Materiales pétreos empleados en monumentos. Estudio de características físicas y alterabilidad por factores ambientales

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Control y monitorización de un huerto urbano Departamento de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Jose Manuel Rico Cabezudo Tutor: Juan de la Cruz García Ortega Sevilla, 2023 ii iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Control y monitorización de un huerto urbano Autor: Jose Manuel Rico Cabezudo Tutor: Juan de la Cruz García Ortega Profesor titular Departamento de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iv v Proyecto Fin de Carrera: Control y monitorización de un huerto urbano Autor: Jose Manuel Rico Cabezudo Tutor: Juan de la Cruz García Ortega El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vi vii Resumen El objetivo de este estudio es tener la posibilidad de crear un sistema de riego autónomo para un huerto urbano a través de la plataforma Arduino IDE. Por lo tanto, se realizó un estudio de la información necesaria para un correcto riego, así como que sistema de regadío es más eficiente para el usuario. Los resultados mostraron que este sistema monitoriza los requisitos preestablecidos y se puede establecer un control sobre este dependiendo de diversos factores, así como que la inclusión de diversos parámetros modificables con el objetivo de tener a disposición de plantar cualquier tipo de cultivo. No obstante, se llegó a la conclusión que queda margen de mejora de este para futuras implementaciones. Por ejemplo, un conexionado completo a través de una placa de circuito impreso (PCB). viii ix Abstract The objective of this study is to have the possibility of creating an autonomous irrigation system for an urban garden through the Arduino IDE platform. Therefore, a study of the information necessary for proper irrigation was carried out, as well as which irrigation system is more efficient for the user. The results showed that this system monitors the pre-established requirements and can establish a control over it depending on various factors, as well as the inclusion of various modifiable parameters in order to have available to plant any type of crop. However, it was concluded that there is room for improvement of this for future implementations. For example, a complete connection through a printed circuit board (PCB). xvi Figura 74. Prueba 4: Visualización de la página web 50 Figura 75. Prueba 4: Nuevo radio mayor (página web) 51 Figura 76. Prueba 4: Nuevo radio mayor (monitor serie) 52 Figura 77. Prueba 4: Actualización del nuevo radio mayor (página web) 53 Figura 78. Prueba 4: Nuevo radio menor (página web) 54 Figura 79. Prueba 4: Nuevo radio menor (monitor serie) 55 Figura 80. Prueba 4: Actualización del nuevo radio menor (página web) 56 Figura 81. Prueba 4: Nueva distancia base (página web) 57 Figura 82. Prueba 4: Nueva distancia base (monitor serie) 58 Figura 83. Prueba 4: Actualización de la nueva distancia base (página web) 59 Figura 84. Prueba 4: Nuevo umbral de humedad (página web) 60 Figura 85. Prueba 4: Nuevo umbral de humedad (monitor serie) 61 Figura 86. Prueba 4: Actualización de la nueva distancia base (página web) 62 Figura 87. Prueba 4: Nuevo rango de temperatura (página web) 63 Figura 88. Prueba 4: Nuevo rango de temperatura (monitor serie) 64 Figura 89. Prueba 4: Actualización del nuevo rango de temperatura (página web) 65 Figura 90. Prueba 5: Condición de activación de la mini bomba 1 66 Figura 91. Prueba 5: Activación de la mini bomba 1 67 Figura 92. Prueba 5: Bloqueo de la mini bomba 1 68 Figura 93. Prueba 5: Estado de la mini bomba 1 (monitor serie) 69 Figura 94. Prueba 5: Estado de la mini bomba 1 (pantalla LCD) 69 Figura 95. Prueba 5: Estado de la mini bomba 1 (página web) 70 Figura 96. Prueba 5: Reset 71 Figura 97. Prueba 5: Números negativos 72 Figura 98. Prueba 5: Exceso de rango 73 Figura 99. Prueba 5: Fallo en la distancia base (página web) 74 Figura 100. Prueba 5: Fallo en la distancia base (pantalla LCD) 74 xvii Notación V Voltios mA Miliamperios ºC Grados centígrados % Porcentaje RH Humedad relativa (Relative Humidity) s Segundos cm Centímetros m Metros º Grados sexagesimales TTL Lógica transistor a transistor (Transistor-Transistor Logic) μS Microsiemens mm Milímetros MHz Megahercios MB Megabyte L Litro Li-Ion Iones de litio mAh Miliamperio hora Índice de Figuras xviii xviii 1 1 INTRODUCCIÓN n los días que vivimos, cada vez más personas implementan el uso de la tecnología en sus hogares en todo tipo de tareas. A su vez también se ha presenciado en las últimas décadas el inminente crecimiento de la población que busca una alimentación sostenible. De aquí, se llegó a la conclusión que de ambos tipos de interés creciera un proyecto que pudiera satisfacer esa necesidad nutricional, así como esa actualización en el modo de conseguirla, llegando a la conclusión de la automatización de un huerto urbano sostenible. Dicho proyecto esconde otras razones que favorecieron a su desarrollo, una de las cuales fue el disminuir el cuidado que requiere la agricultura en casa. Ya que la mayoría de la población se encuentra fuera de casa gran parte del día y cuando llegan se encuentran con cansancio o fatiga, entonces se quiso proporcionar un sistema que les permita no perder tiempo. Pero a su vez también se proporciona un control sobre el mismo, pues el ser humano se ha vuelto adicto a las tecnologías y si pudiéramos ver los datos de control y monitorización del huerto a través de un ordenador o un smartphone no dudaríamos en verlo más de una vez al cabo del día. Por último, cabe mencionar que en estos últimos años con la aparición del COVID-19 se ha incrementado el número de personas que realizan proyectos tecnológicos caseros, por lo que este proyecto favorece a que las personas aprendan de forma autodidacta el software de Arduino IDE, así como los sensores y actuadores compatibles con los microcontroladores y su correcta implementación en los mismos. La metodología utilizada ha sido partir de modelos de cajas negras para hacernos una idea general de que buscamos hasta desentrañar que tipo de sensor o actuador puede ser el utilizado de forma más eficiente, con sus correspondientes pruebas de funcionamiento individual y global. E Aprender es el comienzo de la riqueza. Aprender es el comienzo de la salud. Aprender es el comienzo de la espiritualidad. En la búsqueda y aprendizaje es donde comienza el proceso milagroso. - Jim Rohn - Introducción 2 1.1 Requisitos Los requisitos iniciales son: 1. Conseguir un sistema de riego automático que no requiera de estudios específicos para su uso, es decir, que una persona sin conocimientos relacionados con la informática pueda utilizarlo. 2. Poder disponer de información sobre la humedad de la tierra al instante y así saber si es necesario regar o no en cualquier momento. 3. Disponer de la información a distancia, es decir, sin tener que estar presente en el huerto. 4. Poder decidir regar solo una zona determinada del huerto 5. Ser capaces de manipular la temperatura a la que queremos regar, evitando regar en horas de frío o extremo calor. 6. Saber si el depósito de agua necesita rellenarse. 7. Tener margen de mejora por si se quisiera mejorar el sistema por parte del propietario. 1.2 Objetivos La finalidad del proyecto construido es la creación de un sistema electrónico que nos permita el control y monitorización de un huerto. Al buscar la información más relevante a la hora del riego de un huerto, se concluye que es la humedad de la tierra de cultivo. Además de la temperatura ambiente, pues dependiendo de esta el riego será óptimo. Cómo el objetivo es el riego de un huerto se necesita un depósito, cuya existencia implica el conocimiento del nivel de agua de este. Además, se requiere un dispositivo capaz de analizar la información y visualizarla, teniendo en cuenta por tanto la necesidad de una fuente de alimentación. Para la correcta realización de los objetivos se seguirá la siguiente metodología: - Estructurar de forma general el sistema propuesto. - A través de una primera puesta en marcha se decidirá como implementar este sistema de forma eficiente. - Investigar cada uno de los componentes requeridos, a su vez viendo las discrepancias entre los elementos de la misma clase y cual es mejor utilizar según nuestra finalidad, la cual puede ser de una mayor calidad lo cual implica que nuestro componente será más caro o viceversa. - Realizar las comprobaciones de cada uno de los componentes integrados con nuestro microcontrolador. - Implementación general de todos los componentes creando un sistema conjunto, con sus correspondientes conexiones, así como la programación de estos. - Mediante un experimento real veremos el funcionamiento de nuestro proyecto. - Analizar los resultados obtenidos y proponer actualizaciones o mejoras posibles para dicho proyecto. Temperatura ambiente Humedad del suelo Nivel de agua Dispositivo Figura 1. Objetivos Usuario Alimentación 3 2 SISTEMA omenzaremos describiendo desde un punto de vista general, obteniendo así una primera clasificación del sistema tal y como se muestra en la Figura 1. Desde este instante se realizarán referencias a este diagrama general en el desarrollo de nuestro proyecto. Como podemos observar la información se obtendrá mediante los sensores, la cual posteriormente se procesará en un microcontrolador el cual estará programado para que los actuadores funcionen según las directrices de la información procesada. A su vez la comunicación con el usuario podrá realizarse en diversas formas cada una de ellas con distinto nivel de prestaciones. Posteriormente se va a desarrollar los detalles de los módulos anteriormente mencionados. 2.1 Sensores Este módulo representa la información que se va a registrar en nuestro sistema. Se encuentra compuesto por varios sensores, donde cada uno de ellos interacciona con el medio ambiente que se quiere medir. Para ello, se compone de sensores que nos puedan proporcionar el nivel de agua de un recipiente o depósito, la temperatura ambiente del entorno y la humedad del suelo de cultivo. Para ello se tienen en cuenta las comprobaciones de las características de hardware y software de cada uno de ellos. Posteriormente, esta unidad registrará la información en la unidad de procesamiento. 2.2 Unidad de procesamiento Podríamos decir que es la piedra angular de nuestro sistema, el cual se encarga de procesar la información anteriormente recolectada del módulo de sensores. Una vez almacenada, a través de una programación del software de esta, se interpretarán los datos de tal forma que se alcance la funcionalidad del proyecto, es decir, interpretar la información obtenido y ejecutar las señales correspondientes para la activación de los módulos canal de comunicación y actuadores. Esta unidad, será el puente entre la fuente de alimentación y el resto de los módulos (sensores, actuadores y canal de comunicación). C Sensores Sistema Alimentación Interfaz de usuario Canal de Comunicación Unidad Central de Procesamiento Actuadores Usuario Figura 2. Descripción general del sistema Sistema 4 2.3 Actuadores Puesto que nuestro sistema tiene como objetivo fundamental actuar sobre el ambiente, este módulo representa los dispositivos encargados de intervenir sobre el objeto de estudio, en nuestro caso, regar un huerto. Dicho módulo recibe las ordenes de activación/desactivación a partir este de los protocolos de funcionamiento impuestos por la unidad de procesamiento. 2.4 Canal de comunicación Es el puente que permite la comunicación del usuario final y la unidad central de procesamiento, destacando que tiene una naturaleza bidireccional lo cual es fundamental para que el usuario se convierta en una parte activa del sistema. Por lo tanto, es un módulo que tiene un carácter informativo y de edición. Con el fin de aprovechar al máximo su utilidad se evaluarán las posibles interferencias, así como la distancia de comunicación útil del usuario. 2.5 Interfaz de usuario Plataforma en la cual se produce la presentación de la información solicitada por el usuario procedente del canal de comunicación, así como las solicitudes del usuario para la unidad central de procesamiento. Estas solicitudes son los parámetros que el usuario puede modificar, de tal forma que se pueden recrear circunstancias únicas basadas en la situación del huerto del propio usuario. Tales como la forma del depósito utilizado, el cual tendrá un volumen diferente y por tanto se tendrá en cuenta a la hora de calcular el nivel de agua que este contiene, así como, la edición de umbrales de humedad del suelo operativos y el rango de temperatura de trabajo. 2.6 Usuario Representación de la persona que interactúa con el sistema. Teniendo la capacidad de establecer distintas directrices que cambiarán los protocolos previamente establecidos, se tiene en cuenta la libertad que tendrá el usuario de interferir en los protocolos del dispositivo. 2.7 Alimentación Debido a posibles interferencias entre los componentes, se presenta este modelo que designará la alimentación de cada uno de ellos, así como el tipo de alimentación utilizada teniendo en cuenta el tipo de usuario final. 5 Figura 3. LM35 3 HARDWARE 3.1 Sensores Los parámetros requeridos por nuestro dispositivo son: • Nivel de agua • Temperatura ambiente • Humedad del suelo Mediante un análisis de diferentes componentes del mercado que puedan alcanzar los requisitos mínimos y su correcta elección teniendo en cuenta el tipo de usuario que podría requerir su uso. 3.1.1 Sensor de temperatura ambiente Se consideraron a estudio 3 sensores que podrían llegar a cumplir nuestros requisitos y a continuación se expondrá un breve resumen de aquellos descartados para nuestro sistema. 3.1.1.1 LM35 Se trata de un sensor el cual puede llegar a medir la temperatura ambiente, proporcionado una salida analógica y cuyo rango es desde -55ºC a 150ºC. Se descarto debido a que en el cómputo global del proyecto se valoró poseer información de la humedad ambiente, puesto a que el usuario en un futuro puede requerir dicho dato para reescribir los protocolos del sistema. Hardware 6 Figura 4. DHT11 Figura 5. DHT22 3.1.1.2 DHT11 El DHT11 nos permite una medición simultánea de la temperatura y la humedad ambiente, teniendo como características: Cuando observamos sus características vemos que, aunque tenga un precio inferior que el modelo superior DHT22, sus características técnicas son capaces de suplir nuestras necesidades básicas del sistema, pero por fiabilidad se procedió a la elección del DHT22. 3.1.1.3 DHT22 Se eligió dicho sensor para nuestro sistema ya que a diferencia del DHT11 tiene una mayor precisión permitiéndonos ajustar los protocolos a niveles de susceptibilidad más altos y además los rangos que es capaz de percibir nos proporcionará niveles de humedad máximos y mínimos mayores, así como el uso de dicho sistema por situaciones climatológicas adversas debido a un mayor rango de temperatura. Este sensor utiliza como protocolo de comunicación un bus simple, el cual tiene una sola línea de transmisión y recepción de datos, siendo necesario por tanto solo un microcontrolador para que ocurra dicha comunicación. Alimentación 3.3 - 5 V Consumo 2.5 mA Señal de salida Digital Temperatura Rango 0 °C… 50 °C Precisión ± 2 °C Humedad Rango 20 % - 90 % RH Precisión 5 % RH Tiempo de respuesta 1-2 s Tabla 1. DHT11 Alimentación 3.3 - 5 V Consumo 2.5 Ma Señal de salida Digital Temperatura Rango − 40 °C… 80 °C Precisión ± 0.5 °C Humedad Rango 0 % - 100 % RH Precisión ± 2 % RH Tiempo de respuesta 2 s Tabla 2. DHT22 7 7 Control y monitorización de un huerto urbano Figura 6. Sensor de nivel de líquido horizontal Figura 7. Sensor de ultrasonido HC-SR04 3.1.2 Sensor de nivel de agua 3.1.2.1 Boya de nivel Se trata de un sensor que nos permite conocer el nivel del agua y tiene compatibilidad con Arduino. Su montaje sería de forma horizontal a través de un agujero en el tanque de agua, pero debido a que se trata de un sensor que necesita estar cableado hasta dicho depósito se optó por el sensor de ultrasonido el cual nos permitirá tenerlo en el mismo sistema cerrado junto al microcontrolador. 3.1.2.2 Sensor de ultrasonido HC-SR04 Este dispositivo no es un sensor de nivel sino un sensor de ultrasonido utilizado para medir la distancia a un objeto (sonar). Pero debido a esa información y a través de cálculos computacionales nos permite conocer el nivel de agua y posteriormente el volumen del recipiente, debido a que el usuario conoce todos estos parámetros que serán introducidos por el mismo. Como protocolo de comunicación se utilizan dos pines digitales, formando la interfaz junto a un microcontrolador: • Trigger: Un microcontrolador entrega un pulso que habilita al sensor, de tal forma que comienza las mediciones correspondientes. • Echo: El sensor envía al microcontrolador un pulso, cuya longitud es proporcional al tiempo que se demora el sonido en desplazarse del módulo HC-SR04 hasta el objeto y de vuelta al mismo. Hardware 14 Figura 16. LCD Nokia 5110 Figura 17. LCD Hitachi HD44780 Figura 18. LCM1602 IIC 3.4.2 LCD Nokia 5110 Se trata de una pantalla LCD por puntos donde se tiene una matriz de puntos y podemos incluir tanto texto como imágenes en diferentes formatos. Debido a que nuestro sistema no va a requerir imágenes sino texto informativo se buscó una pantalla con menores prestaciones a pesar de ser una de las más baratas del mercado. 3.4.3 LCD Hitachi HD44780 Es una pantalla igual a la anterior, pero siendo esta una LCD por líneas y cuya única función es mostrar información, siendo por lo tanto la más económica de todas las estudiadas, que cumple perfectamente la función que se requiere de ella en nuestro sistema. Dentro de esta existen dos modelos y se elegirá el modelo de 2 líneas con 16 caracteres cada una, además se obtiene un módulo adaptador de interfaz I2C para dicha pantalla, facilitando el conexionado con la placa base. Se utiliza como protocolo de comunicación el bus I2C, que se conforma de una señal de reloj que marca el tiempo (SCL) y otra señal para el intercambio de datos (SDA), siendo una comunicación en serie y síncrona. 15 15 Control y monitorización de un huerto urbano Figura 20. Protector de batería 18650 V8 Figura 19. Batería 18650 Figura 21. Soporte de batería 18650 3.5 Interfaz de usuario Tendremos como interfaz una página web la cual será programada en un lenguaje HTML por ser fácil de aprender e implementar. El proceso de comunicación se verá posteriormente en la programación de nuestro sistema. 3.6 Usuario El objetivo es que el usuario pueda pedir información de lo que está ocurriendo en ese instante y pudiendo interferir en diversos protocolos para poder alterar datos en el sistema según nuestras necesidades. Todo ello se realizará a nivel de programación que veremos posteriormente. 3.7 Alimentación Este sistema se encuentra dividido en 2 puestos de alimentación independiente, siendo uno de ellos destinado a la alimentación del módulo relé y otro a nuestra placa base. Con el fin de aumentar la duración de la batería, así como la comodidad por parte del usuario se opta por las baterías recargables 18650 de Li-Ion, las cuales poseen un voltaje de 3,7 V y una capacidad de 9900 mAh. Cada puesto de carga se implementará de forma distinta, teniendo: • Un soporte de batería para 2 baterías recargables, el cual será una fuente de alimentación externa de nuestro modulo relé. • Un protector de batería 18650 V8, el cual se encontrará conectado a la placa ESP-WROOM-32 mediante un adaptador micro-USB. De tal forma que mediante el protector junto con el adaptador mencionado se realice la restauración de energía de las todas baterías a través de un cargador USB. 17 Figura 22. Conexionado de componentes 4 CONEXIONES DE COMPONENTES Se expone el conexionado de todos los componentes que conforman nuestro sistema. Teniendo como resultado final el esquema mostrado en la figura 21. A continuación, se desarrollan los esquemáticos de los enlaces de cada componente respecto la placa ESPWROOM-32, así como los pines de unión entre ellos. Conexiones de componentes 18 Figura 23. Conexión ESPWROOM-32 con DHT22 Figura 24. Conexión ESP-WROOM-32 con HC-SR04 4.1 Sensores 4.1.1 DHT22 El módulo consta de 3 pines de salida, los cuales pueden ser conectados directamente con la placa base del sistema sin necesidad de elementos intermediarios para su correcto funcionamiento. Tabla 8. Conexión ESP-WROOM-32 con DHT22 4.1.2 Sensor de ultrasonido HC-SR04 Consta de 4 pines de salida. ESP-WROOM-32 DHT22 IO4 (amarillo) DOUT 3V3 (rojo) VCC GND (negro) GND ESP-WROOM-32 HC-SR04 IO5 (marrón) Trig IO18 (rosa) Echo 5V (rojo) VCC GND (negro) GND Tabla 9. Conexión ESP-WROOM-32 con HC-SR04 19 19 Control y monitorización de un huerto urbano Figura 25. Conexión ESP-WROOM-32 con sensores de humedad capacitivos 4.1.3 Sensores de humedad capacitivos Cada uno de los sensores presenta 3 pines los cuales estarán dispuestos de la siguiente forma: . Teniendo todos los sensores el mismo pin de alimentación y tierra, siendo distintivo la recolección de datos para cada uno de ellos. Cabe mencionar que los pines utilizados de la placa base tienen la peculiaridad de ser solo pines de entrada, destinando así su uso a sensores que no actúen sobre el medio. ESP-WROOM-32 DHT22 IO35 (verde) A (SH1) IO34 (verde) A (SH2) SVN (verde) A (SH3) SVP (verde) A (SH4) 3V3 (rojo) + GND (negro) - Tabla 10. Conexión ESP-WROOM-32 con sensores de humedad capacitivos Conexiones de componentes 20 Figura 26. Conexión ESP-WROOM-32 con módulo relé de 4 canales 4.2 Actuadores Los únicos actuadores que tenemos son las mini bombas, pero estas vienen enlazadas con el módulo relé de 4 canales, por lo tanto, para favorecer la explicación se dispondrán en dos esquemas de conexión. 4.2.1 Módulo relé de 4 canales Como podemos observar aparece una de las fuentes de alimentación que utilizaremos JD-VCC como positivo y GND unido a VCC como negativo. De tal forma que alimentaremos los relés a través de esta fuente de energía externa y no a través de nuestra placa ESP-WROOM-32. Proporcionando de esta forma el correcto aislamiento entre la carga y la placa. ESP-WROOM-32 Módulo relé IO33 (cian) IN4 IO25 (cian) IN3 IO26 (cian) IN2 IO27 (cian) IN1 5V (rojo) VCC Tabla 11. Conexión ESP-WROOM- 32 con módulo relé de 4 canales 21 21 Control y monitorización de un huerto urbano Figura 27. Conexión ESP-WROOM-32 con módulo relé de 4 canales y mini bombas de agua 4.2.2 Mini bombas de agua Las mini bombas de agua serán las salidas de nuestro módulo las cuales deben estar alimentadas a nuestra fuente de alimentación externa, teniendo en cuenta que se activa a nivel bajo. Por lo tanto, para la correcta activación de una de las bombas se deberá mandar una señal de 0 y no de 1. Conexiones de componentes 22 Figura 28. Conexión ESP-WROOM-32 con LCM1602 IIC y LCD Hitachi HD44780 4.3 Canal de comunicación 4.3.1 LCD Hitachi HD44780 Podemos ver que las conexiones de la pantalla y el módulo son paralelas. ESP-WROOM-32 LCM 1602 IIC IO22 (gris) SCL IO21 (ocre) SDA 5V (rojo) VCC GND (negro) GND Tabla 12. Conexión ESPWROOM-32 con LCM1602 IIC y LCD Hitachi 23 Verificar Subir Nuevo Salvar Abrir Monitor serie Figura 29. Descripción del entorno IDE Arduino 5 SOFTWARE 5.1 IDE Arduino Se trata del entorno de programación utilizado para la programación de nuestro proyecto. El cual consta de muchas ayudas de software libre que ayudan a la realización de proyectos personales. A continuación, se expondrá un breve resumen de algunas características utilizadas en dicha interfaz: • Verificar: comprueba posibles errores en nuestros programas y en caso de que no haya lo compila. • Subir: se utiliza una vez comprobado el éxito del elemento “verificar” y carga en nuestra placa base la programación realizada. • Nuevo: Creación de un nuevo sketch. • Abrir: Despliegue de sketches disponibles. • Salvar: Almacena el sketch programado. • Monitor serie: Nos permite ver información de nuestra placa base a través del puerto de comunicación serial. Gracias al cual tenemos un modo de comunicación a través de nuestro ordenador, permitiéndonos así llevar un control exhaustivo de nuestro proyecto. • Inclusión de bibliotecas de software libre creadas por otros usuarios o que se encuentran ya en el entorno IDE Arduino de forma gratuita. • Consta de dos funciones esenciales en nuestro sketch: ▪ Loop(): Función en la cual se implementan la inicialización y los valores iniciales, la cual se repite constantemente viendo así los cambios de nuestro sistema según lo programado. ▪ Setup(): Función que inicializa los sketches. Se utiliza para inicializar bibliotecas, variables, modos pin etc. Tiene la característica de ejecutarse una única vez después del inicio o reinicio de la placa base programada. Software 30 3. Reconexión de la red wifi. Aclaración 1.- Si observamos la condición if es muy parecida al de establecimiento de la conexión del apartado 2 (Aclaración 2.-), salvo que se tendrá que dar otra condición la cual es esperar 30 segundos para que actúen los comandos pertinentes. En esta condición se trata el caso en el que no se consiga establecer la conexión con el punto de acceso y para solucionar dicho problema se opta por una desconexión mediante el comando WiFi.disconnect(), y un nuevo intento de conexión con la red con el comando WiFi.begin() anteriormente mencionado. Esta operación se asemeja a la realizada por una persona cuando se desconecta de su red wifi y vuelve a ingresar la contraseña de la red de la cual se acaba de desconectar. Aclaración 2.- Si observamos la condición else es muy parecida a los apartados 1 y 2, teniendo un carácter informativo. Esto se realiza ya que las anteriores funciones forman parte del void setup() lo cual es la inicialización de nuestro programa, mientras que esta función forma parte de void loop() que se ejecuta de forma cíclica. Si tenemos el caso donde en la inicialización del apartado 2 el usuario no se puede conectar al punto de acceso, pero posteriormente nos conectamos, careceríamos de la información necesaria para saber la IP a la cual acceder, por ello se repite posteriormente para que sepamos a través del monitor serie el estado de nuestra conexión. Aunque se podría solucionar quitando el else del apartado 2, lo que se pretende es no dar información de la IP si no se puede conectar con el punto de acceso, ya que sería inservible. Figura 38. Servidor web: Reconexión de una red wifi 31 31 Control y monitorización de un huerto urbano Página web 4. Conexión del usuario de la página web y recogida de datos Aclaración 1.- Mediante el comando WiFiClient cliente = server.available () se obtiene un cliente que se encuentra conectado al servidor y tiene datos disponibles para su lectura. Siendo if (cliente) la condicional que hará que se tengan en cuenta las directrices necesarias una vez ocurra el caso mencionado. Aclaración 2.- El método de lectura de datos para sus correspondientes operaciones dentro de la página web y en la placa ESPWROOM-32 será a través de la lectura de la URL. Mientras el cliente se encuentre conectado, comando while (cliente.connected()), si ocurre el caso de que envíe una petición, comando if (cliente.available), se almacena en una variable la correspondiente petición a través de readString += c, en la cual se completa cada carácter uno a uno mediante char c = cliente.read(). Y posteriormente se procede a mostrar la página web una vez realizada a petición del cliente. Aclaración 3.- Una vez que el cliente se desconecta se espera un tiempo para el procesamiento de la petición y se limpia la cadena de caracteres en las que estaba recogida para la próxima petición por parte del cliente. Por último, se cierra la conexión con el cliente. Figura 39. Servidor web: Conexión con un cliente y recogida de datos Software 32 5.2.5.2 Descripción de la página web Para estructurar la página web se ha empleado el lenguaje HTML, para una mejor explicación se procederá a mostrar directamente el diseño de la interfaz de usuario creada de forma explicativa a nivel usuario y no a nivel de programación de una página web. Está página web está programada para una actualización cada 2 minutos, mostrando los cambios del último ciclo de operación ejecutado. Teniendo por lo tanto una entrega de información más lenta que la pantalla LCD, la cual tiene un carácter informativo. De aquí que el principal uso de la web sea la edición de nuevos parámetros siendo secundario la recepción de la información ya obtenida a través del otro canal de comunicación. Figura 40. Página web 33 33 Control y monitorización de un huerto urbano Cuando se inicialice el usuario en la IP creada nos aparecerá la página web diseñada, la cual podemos distinguir en dos zonas. Figura 41. Página web: Conexión IP local (zonas) Por una parte, se presenta la zona de visualización, marcada en verde, donde se expone la información básica al usuario siendo esta la misma que se emite por la pantalla LCD del proyecto, teniendo por la tanto un carácter puramente informativo. Por otro lado, en la zona de edición, marcada en rojo, nos encontramos con varios parámetros en los cuales el usuario puede interferir con el objetivo de personalizar el control que se quiere realizar sobre el huerto. ZONA DE VISUALIZACIÓN ZONA DE EDICIÓN Software 34 Los parámetros para editar serían los siguientes: • Porcentaje de humedad máximo: Como sabemos, para que se active una mini bomba, una de las condiciones es que su correspondiente sensor de humedad del suelo marque una humedad por debajo de una humedad máxima con un valor por defecto. Ahora el usuario puede modificar estos límites según la humedad que requiera los cultivos de su huerto, siempre que se encuentren en el rango de operación [0 99] %. • Umbrales de temperatura: Al igual que el porcentaje de humedad máximo otra condición de activación era una zona de operación a unas temperaturas impuestas, de esta manera a pesar de estar programado a niveles generales se puede operar a condiciones ambientales distintas permitiendo al usuario una mayor versatilidad del sistema, cuyo rango de operación tendrá como límites [0 50] ℃. • Volumen del recipiente: Se da la opción de tener 5 tipos de volúmenes para calcular la capacidad de agua del huerto de tal forma que se le da mayor versatilidad al usuario, pudiendo elegir 5 formas distintas: o Cilindro o Trono de cono o Prisma cuadrado o Prisma rectangular o Tronco rectangular • Radio mayor, radio menor y distancia base: Estos parámetros son las medidas necesarias para calcular cada volumen anterior, y los cuales presentan unas limitaciones máximas y mínimas teniendo: o Radio mayor [0 300] (cm). o Radio menor [0 300] (cm). o Distancia base [0 300] (cm). La distancia base es referida a la distancia desde nuestro sensor de ultrasonido hasta el fondo del depósito vacío. Figura 43. Cilindro Figura 42. Tronco de cono Figura 45. Prisma cuadrado Figura 46. Prisma rectangular Figura 44. Tronco rectangular 35 35 Control y monitorización de un huerto urbano Figura 47. Página web: Introducción de nuevos parámetros Una vez introducidos las características deseadas por el usuario, se procede a pulsar el botón cambiar. Software 36 Figura 48. Página web: Envío de datos a través de la URL Una vez pulsado se envía la información correspondiente a través de la URL: 192.168.0.23/?FDDP=2&RAMAY=5&RAMEN=5&DISBA=80&SHS_1=60&SHS_2=80&SHS_3=75&SH S_4=70&TAMAX=33&TAMIN=21, donde observamos unas variables auxiliares las cuales realizarán las transcripciones necesarias para modificar los parámetros del proyecto. Siendo la correlación entre ellos: • FDDEP: Corresponde al tipo de volumen del depósito. • RAMAY: Es el radio mayor del recipiente. • RAMEN: Es el radio menor del depósito • DISBA: Es la distancia base. • SHS_1, SHS_2, SHS_3, SHS 4: Corresponden a los valores de humedad máxima de cada sensor. • TAMAX, TAMIN: Referida a los umbrales de temperatura (máximo y mínimo) de operación. 37 37 Control y monitorización de un huerto urbano Como podemos observar una vez pulsado el botón cambiar se ha presentado en la web los nuevos parámetros elegidos por el usuario de forma inmediata en la zona de edición, a excepción del tipo de depósito, pero en la zona de visualización no se observará los cambios pertinentes hasta el siguiente ciclo de actualización de la página web. Figura 49. Página web: Actualización Esta actualización también restaura nuestra URL de forma que se pueda volver a realizar una petición en caso de ser necesaria. 39 6 PRUEBAS En este apartado se procederá a un análisis del funcionamiento del sistema construido a través de unas pruebas, donde se expondrá si cumple los requisitos mínimos de funcionamiento, así como su comportamiento ante situaciones en las que el dispositivo falle. La mayoría de las pruebas se examinarán a través del monitor serie ya que permite visualizar a nivel programador las interacciones que ocurren en cada proceso del programa, no teniendo así los retrasos pertinentes de los dos canales de comunicación a nivel usuario. Figura 50. Prototipo de pruebas Para ello, se ha realizado un prototipo del proyecto, de tal forma que se facilite la observación y control de pruebas. A través de la correlación de las figuras 1, 21 y 49, podemos distinguir las zonas según los colores presentados, teniendo como resultado: • Sensores (marrón) • Unidad central de procesamiento (azul) • Actuadores (rojo) • Alimentación (amarillo) • Canal de comunicación (verde) Procedimiento de cada prueba: • Se acoplan los componentes según el prototipo de pruebas. • Se conecta la placa ESP-WROOM-32 a nuestro ordenador, de tal forma que se carga un programa a través de la plataforma IDE Arduino al mismo tiempo que esta se alimenta dicha placa. • Se carga el script correspondiente según el tipo de prueba a realizar y vemos el resultado en el monitor serie. Así como en la pantalla LCD y la página web cuando se requieran. Pruebas 46 46 • Se cumplen diferentes casos de un funcionamiento normal: o Las mini bombas 1, 2 y 3 se encuentran en reposo (verde), ya que han alcanzado el umbral de humedad del suelo requerido. o La mini bomba 4 sigue operando (rojo) ya que es a única cuyo sensor de humedad del suelo se encuentra con un valor por debajo del porcentaje requerido (rojo). o El volumen de agua ha bajado de nivel (verde), lo cual indica el consumo correspondiente debido a la activación de las bombas y que todavía se encuentra por encima del valor mínimo requerido (0,2 L) Figura 65. Prueba 2: Activación/Desactivación de las mini bombas 47 47 Control y monitorización de un huerto urbano • Una vez alcanzado el umbral de la mini bomba 1 se procederá a su correspondiente desactivación (verde). • Vuelve a ocurrir la bajada del volumen de agua (verde), siendo coherente con los resultados obtenidos. Figura 66. Prueba 2: Desactivación de las mini bombas • Como podemos ver, los porcentajes de humedad se van estabilizando a lo largo del tiempo. Teniendo varias operaciones de activación de las mini bombas cuando se quiere estabilizar a un porcentaje de humedad específico por primera vez. Pruebas 48 48 6.3 Prueba 3: Comprobación de la visualización de la pantalla LCD 6.3.1 Descripción Se procede a comprobar la correcta visualización en el display LCD de la temperatura y humedad ambiente, los porcentajes de humedad del suelo de cada sensor capacitivo, la cantidad de agua y el estado operativo de cada una de las mini bombas. 6.3.2 Resultado • Se realiza una comparación de los resultados obtenidos a través del monitor serie y los visualizados en la pantalla LCD, la cual emitirá información en el formato explicado en el apartado 5.2.4.4. Figura 67. Prueba 3: Datos del monitor serie 49 49 Control y monitorización de un huerto urbano • Vemos reflejado los resultados obtenidos anteriormente, señalados en azul. Figura 68. Prueba 3: Volumen de agua (pantalla LCD) Figura 69. Prueba 3: Humedad (%) de sensores 1 y 2 (pantalla LCD) Figura 70. Prueba 3: Humedad (%) de sensores 3 y 4 (pantalla LCD) Figura 71. Prueba 3: Humedad y temperatura ambientes (pantalla LCD) Figura 72. Prueba 3: Estado de las mini bombas 1 y 2 (pantalla LCD) Figura 73. Prueba 3: Estado de las mini bombas 3 y 4 (pantalla LCD) Pruebas 50 50 6.4 Prueba 4: Comprobación de la conexión a la red wifi y el funcionamiento de la página web 6.4.1 Descripción Se comprueba el correcto conexionado a una red wifi y la visualización de la página web la cual permitirá introducir cambios de configuración en nuestro sistema. 6.4.2 Resultado Como ya se ha explicado el funcionamiento de cómo opera la página web en el apartado 5.2.5.2, se procederá a comparar los resultados y sus consecuencias al realizar cambios de parámetros en la página web y su correlación con el monitor serie para verificar los cambios producidos. 1. Visualización correcta de la página web. La página web nos ofrecerá editar los valores de los parámetros internos del sistema. Figura 74. Prueba 4: Visualización de la página web 51 51 Control y monitorización de un huerto urbano 2. Nuevo radio mayor. Se realiza el cambio del radio mayor de nuestro recipiente de 4.5 cm a 10 cm, y se procede a pulsar el botón cambiar. Figura 75. Prueba 4: Nuevo radio mayor (página web) Pruebas 52 52 • El primer lugar donde se verá reflejado el cambio será el monitor serie, el cual permite verificarlo y comparar su correcta visualización en la página web en su siguiente actualización. Se observa: o La petición del cliente de un nuevo radio mayor lo cual conlleva a una actualización de las operaciones afectadas por dicho cambio, siendo en este caso el volumen de agua que hay en nuestro recipiente. o Al aumentar el radio mayor manteniendo las demás variables constantes, conlleva a un aumento del volumen de agua. Figura 76. Prueba 4: Nuevo radio mayor (monitor serie) 53 53 Control y monitorización de un huerto urbano • Al actualizarse la página web podemos ver definidos los cambios realizados, así como la consecuencia de estos. Figura 77. Prueba 4: Actualización del nuevo radio mayor (página web) Pruebas 54 54 3. Nuevo radio menor. Se incorpora en el radio menor del recipiente una alteración de su valor desde 3.25 cm hasta 5 cm, y se presiona el botón cambiar. Figura 78. Prueba 4: Nuevo radio menor (página web) 55 55 Control y monitorización de un huerto urbano • El sitio inicial en el cual se observa el cambio introducido será el monitor serie, a través del cual se comprueba la posterior actualización de la página web. Se comprueba: o La solicitud del usuario afecta el volumen de agua que hay en el recipiente utilizado. o Cuando el único cambio producido es un crecimiento del radio menor se obtiene un aumento del volumen de agua. Figura 79. Prueba 4: Nuevo radio menor (monitor serie) Pruebas 62 62 • Se examinan los parámetros anteriores cuando la página web se actualiza. Figura 86. Prueba 4: Actualización de la nueva distancia base (página web) 63 63 Control y monitorización de un huerto urbano 6. Nuevos umbrales de temperatura máxima y mínimo. Se restablece un rango de temperatura operativo, y se procede a pulsar el botón cambiar. Figura 87. Prueba 4: Nuevo rango de temperatura (página web) Pruebas 64 64 • La sustitución insertada se manifiesta en el monitor serie, donde se corrobora la correcta actualización de la página web. Se examina: o La solicitud del cliente altera el rango de temperatura óptimo para la correcta puesta en marcha de las mini bombas. Figura 88. Prueba 4: Nuevo rango de temperatura (monitor serie) 65 65 Control y monitorización de un huerto urbano • Se comprueba la adecuada actualización de datos en la siguiente renovación de la página web. Figura 89. Prueba 4: Actualización del nuevo rango de temperatura (página web) Pruebas 66 66 6.5 Prueba 5: Comprobación de posibles fallos del sistema 6.5.1 Descripción Una vez completo el sistema se procede a la exposición de este en diversas situaciones, que pueden llegar a ocurrir, de tal forma que siga operando de la misma forma. 6.5.2 Posibles Fallos 6.5.2.1 Si uno de los actuadores, que se encuentra en funcionamiento, no riega o el sensor capacitivo encargado de medir su cambio de porcentaje de humedad no varía • Partimos de las condiciones: Figura 90. Prueba 5: Condición de activación de la mini bomba 1 vv 67 67 Control y monitorización de un huerto urbano • Como se observa el sensor de humedad del suelo 1 se encuentra por debajo del umbral requerido lo cual conllevara a la puesta en marcha de su mini bomba correspondiente ya que se cumplen todas las condiciones para su activación (apartado 6.2). Figura 91. Prueba 5: Activación de la mini bomba 1 • Si en el transcurso de un tiempo dado no ocurre ninguna variación del sensor de humedad del suelo se procederá al bloqueo del motor. v Pruebas 68 68 • De esta forma, se consigue que el sistema no riegue en exceso debido a un posible fallo del sensor capacitivo tanto en su desconexión, como una mala ubicación de este. Y a su vez en caso de que la mini bomba no funcione el sistema ahorra energía pues esta se encontrara apagada. Figura 92. Prueba 5: Bloqueo de la mini bomba 1 v 69 69 Control y monitorización de un huerto urbano • En la siguiente actualización (pantalla LCD, la página web y el monitor serie) se verá verificada la situación de bloqueo. Figura 93. Prueba 5: Estado de la mini bomba 1 (monitor serie) Figura 94. Prueba 5: Estado de la mini bomba 1 (pantalla LCD) v Pruebas 70 70 Figura 95. Prueba 5: Estado de la mini bomba 1 (página web) 71 71 Control y monitorización de un huerto urbano • La única forma de restaurar el bloqueo es reiniciando la placa base de nuestro sistema, a través del botón “reset”, la cual volvería a sus parámetros bases de programación, teniendo que realizar los cambios a través de la página web en caso de ser necesarios. Figura 96. Prueba 5: Reset v Referencias 78 78 [7] AliExpress, Sensor digital de temperatura y humedad DHT11 DHT22 AM2302 AM2301 AM2320, sensor y módulo de KY-015 [Consulta: 2022]. 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