico se determina por las resistencias (típicamente en el rango de 10K a 100K) y los valores de suministro de energía. Normalmente, el LX1972 necesita sólo 1,8 V en espacio libre para operar a 1.000 Lux de iluminación. La compensación de temperatura interna permite corriente oscura que se mantiene por debajo de 200nA sobre el rango de temperatura de especificación (-40 a + 85 °C), que proporciona una alta precisión en los niveles bajos de luz. El sensor es utilizable en ambientes cuyo rango de condiciones de luz es de 1 a más de 5.000 Lux. El LX1972 está optimizado para el control de los sistemas de iluminación de fondo en productos de bajo consumo, tales como TV LCD, ordenadores portátiles y cámaras digitales.57
Tabla 5 - Características de operación Sensor de Luminosidad
Fuente: MICROSEMI. Ambient Light Detector, datasheet LX1972 product specification, 2004, p. 4
Figura 21 - Diagrama de bloque (Sensor de luminosidad)
Fuente: MICROSEMI. Ambient Light Detector. datasheet LX1972 product specification, 2004, p. 5
Características:
Sensor de luz cuya respuesta espectral, es muy similar a la del ojo humano.
Este sensor tiene un arreglo PIN Diodo, el cual tiene una función de transferencia lineal, precisa y muy repetitiva.
Entrega una salida de corriente correspondiente a la intensidad de luz recibida, su pico espectral lo tiene a 520nm.
Rango luz: entre 1 a 5000 luxes.
Voltaje de operación: 3V, hasta 5V.
Dimensiones: 3.2mm x 1.6mm x 1.1mm
Empaque: superficial 1206.
Figura 22 - Esquema de Sensor de Luminosidad
3.2 PROCESOS
En la parte de procesos se tratará la parte del controlador, este se encarga de recibir las señales de los sensores y con base es su lógica y/o programación emitirá una señal de respuesta hacia los actuadores para reaccionar ante los cambios en las variables medidas.
3.2.1 PLC: en cuanto a potencia, capacidad y diseño funcional el PLC es uno de los más completos sistemas de control para estas variables climáticas, sin embargo, no es lo que se quiere implementar principalmente por el costo de este elemento y también los conocimientos que se requieren para programar este dispositivo, esto sumado al consumo de energía del PLC lo hace un producto poco conveniente para nuestro proyecto.
Figura 23 - PLC (Controlador Lógico Programable)
Fuente: WINDTECH, Repair and services. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.windtechautomation.com/services.html?
3.2.2 Microcontrolador: el otro dispositivo que podemos utilizar es un microcontrolador, este elemento permite ser programado para recibir una señal en uno o más pines de entrada y conforme al programa que se haya digitado emitir una señal de salida por otro pin como respuesta. En cuanto a costos es el diseño más económico de implementar dado que se compran los elementos por independiente y se pueden soldar reduciendo el costo de la fábrica.
El inconveniente para esta implementación es que el microcontrolador por sí solo no sirve como se desea, este elemento requiere de un circuito que lo acompañe para poder funcionar, este circuito puede contener resistencias, condensadores, transistores, entre otros, que se pueden montar sobre una protoboard o una baquelita; este sistema de circuito soldado sobre baquelita es muy prominente a fallas en alguno de sus elementos o de las soldaduras dado que se requiere una
amplia experiencia y habilidad para dejar un producto bien terminado, en este