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Diseño e implementación de un sensor de humo basado en la plataforma Arduino en el laboratorio de la Universidad Luterana Salvadoreña, 27 de septiembre 2021

Revista Nuestro Tiempo, Vol. 21, julio – diciembre 2021, páginas
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Douglas Armando Sandoval Arias1
Rene Geovanni Martínez Ortiz2
Lic. Erick Vladimir Mejía3
Irwin Esperanza Guardado4
1Universidad Luterana Salvadoreña. Licenciado en Computación
2Universidad Luterana. Licenciado en Biología
3Universidad Luterana Salvadoreña. Licenciado en Computación
4Universidad Luterana Salvadoreña
Secciones

Resumen

La presente investigación se realizará el diseño de sensores de humo, basado en la plataforma Arduino, como su debido diseño de circuito en la plataforma Tinkercad, este se implementará en el laboratorio de biología de la Universidad Luterana Salvadoreña. La duración del proyecto será durante 6 meses del año 2021.

En la actualidad se experimentan diversos avances tecnológicos, como la obtención de nuevos recursos que pueden ayudar a que sea un poco más fácil nuestro día a día, por lo que en este proyecto se implementaran los sensores de humo que podemos implementar no solo en laboratorios de biología si no en nuestros hogares permitiendo seguridad a la hora de realizar un experimento con relación a los humos.

La investigación consiste en realizar un proyecto dentro del laboratorio de biología o dentro de nuestras casas y con ello el saber si se está seguro con cierto humo que esté dentro de nuestro ambiente, así de esta manera sabremos si el ambiente es seguro o existe algún tipo de humo tóxico.

El proyecto será de bajo costo ya que utilizará tecnología open hardware, así como una amplia variedad de materiales, sensores, leds, buzzer, combinados con arduino que controlaría todos los elementos para saber en qué momento dentro de la habitación se está propagando el humo.

El sensor de humo podría comprarlo casi cualquier persona con un poco de presupuesto, por lo que ayudaría a brindar seguridad dentro de una casa, un salón de clases o como es este el caso dentro de un laboratorio de biología

Palabras Claves: Sensor, Sistema Arduino, plataforma, hardware, software, circuitos

Design and implementation of a smoke sensor based on the arduino platform in the laboratory of the Salvadorian Lutheran University, September 27, 2021

The present research will be carried out the design of smoke sensors, based on the Arduino platform, as its due circuit design in the Tinkercad platform, this will be implemented in the biology laboratory of the Salvadoran Lutheran University. The duration of the project will be for 6 months of the year 2021. At present, various technological advances are being experienced, such as obtaining new resources that can help make our day to day a little easier, so in this project the smoke sensors that we can implement not only in biology laboratories but in our homes will be implemented, allowing security when carrying out an experiment in relation to fumes. The research consists of carrying out a project within the laboratory of biology or inside our homes and with it to know if we are safe with certain smoke that is inside our environment, so in this way we will know if the environment is safe or there is some type of toxic smoke. The project will be low cost since it will use open hardware technology, as well as a wide variety of materials, sensors, LEDs, buzzer, combined with arduino that would control all the elements to know at what moment inside the room the smoke is spreading. The smoke sensor could be bought by almost anyone on a budget, so it would help provide security inside a home, a classroom or as is the case inside a biology lab.

Keywords: Sensor, Arduino system, platform, hardware, software, circuits

Antecedentes Históricos

Orígenes de Arduino 1.

Arduino fue inventado en el año 2005 por el entonces estudiante del instituto  IVRAE Massimo Banzi, quien, en un principio, pensaba en hacer Arduino  por una necesidad de aprendizaje para los estudiantes de computación y  electrónica del mismo instituto, ya que en ese entonces, adquirir una placa  de micro controladores eran bastante caro y no ofrecían el soporte adecuado;  no obstante, nunca se imaginó que esta herramienta se llegaría a convertir en  años más adelante en el líder mundial de tecnologías DIY (Do It Yourself).  Inicialmente fue un proyecto creado no solo para economizar la creación de proyectos escolares dentro del instituto, sino que, además, Banzi tenía la intención de ayudar a su escuela a evitar la quiebra de la misma con las ganancias que produciría vendiendo sus placas dentro del campus a un precio accesible (1 euro por unidad).

El primer prototipo de Arduino fue fabricado en el instituto IVRAE.  Inicialmente estaba basado en una simple placa de circuitos eléctricos, donde estaban conectados un micro controlador simple junto con resistencias de voltaje, además de que únicamente podían conectarse sensores simples como  leds u otras resistencias, y es más, aún no contaba con el soporte de algún  lenguaje de programación para manipularla.

Años más tarde, se integró al equipo de Arduino Hernando Barragán, un estudiante de la Universidad de Colombia que se encontraba haciendo su tesis, y tras enterarse de este proyecto, contribuyó al desarrollo de un entorno para la programación del procesador de esta placa: Wiring, en colaboración con David Mellis, otro integrante del mismo instituto que Banzi, quien más adelante, mejoraría la interfaz de software.

Tiempo después, se integró al “Team Arduino” el estudiante español David Cuartielles, experto en circuitos y computadoras, quien ayudó Banzi a mejorar la interfaz de hardware de esta placa, agregando los micro controladores necesarios para brindar soporte y memoria al lenguaje de programación para manipular esta plataforma.

Más tarde, Tom Igoe, un estudiante de Estados Unidos que se encontraba haciendo su tesis, escuchó que se estaba trabajando en una plataforma de open-source basada en una placa de microcontroladores pre ensamblada.  Después se interesó en el proyecto y fue a visitar las instalaciones del Instituto IVRAE para averiguar en que estaban trabajando. Tras regresar a su país natal, recibió un e- mail donde el mismo Massimo Banzi invitó a Igoe a participar con su equipo para ayudar a mejorar Arduino. Aceptó la invitación y ayudó a mejorar la placa haciéndola más potente, agregando puertos USB para poder conectarla a un ordenador. Además, él le sugirió a Banzi la distribución de este proyecto a nivel mundial.

Cuando creyeron que la placa estaba al fin lista, comenzaron su distribución de manera gratuita dentro de las facultades de electrónica, computación y diseño del mismo instituto. Para poder promocionar el proyecto Arduino dentro del campus, tuvieron que consultar con un publicista que más parte pasaría a formar parte del equipo Arduino: Gianluca Martino, quien la distribuyó dentro del instituto y promocionando a algunos conocidos y amigos suyos. Al ver su gran aceptación por parte de los alumnos y maestros y tomando en cuenta el consejo de Igoe, pensaron en su distribución nivel

mundial, para lo cual contactaron a un amigo y socio de Banzi, Natán Sedle, quien se ofreció a producir en masa las placas tras interesarse en el proyecto.

Un breve tiempo más tarde, al ver los grandes resultados que tuvo Arduino y las grandes aceptaciones que tuvo por parte del público, comenzó a distribuirse en Italia, después en España, hasta colocarse en el número uno de herramientas de aprendizaje para el desarrollo de sistemas autómatas, siendo además muy económica (300-500 pesos) en comparación con otras placas de micro controladores (800 pesos en adelante).

Marco Teórico Conceptual

Definición de Arduino

Arduino (Genuino a nivel internacional hasta octubre 2016), es una compañía de hardware libre y una comunidad tecnológica que diseña y manufactura placas de desarrollo de hardware, compuestas por Microcontroladores, elementos pasivos y activos. Por otro lado, las placas son programadas a través de un entorno de desarrollo (IDE), el cuál compila el código al modelo seleccionado de placa.

Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinarios. Toda la plataforma, incluyendo sus componentes de hardware (esquemáticos) y Software, son liberados con licencia de código abierto que permite libertad de acceso a ellos.

El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, usualmente Atmel AVR, puertos digitales y analógicos de entrada/salida, los cuales pueden conectarse a placas de expansión (shields), que amplían los funcionamientos de la placa Arduino. Asimismo, posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación con el computador.

Por otro lado, el software consiste en un entorno de desarrollo (IDE) basado en el entorno de Processing y lenguaje de programación basado en Wiring, así como en el cargador de arranque (bootloader) que es ejecutado en la placa.4 El microcontrolador de la placa se programa mediante un computador, usando una comunicación serial mediante un convertidor de niveles RS-232 a TTL serial.

La primera placa Arduino fue introducida en 2005, ofreciendo un bajo costo y facilidad de uso para novatos y profesionales. Buscaba desarrollar proyectos interactivos con su entorno mediante el uso de actuadores y sensores. A partir de octubre de 2012, se incorporaron nuevos modelos de placas de desarrollo que usan microcontroladores Córtex M3, ARM de 32 bits,5 que coexisten con los modelos originales que integran microcontroladores AVR de 8 bits. ARM y AVR no son plataformas compatibles en cuanto a su arquitectura y por lo que tampoco lo es su set de instrucciones, pero se pueden programar y compilar bajo el IDE predeterminado de Arduino sin ningún cambio.

Las placas Arduino están disponibles de dos formas: ensambladas o en forma de kits “Hazlo tú mismo” (por sus siglas en inglés “DIY”). Los esquemas de diseño del Hardware están disponibles bajo licencia Libre, con lo que se permite que cualquier persona pueda crear su propia placa Arduino sin necesidad de comprar una prefabricada. Adafruit Industries estimó a mediados del año 2011 que, alrededor de 300 000 placas Arduino habían sido producidas comercialmente y en el año 2013 estimó que alrededor de 700 000 placas oficiales de la empresa Arduino estaban en manos de los usuarios.

Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software tal como Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, etc. Una tendencia tecnológica es utilizar Arduino como tarjeta de adquisición de datos desarrollando interfaces en software como JAVA, Visual Basic y LabVIEW.6 Las placas se pueden montar a mano o adquirirse. El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente.

El proyecto Arduino recibió una mención honorífica en la categoría de Comunidades Digitales en el Prix Ars Electrónica de 2006.789

Arduino como herramienta educativa es muy útil y efectiva. Existen diferentes webs con recursos, tutoriales, trucos, ejercicios… Existen tutoriales oficiales de Arduino.

Arduino tiene una gran comunidad a su alrededor donde puedes encontrar material de calidad y muy útil, desde tutoriales para iniciarse desde cero hasta aquellos destinados a usuarios más avanzados.

Metodología de la Investigación

Hipótesis General

Implementar nuevas tecnologías para brindar seguridad a estudiantes y docentes que hagan uso de las instalaciones de la Universidad Luterana Salvadoreña.

Hipótesis Especifica

La práctica de nuevas técnicas para mejorar la seguridad del laboratorio de biología de La Universidad Luterana salvadoreña. ⮚ La programación en placas arduino, favorecerá la adquisición de nuevos y mejores conocimientos para los alumnos de La Universidad Luterana Salvadoreña.

Beneficio del Proyecto

 Este tipo de proyecto busca brindar seguridad a los estudiantes que se encuentran en las instalaciones del laboratorio de biología de la universidad luterana salvadoreña, ya que posee un alcance no mayor a tres metros para poder detectar algún incendio o fuga de gas LP, previniendo así accidentes.

Resultados y Análisis de resultados

Se trata de una placa open hardware por lo que su diseño es de libre distribución y utilización, que incluso podemos construirnos nosotros mismos  (En la Figura 1 se observa el aspecto de la placa).

El programa se implementará haciendo uso del entorno de programación propio de arduino y se transferirá empleando un cable USB. Si bien en el caso de la placa USB no es preciso utilizar una fuente de alimentación externa, ya que el propio cable USB la proporciona, para la realización de algunos de los experimentos prácticos sí que será necesario disponer de una fuente de alimentación externa ya que la alimentación proporcionada por el USB puede no ser suficiente. El voltaje de la fuente puede estar entre 6 y 25 Voltios.

Ventajas de usar las placas arduino.

  • Simplifica. Arduino simplifica el proceso de trabajar con microcontroladores.
  • Bajos costos. Las placas Arduino son más accesibles comparadas con otras plataformas de microcontroladores. Los módulos más caros de Arduino pueden ser montados a mano bajando sus costos.
  • Multi-Plataforma. El software de Arduino funciona en los sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y Linux; mientras que la mayoría de otros entornos para microcontroladores están únicamente limitados a Windows.
  • Entorno de programación simple y directa. El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes y flexible para los usuarios avanzados. Además, Arduino está basado en el entorno de programación de Processing, con lo que los estudiantes que aprendan a programar en este entorno se sentirán familiarizados con el entorno de desarrollo Arduino.
  • Software ampliable y de código abierto. El software Arduino es de distribución de licencia libre y preparada para ser adaptado por programadores experimentados. El lenguaje puede ampliarse a través de librerías de C++, y en caso de querer profundizar en los detalles técnicos, se puede dar el salto a la programación en el lenguaje AVR C en el que está basado.

 Desventajas de usar placas arduino

  • Dado que la programación no se realiza en ensamble, el precio a pagar por el uso de las librerías es un retraso en la ejecución de las instrucciones, algunos microsegundos que en el caso de dispositivos de uso cotidiano son irrelevantes, pero significativos a la hora de hacer adquisición de datos.
  • El hecho de que la plataforma venga ya ensamblada les quita flexibilidad a los proyectos, por ejemplo, estaríamos obligados a usar un espacio y forma acorde con el PCB del arduino, para superar esto, se debe trabajar con un microcontrolador diferente al de la plataforma y diseñar las PCB desde cero como con los PICs

Presupuesto

 

NOMBREDESCRIPCIÓNPRECIO
Placa BreadboardEs un conductor que  conecta los diversos  orificios entre sí.$ 5.99
Placa Arduino UnoEs una plataforma de desarrollo basada en una placa electrónica de hardware libre que incorpora un  

microcontrolador re programable y una serie  de pines hembra.

$ 20.00
Jumper Macho MachoEs un elemento que permite cerrar el  

circuito eléctrico del  que forma parte dos conexiones.

$3.00
Mq2Es analógico y se utiliza  en la detección de fugas  de gas de equipos en los  mercados de consumo y  la industria.$5.00
BuzzerEs un pequeño  

transductor capaz de  convertir la energía  eléctrica en sonido.

$ 1.25
Alambre Electro TNH B 2×12 BlancoEs un alambre eléctrico  de conexión.$ 10.00
Caja de Conexiones  Para IntemperieLas cajas de conexiones forman una parte  

integral de un sistema de protección de los circuitos, donde se debe suministrar integridad del circuito, como  

ocurre en la iluminación de emergencia o líneas de energía de  

emergencia.

$ 8.00

 

Relay 110 VoltiosFunciona como un  

interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un  

electroimán, se acciona un juego de uno o  

varios contactos que  permiten abrir o cerrar  otros circuitos eléctricos  independientes.

$ 4.25
Interruptor 

Sencillos 15A/125 

VAC Blanco

Cumple con la función  de encender y apagar.$ 2.50
Canaleta de CableadoUna canaleta o  

conducto eléctrico es un sistema de tubería que se usa para la  

protección y el  

enrutamiento del  

cableado eléctrico.

$ 6.00
Total $ 66.00

Conclusiones

 El proyecto nos permitió aprender en gran manera sobre el mundo de las IOT y fue una gran experiencia dentro de la materia Introducción al Hardware.

La orientación del catedrático nos ayudó para poner claras nuestras ideas y lograr nuestros objetivos a pesar de las dificultades que se presentaron en el camino.

El proyecto necesito   no sólo de tener una gran idea, sobre la programación con las placas Arduino, sino que también sobre control presupuestario, investigación y documentación, manejar estos elementos se convirtió en un gran reto. Sin embargo, el apoyo de todos los integrantes del grupo, el interés que se generó por el proyecto, así como también el aprendizaje dentro de la materia, las correcciones y consejos que nos brindó nuestro catedrático, nos permitió concluir con éxito el presente proyecto.

 Referencias

  1. Escolano y V. Morel, «Departamento de tecnología informática y computación,» Universidad de Alicante, [En línea]. Available: http://www.dtic.ua.es/jgpu11/material/sesion1_jgpu11.pdf. [Último acceso: julio 29 2018].
  2. d. Valencia, 12 julio 2018. [En línea]. Available: http://informatica.uv.es/iiguia/AAC/AA/apuntes/aic_intro.pdf.
  3. Bordignon, F. (2015). Diseño y construcción de objetos interactivos digitales: Experimentos con la plataforma Arduino (1.a ed., Vol. 1). Unipe. https://openlibra.com/es/book/diseno-y-construccion-de-objetos-interactivos-digitales-experimentos-con-la-plataforma-arduino.
  4. Torrente Artero, Ó. (2013). Arduino Curso Práctico de Formación (Primera Edición, Vol. 2317). lfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.
  5. Manual de Bioseguridad para Laboratorios, Tercera edición. Organización Mundial de la Salud. 2015.

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Referencias Bibliográficas

  1. Escolano y V. Morel, «Departamento de tecnología informática y computación,» Universidad de Alicante, [En línea]. Available: http://www.dtic.ua.es/jgpu11/material/sesion1_jgpu11.pdf. [Último acceso: julio 29 2018].
  2. d. Valencia, 12 julio 2018. [En línea]. Available: http://informatica.uv.es/iiguia/AAC/AA/apuntes/aic_intro.pdf.
  3. Bordignon, F. (2015). Diseño y construcción de objetos interactivos digitales: Experimentos con la plataforma Arduino (1.a ed., Vol. 1). Unipe. https://openlibra.com/es/book/diseno-y-construccion-de-objetos-interactivos-digitales-experimentos-con-la-plataforma-arduino.
  4. Torrente Artero, Ó. (2013). Arduino Curso Práctico de Formación (Primera Edición, Vol. 2317). lfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.
  5. Manual de Bioseguridad para Laboratorios, Tercera edición. Organización Mundial de la Salud. 2015.

Cita recomendada en formato APA

Manzano, M. (2020). Unidad para superar la crisis. Revista Nuestro Tiempo, 18(1), pp. 1-4.