SISTEMA EMBEBIDO PARA LA COMUNICACIÓN ENTRE UN PC Y UNA CÁMARA PARA EL CULTIVO DE ESPECIES VEGETALES CON
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
CESAR AUGUSTO MILLÁN TORRES JOHANA MARICEL GUZMÁN BOLAÑOS
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE ING. ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI
2014
SISTEMA EMBEBIDO PARA LA COMUNICACIÓN ENTRE UN PC Y UNA CÁMARA PARA EL CULTIVO DE ESPECIES VEGETALES CON
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
CESAR AUGUSTO MILLÁN TORRES JOHANA MARICEL GUZMÁN BOLAÑOS
Trabajo de Grado para obtener el título de Ingeniero Electrónico
Asesor Edgar Giraldo Ingeniero Electrónico
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE ING. ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI
2014
NOTA DE ACEPTACIÓN
El trabajo de grado titulado SISTEMA EMBEBIDO PARA LA COMUNICACIÓN ENTRE UN PC Y UNA CÁMARA PARA EL CULTIVO DE ESPECIES VEGETALES CON INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA, de los autores Cesar Augusto Millán Torres y Johana Maricel Guzmán Bolaños, cumple con los requisitos para optar al título de Ingeniero Electrónico.
_____________________________
Firma del jurado Ing. Carlos Grande
_____________________________
Firma del jurado Ing. José Fernando Valencia
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Vo. Bo. Director de tesis Ing. Edgar Giraldo
Santiago de Cali, 29 de mayo de 2014.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos en primer lugar a Dios por permitirnos llegar hasta aquí, a nuestros padres por brindarnos la oportunidad de estudiar y por su apoyo incondicional a lo largo de toda nuestra carrera, a nuestros hermanos y familiares y en especial a nuestros profesores y compañeros que contribuyeron con nuestra formación como ingenieros.
Agradecemos a nuestro director el MG. Edgar Giraldo Orozco por su asesoría y acompañamiento, al MG. Juan Carlos Cruz por su tiempo y colaboración, a la ingeniera Martha Cecilia Castillo por su cooperación facilitándonos los accesos que requerimos para llevar a cabo el desarrollo de nuestro proyecto y a la Universidad de San Buenaventura Cali por proporcionarnos las condiciones idóneas para realizar nuestros estudios de pregrado.
3
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO ... 3
LISTA DE FIGURAS ... 6
LISTA DE TABLAS ... 10
INTRODUCCIÓN ... 11
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN... 13
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 13
1.2. JUSTIFICACIÓN ... 14
1.3. OBJETIVOS ... 15
1.3.1. Objetivo general ... 15
1.3.2. Objetivos específicos. ... 15
2. MARCO REFERENCIAL ... 16
2.1. ANTECEDENTES ... 16
2.2. MARCO CONCEPTUAL ... 20
2.2.1. Cámaras de cultivo vegetal ... 21
2.2.1.1. Aplicaciones de las cámaras de cultivo vegetal ...21
2.2.1.2. Factores físicos en las cámaras de cultivo vegetal ...22
2.2.2. Sensores, transductores y actuadores ... 22
2.2.2.1. Sistemas frigoríficos ...22
2.2.2.2. Transmisor de temperatura con sensor resistivo RTD PT100 ...24
2.2.2.3. Resistencias tubulares eléctricas ...24
2.2.2.4. Sensores capacitivos ...24
2.2.2.5. Relé de estado sólido ...25
2.2.2.6. Sensor de presión MPXV5004DP ...25
4
2.2.3. Sistema de adquisición de datos ... 25
2.2.3.1. Conversores A/D y D/A. ...26
2.2.3.2. Tarjetas DAQ. ...26
2.2.4. Sistema Embebido. ... 29
2.2.4.1. Diseño Sistema Embebido. ...29
2.2.4.2. Arquitectura de un Sistema Embebido ...31
2.2.5. Entorno de programación LabView ... 34
2.2.6. Sistemas de control ... 36
2.2.6.1. Definiciones básicas ...36
2.2.6.2. Métodos de control ...38
3. INVESTIGACIÓN DE REQUERIMIENTOS ... 43
3.1. ETAPA DE DIAGNÓSTICO FÍSICO ... 43
3.2. INTERFAZ GRÁFICA DE CONTROL DE LA BIOFÁBRICA. ... 48
3.3. ELECCIÓN DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN ... 61
3.3.1. Descripción de la tarjeta NI PCI-6221. ... 61
3.3.2. Selección del tipo de comunicación. ... 63
3.3.3. Selección del hardware de comunicación serial... 64
3.4. INVESTIGACIÓN Y SELECCIÓN DEL SISTEMA EMBEBIDO ... 67
3.4.1. Análisis sobre la adquisición del Sistema Embebido. ... 67
3.4.2. Selección del Sistema Embebido. ... 69
3.4.3. Arduino Leonardo. ... 78
4. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN ... 81
4.1. ADECUACIÓN Y REPARACIÓN DE LA PLANTA ... 81
4.2. INSTALACIÓN DEL SISTEMA EMBEBIDO ... 86
4.3. ARDUINO ... 90
4.3.1. Instalación de la placa al PC ... 90
5
4.3.2. Entorno de programación ... 93
4.3.3. Proceso de programación del Sistema Embebido ... 96
4.3.3.1. Implementación del toolkit LIFA en Arduino ...96
4.4. LABVIEW ... 105
4.4.1. Instalación de la librería NI VISA ... 106
4.4.2. Instalación del toolkit LIFA ... 110
4.4.3. Principales subVI’s del toolkit LIFA. ... 112
4.4.4. Programación del VI principal. ... 119
5. PRUEBAS Y VALIDACIÓN ... 130
5.1. PRUEBA SUBSISTEMA DE RIEGO ... 130
5.2. PRUEBA SUBSISTEMA DE TEMPERATURA (CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN) Y HUMEDAD RELATIVA ... 134
5.3. PRUEBA SUBSISTEMA DE ILUMINACIÓN ... 137
5.4. EFECTO DEL SISTEMA EMBEBIDO EN LA ESTRATEGIA DE CONTROL Y LA SINTONIZACIÓN DEL CONTROLADOR ... 137
5.5. PRUEBA PC LOCAL Y PORTÁTIL ... 140
RECOMENDACIONES ... 142
CONCLUSIONES ... 143
BIBLIOGRAFÍA ... 14545
ANEXOS ... 1499
ANEXO A. Manual de operación. ... 1499
6
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE FIGURAS ... 6
LISTA DE TABLAS ... 10
Figura 1. Cuerpo del compresor ... 23
Figura 2. Paquete completo para el sistema de adquisición de datos ... 28
Figura 3. Distribución de pines DAQ PCI-6221 de NI ... 29
Figura 4. Diagrama de bloques modulo típico de un Sistema Embebido ... 31
Figura 5. Panel Frontal de un VI ... 35
Figura 6. Diagrama de Bloques de un VI ... 36
Figura 7. Sistema básico de control por lazo cerrado ... 37
Figura 8. Esquema básico control ON/OFF ... 39
Figura 9. Control ON/OFF con histéresis ... 39
Figura 10. Diagrama controlador PID ... 41
Figura 11. Respuesta de los diferentes controladores ... 42
Figura 12. Ubicación inicial de la Biofábrica ... 44
Figura 13. Cableado y etiquetado inicial en la Biofábrica ... 44
Figura 14. Condiciones iniciales del cableado y etiquetado en la etapa de conmutación conectada directamente a la tarjeta NI PCI-6221 ... 45
Figura 15. Etapa de potencia en perfectas condiciones ... 46
Figura 16. Registro de temperatura a 25°C. ... 47
Figura 17. Válvulas y mangueras en la etapa de riego ... 48
Figura 18. Esquema global del funcionamiento del software ... 50
Figura 19. Adquisición de las señales de entrada ... 51
Figura 20. Adquisición de las señales de riego ... 52
Figura 21. Proceso de visualización humedad relativa ... 52
Figura 22a. Proceso de adecuación de la señal de temperatura ... 53
7
Figura 22b. Control ON/OFF con histéresis para la refrigeración ... 54
Figura 22b. Control ON/OFF con histéresis para la refrigeración ... 55
Figura 23. Salida Refrigeración ... 56
Figura 24. Proceso de gestión de riego ... 57
Figura 25. Proceso descarga válvula de agua ... 57
Figura 26. Proceso de regulación lumínica ... 58
Figura 27. Salida de los extractores ... 59
Figura 28. Configuración del PWM a través del contador CTR0 ... 60
Figura 29. Tarjeta NI PCI-6221 ... 62
Figura 30. Comparación de los Sistemas Embebidos VS NI PCI-6221 ... 74
Figura 31. Requerimientos de la planta VS Sistemas Embebidos... 76
Figura 32. Comparación de costos. ... 77
Figura 33. Microcontrolador ATmega 32u4 ... 79
Figura 34. Tarjeta de desarrollo Arduino Leonardo ... 80
Figura 36. Etiquetado nuevo en la parte exterior de la Biofábrica ... 82
Figura 37. Nuevo cableado y etiquetado en la caja central. ... 83
Figura 38. Nuevos sensores MPXV5004DP instalados ... 84
Figura 39. Instalación de las electroválvulas. ... 85
Figura 40. Probeta de Mezclado. ... 85
Figura 41. Ilustración general de la Biofábrica. ... 86
Figura 42. Esquema eléctrico de las entradas análogas ... 88
Figura 43. Esquema eléctrico de las salidas digitales... 89
Figura 44. Administrador de dispositivos ... 91
Figura 45. Actualización del software del controlador ... 92
Figura 46. Dirección de los drivers ... 92
Figura 47. Finalización del proceso de instalación del Arduino Leonardo ... 93
Figura 48. Entorno de programación Arduino 1.0.5 ... 94
Figura 49. Estructura de programación ... 95
Figura 50. Proceso de asignación del tipo de tarjeta o placa de Arduino. ... 95
Figura 51. Esquema general del toolkit LIFA en Arduino ... 97
8
Figura 52. Esquema general del LIFA_Base ... 98
Figura 53. Esquema general del LabVIEWInterface.h ... 99
Figura 54. Esquema general del LabVIEWInterface ... 100
Figura 55. Representación lectura del conversor A/D. ... 103
Figura 56. Arquitectura del paquete enviado por LabView ... 105
Figura 57. Inicio de instalación del NI VISA ... 106
Figura 58. Dirección de la carpeta donde se instalará el software ... 107
Figura 59. Puertos habilitados para el uso de diferentes dispositivos ... 108
Figura 60. Políticas de privacidad ... 109
Figura 61. Búsqueda de notificaciones del producto ... 109
Figura 63. Búsqueda del LIFA en el JKI VI Package Manager (VIPM) ... 111
Figura 64. Instalación del LIFA ... 111
Figura 65. Herramienta LIFA lista para ser utilizada en LabView ... 112
Figura 66. SubVI Init ... 113
Figura 67. Búsqueda del Front Panel. ... 113
Figura 68. Proceso para abrir el diagrama de bloques... 114
Figura 69. Eliminación del VISA CLR ... 114
Figura 70. Nuevo bloque Flush I/O Buffer ... 115
Figura 71. SubVI Close ... 115
Figura 72. SubVI Analog Read Pin ... 116
Figura 73. Diagrama de bloques Analog Read Pin ... 117
Figura 74. Diagrama de bloques del subVI Check For Pin Out Of Range ... 117
Figura 75. SubVI Digital Write Pin ... 118
Figura 76. Diagrama de bloques del Digital Write Pin ... 118
Figura 77. SubVI PWM Write Pin ... 119
Figura 78. Diagrama de bloques PWM Write Pin ... 119
Figura 79. Configuración para el inicio de la comunicación ... 121
Figura 80. Configuración para la finalización de la comunicación ... 121
Figura 81. Proceso de adquisición y conversión de la señal de temperatura ... 122
9
Figura 82. Configuración del pin salida del PWM ... 123
Figura 83. Configuración del pin de salida del compresor. ... 123
Figura 84. Proceso de adquisición y conversión de la señal de humedad ... 124
Figura 85. Proceso de descarga de las probetas ... 125
Figura 86. Proceso de adquisición y conversión de las señales de nivel ... 126
Figura 87. Proceso de adquisición y control de la probeta de Mezclado ... 126
Figura 88. Proceso de descarga de la probeta de Mezclado ... 127
Figura 89. Frecuencia de riego ... 127
Figura 90. Estructura de control para la periodicidad lumínica ... 128
Figura 91. Salida digital hacia los extractores ... 129
Figura 92. Datos obtenidos en la probeta de Agua ... 131
Figura 93. Datos obtenidos en la probeta de Fertilizante 1 ... 131
Figura 94. Datos obtenidos en la probeta de Fertilizante 2 ... 132
Figura 95. Datos obtenidos en la probeta de Fertilizante 3 ... 133
Figura 96. Datos obtenidos en la probeta de Mezclado... 133
Figura 97. Datos obtenidos para la prueba de temperatura ... 134
Figura 98. Ajuste de temperatura ... 135
Figura 99. Datos obtenidos para la prueba de Humedad Relativa ... 136
Figura 100. Respuesta de la planta en el caso de refrigeración ... 138
Figura 101. Respuesta de la planta en el caso de calefacción ... 139
Figura 102. Tiempo de estabilización de la Biofábrica ... 140
Figura 103. Prueba computador portátil ... 141
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LISTA DE TABLAS
LISTA DE TABLAS ... 10
Tabla 1. Resumen principales características NI PCI-6221. ... 27
Tabla 2. Resumen de las características de los controladores P, PI y PD ... 42
Tabla 3. Registro de temperatura del sensor PT100 Vs Termómetro. ... 47
Tabla 4. Comparación comunicación serial y en paralelo. ... 63
Tabla 5. Descripción del sistema. ... 69
Tabla 6. Características principales de los Sistemas Embebidos y NI PCI-6221 . 71 Tabla 7. Características ATmega 32u4. ... 79
Tabla 8. Identificación de los componentes de la Biofábrica. ... 87
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INTRODUCCIÓN
La Universidad de San Buenaventura de Cali cuenta con un sistema de control con supervisión para la producción de especies vegetales, también conocida como Biofábrica, que se encuentra ubicada en el laboratorio los Naranjos.
La función de la Biofábrica consiste específicamente en crear óptimas condiciones climáticas en su interior para el crecimiento de las plántulas de cualquier especie vegetal.
Asimismo, la Biofábrica permite tener un control de la temperatura, llevar un registro de humedad, establecer una periodicidad lumínica y gestionar el riego de fertilizantes. El proceso de control es realizado desde un computador central por medio de una interfaz gráfica desarrollada en un entorno de programación gráfico llamado LabView. Para la adquisición de datos hacia el programa es necesario tener la tarjeta PCI-6221 de la National Instruments, los mismos fabricantes del entorno de programación, ya que sin esta tarjeta no se puede realizar el proceso de adquisición de datos de la planta. Sumado a lo anterior, el computador central es usado para el control de otra planta (Biodigestor) limitando la disponibilidad de la Biofábrica. Actualmente, la tarjeta PCI-6221 tiene un costo aproximado de 1’500.000 pesos colombianos y está hecha para diversas aplicaciones, además está ligada 100% a un computador central ya que debe ser incorporada al interior de la CPU para poder hacer uso de ella.
En este sentido, surgió el siguiente interrogante ¿Qué tipo de dispositivo es posible implementar, de tal manera que permita a la Biofábrica interactuar con LabView sin necesidad de utilizar la tarjeta de adquisición de datos de la National Instruments PCI- 6221?
Para dar solución a dicho interrogante se implementó un Sistema Embebido para la comunicación entre un computador y una cámara para la producción de especies vegetales con instrumentación electrónica, con el fin de facilitar la disponibilidad de la Biofábrica,
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en primer lugar desligándola del computador central, para que los estudiantes y profesores puedan controlarla desde cualquier computador portátil y en segundo lugar reduciendo costos, ya que este desarrollo fue pensado específicamente para suplir las necesidades de la Biofábrica evitando depender de la tarjeta NI PCI-6221 que es de alto costo y posee múltiples funciones que no son utilizadas.
Para dar una solución a este inconveniente, en este proyecto se integraron varias tecnologías incluyendo un Sistema Embebido Arduino Leonardo que permite realizar la comunicación de manera eficiente entre un computador y la Biofábrica.
Para dar cuenta del proyecto realizado, este documento se ha organizado en cinco capítulos:
El primer capítulo presenta la formulación del problema, la justificación y los objetivos que direccionaron el proyecto. El segundo presenta el marco referencial en donde se presentan todos los aspectos teóricos que se tomaron como fundamento para el desarrollo de la propuesta de investigación. El tercer capítulo describe la etapa de diagnóstico de la Biofábrica, la interfaz gráfica de control, la elección del sistema de comunicación, la investigación y selección del Sistema Embebido. En el cuarto capítulo se desarrolla toda la parte de implementación y programación del Sistema Embebido. El quinto capítulo se compone de las pruebas y resultados del proyecto.
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1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La Universidad San Buenaventura en la actualidad cuenta con un sistema de control con supervisión remota sobre una cámara para el cultivo de especies vegetales conocida también como “Biofábrica”, la cual fue desarrollada por estudiantes del programa de Ingeniería Electrónica. Esta cámara provee a las plántulas condiciones óptimas, por medio de un sistema de control automático, el cual garantiza el adecuado desarrollo de las plántulas (Balanta & Rojas, 2011).
Actualmente, la universidad cuenta con un software llamado LABVIEW, el cual se utiliza principalmente para construir sistemas de control SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Su aplicación depende esencialmente de la tarjeta de adquisición de datos National Instruments PCI-6221, para obtener los datos a la salida de cualquier sensor y enviarlos al software, y así, hacer su procesamiento. Además el precio para adquirir la tarjeta NI PCI-6221 es aproximadamente de 1’530.000.
En este momento, la Biofábrica funciona con un computador que tiene incorporada la tarjeta de adquisición. La disponibilidad del computador es restringida en muchas ocasiones porque también se utiliza para controlar la actividad de otra planta (Biodigestor). En consecuencia, limita la actividad de los diferentes investigadores que requieren la utilización de la Biofábrica. Por lo anterior, existe la necesidad de contar con un dispositivo que facilite al investigador usar el proceso desde cualquier computador que cuente con LABVIEW sin depender de la tarjeta NI PCI-6221.
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Por ende, el problema a solucionar se traza desde el siguiente interrogante: ¿Qué tipo de dispositivo es posible implementar, de tal manera que permita a la Biofábrica interactuar con LABVIEW sin necesidad de utilizar la tarjeta de adquisición de datos de la National Instruments PCI-6221?
1.2. JUSTIFICACIÓN
Con el desarrollo de este proyecto se busca construir un Sistema Embebido que permita la comunicación entre un sistema de control, que en este caso sería un PC y la cámara para el cultivo de especies vegetales.
Actualmente la Universidad San Buenaventura cuenta con las licencias de Software LabView pertenecientes a la casa desarrolladora National Instruments. Este Software depende de una tarjeta de adquisición de datos también desarrollada por la misma empresa.
Un Sistema Embebido es una combinación de hardware y software diseñados para realizar una acción única. En este caso el propósito específico es establecer una comunicación entre la Biofábrica y el PC.
Además este proyecto es transversal dentro de la ingeniería en materias como: control clásico, comunicaciones digitales, Sistemas Embebidos, control digital, etc. Asimismo será de apoyo para las prácticas de laboratorio que se realizan en la carrera de ingeniería agroindustrial.
Económicamente se espera reducir costos ya que el sistema a desarrollar a diferencia de las tarjetas de NI (National Instruments), está pensado específicamente para suplir las necesidades de los estudiantes que deban interactuar con la Biofábrica, evitando tener una tarjeta costosa que posee múltiples funciones que no serán utilizadas.
Con este sistema también se busca dar un beneficio a los estudiantes, ya que será posible utilizar cualquier tipo de computador que tenga instalado un software de la NI, para
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adquirir datos de la Biofábrica, sin depender del computador principal que se encuentra en el laboratorio los Naranjos, ampliando el espectro de uso y por ende obteniendo un mayor desarrollo investigativo. Por último se dejará un aporte importante a futuros trabajos de investigación.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo general
Desarrollar un Sistema Embebido que permita la comunicación entre el PC y una cámara con instrumentación electrónica para el cultivo de especies vegetales -ubicada en el laboratorio del programa de Ingeniería Agroindustrial.
1.3.2. Objetivos específicos.
Realizar una investigación detallada sobre las características, el funcionamiento y las condiciones de la tarjeta de adquisición de datos National Instruments PCI-6221.
Conocer el funcionamiento de la Biofábrica y su comportamiento a través de la herramienta de programación LABVIEW.
Determinar el sistema de comunicación y el hardware asociado.
Evaluar las posibles opciones entre diseñar un Sistema Embebido o adquirir uno existente, según convenga para la comunicación entre la Biofábrica y el PC.
Investigar las características técnicas y funcionales de diferentes Sistemas Embebidos que permitan realizar comunicación con un PC, para determinar el hardware que mejor se adapte a esta aplicación.
Desarrollar el software que se implementará en el Sistema Embebido.
Realizar pruebas al diseño final planteado a través de la herramienta de programación LABVIEW.
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Validar el Sistema Embebido desarrollado.
2. MARCO REFERENCIAL
2.1. ANTECEDENTES
El uso de diferentes tecnologías para la construcción de invernaderos han sido temas en disímiles proyectos de investigación. Revisando la bibliografía relacionada con este tema, se encontraron varias investigaciones sobre comunicaciones y controles en máquinas e invernaderos a través de diferentes sistemas de adquisición de datos y Sistemas Embebidos.
Cada uno de los proyectos de investigación revisados, permitieron identificar los aspectos que se han trabajado e identificar el aporte que realizaría el trabajo de investigación. En este sentido las preguntas que guiaron la revisión fueron: ¿Cuáles son los aspectos que se han trabajado sobre la comunicación y control de invernaderos a través de Sistemas Embebidos? ¿De acuerdo con los aspectos trabajados cuáles se pueden retomar para el desarrollo del proyecto de investigación?
El trabajo realizado por Maldonado y Vivaldi (2001), “Computadores en investigación biomédica II: control experimental, adquisición y almacenaje de datos”;
muestra un estudio y manejo importante de los sistemas de adquisición de datos. En el marco de esta investigación cabe resaltar la utilización de conversores Análogo/Digital. Los rangos de voltaje en cada conversor Análogo/Digital varían, pero en general o típicamente se utilizan ±5V. Cuando se realizan las conversiones análogas terminan en un valor digital discreto; esta resolución de la conversión depende de las características de la tarjeta, pero típicamente son de 12 bits. La conversión Digital/Análogo, se da de forma diferente, puesto que la conversión digital no resulta en una señal análoga continua, sino escalonada.
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Un aspecto muy importante acerca de los conversores Análogo/Digital y Digital/Análogo es la velocidad de conversión. La velocidad de conversión varía de acuerdo a la capacidad que tenga un procesador de realizar esta acción de conversión, pero en general se manejan los valores comprendidos dentro del rango de 100kHz y 1,25MHz.
Otro elemento a considerar tal como Maldonado y Vivaldi (2001) menciona:
Es importante notar que la velocidad de conversión se reparte entre todos los canales sobre los cuales se opera, de manera que una tarjeta de 100MHz puede realizar un máximo de 100.000 conversiones por segundo sobre un solo canal, un máximo de 50.000 conversiones por segundo sobre 2 canales simultáneamente y así sucesivamente. Este aspecto debe considerarse con cuidado porque la velocidad de conversión que se necesita depende del número de canales muestreados y de la resolución necesaria. Sobre este último punto, lo principal es que se debe muestrear una señal con la frecuencia suficiente para mantener la fidelidad de ésta (parr. 12).
En la investigación acerca del tema de los sistemas de adquisición, realizado por Giménez y Otros (2004), “Sistema de Pruebas Integrado” denominado “Plataforma”, refiere las diferentes aplicaciones en las que se han utilizado. Propone un control vectorial para los sistemas de manejo de máquinas AC en aplicaciones que requieren una excelente respuesta dinámica. De este trabajo se resalta como un aporte la necesidad de un mejor sistema de adquisición de datos con mayor inmunidad al ruido.
Estas nuevas tarjetas de adquisición de datos según Giménez y otros (2004) deben contener:
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Transmisores y receptores de fibra plástica necesarios para conectarse con la Tarjeta de Sensores. Asimismo, mantener la posibilidad de utilizar un coprocesador de movimiento ADMC201 para recibir las señales de corriente y voltaje ya convertidas a formato digital y pasarlas a un DSP si la tarjeta de adquisición se utiliza en conjunto con las anteriores tarjetas de sensores. El coprocesador de movimiento está conectado a un generador PWM, a un conector de siete canales de entrada y a un puerto I/O de seis bits para el control de las señales para los IGBTs. La tarjeta también debe incluir dos circuitos FPGA (p. 3).
En el proyecto de investigación “Agro-Tecnología educativa: Sistema de adquisición de datos climáticos para la docencia”, realizado por Vázquez (2010), se desarrolla un sistema de supervisión del clima en un invernadero, utilizando una tarjeta de adquisición de datos y un bloque de acondicionamiento de señal para recibir y procesar las señales de distintos sensores climáticos. En el proyecto es relevante la descripción detallada del funcionamiento de la tarjeta de adquisición de datos PCI-6221 de National Instruments, actualmente siendo utilizada en la Universidad San Buenaventura de Cali. En el proyecto es importante destacar los siguientes aspectos: la descripción del funcionamiento del bloque de acondicionamiento de señal modelo SC-2345 (conectado a la tarjeta PCI-6221), los módulos de acondicionamiento para conducir y amplificar las señales de los sensores climáticos a los diferentes canales de la tarjeta (en este caso se utilizaron dos módulos SCC-AI07 y dos módulos SCC-AI05).
Unido a lo anterior, Vázquez (2010) menciona que el LabView:
Es un programa de gran versatilidad donde se cuentan con librerías especializadas para manejos de DAQ, redes, comunicaciones, Análisis
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Estadístico, comunicación con Bases de Datos (Útil para una automatización de una empresa a nivel total) (p. 40).
El proyecto realizado por Martínez y Rivera (2011), “Control y monitoreo de temperatura, humedad relativa, luminosidad y riego en el invernadero para mantener la supervivencia de la bacteria Huanglonbing”, refleja el control y monitoreo de un invernadero a través de la herramienta de programación LabView. Los aportes de este trabajo corresponden en primer lugar a la utilización de LabView como herramienta fácil para el control de variables tales como temperatura, humedad, riego y luz. Este tipo de programación es de lenguaje G, que hace referencia a un lenguaje de programación gráfico. Los programas en LabView se componen en VIs (Instrumentos Virtuales) y son llamados de esta forma porque imitan la apariencia y operación de un instrumento físico. Para el control de las variables del invernadero se implementan paneles de control, permitiendo la supervisión de estas variables en tiempo real. Segundo, la comunicación entre el LabView y el invernadero utilizando comunicación vía USB. En este se presenta la metodología y técnicas para el diseño del hardware de adquisición de datos estableciendo primordialmente una conexión USB. Esta parte es interesante ya que el proyecto brinda información del tipo de librerías externas que utiliza para realizar comunicación entre LabView y un microcontrolador.
Por último, se encontró un proyecto denominado “Diseño y desarrollo de un sistema de monitorización y control para un invernadero de uso doméstico” elaborado por San Miguel (2012).
Como aporte de este proyecto se tiene toda la orientación para la selección de los dispositivos de adquisición de datos y comunicación. Entre ellos están tres clases de dispositivos. Los primeros son los dispositivos DAQ, entre estos se destaca el NI PCI-6221 de la National Instruments actualmente usado en la Universidad San Buenaventura. Los segundos son los dispositivos PLC (Programmable Logic Controller), su uso frecuente está en la zona industrial y son diseñados para recibir múltiples señales de entrada y salida, altas temperaturas, inmunidad al ruido y resistencia al impacto. El tercero y último es un
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Sistema Embebido Arduino el cual es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos.
San Miguel (2012) menciona que:
Arduino se puede utilizar para desarrollar interactivos autónomos o puede ser conectado a software del ordenador. Y al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución son libres. Es decir, pueden utilizarse libremente para el desarrollado de cualquier tipo de proyecto sin haber adquirido ninguna licencia (p. 15).
Otro aspecto significativo en el proyecto es el método de comunicación que nuevamente es realizado por vía USB, pero teniendo una variante sustancial en el hardware asociado a la comunicación, y es la utilización de un Arduino Uno. Este Sistema Embebido posee librerías de comunicación desarrolladas por LabView, en formato de VI’s facilitando la visualización en el panel frontal al momento de desarrollar la comunicación en LabView.
En este orden de ideas, el presente proyecto tiene el propósito de aportar en el logro de la comunicación del software LabView con la Biofábrica, sin la utilización de una tarjeta de adquisición de datos específica, sino, por medio de un Sistema Embebido.
2.2. MARCO CONCEPTUAL
A continuación se presenta el panorama teórico que ha sido el fundamento para estructurar el proyecto de grado y ha permitido orientar cada una de las partes del desarrollo de la investigación.
21 2.2.1. Cámaras de cultivo vegetal
Las cámaras de cultivos son recintos cerrados en los que se regulan los principales factores climáticos, como temperatura, humedad relativa, iluminación y contenido de anhídrido carbónico o dióxido de carbono (Maroto, 2008).
Esta cámara de cultivo se encarga de brindar todos los factores necesarios a las plantas para el proceso de crecimiento de una forma controlada y monitoreada. En la actualidad existe una máquina con estas características en la Universidad de San Buenaventura Cali conocida como Biofábrica.
2.2.1.1. Aplicaciones de las cámaras de cultivo vegetal
En la actualidad, el crecimiento de las cámaras de cultivo vegetal se ha ligado al interés por la biotecnología vegetal, ya sea para la producción de alimentos, cultivos, también para desarrollar condiciones óptimas para el crecimiento vegetal, constantes de control o monitoreo en las plantas. Al hablar de la cámara de cultivo cabe resaltar que el concepto es el mismo que el de una cámara climática, ya que tienen como finalidad facilitar en su interior la reproducción estable de condiciones necesarias para la realización de ensayos climáticos.
Entre las principales aplicaciones que se pueden encontrar en las cámaras climáticas son (Balanta & Rojas, 2011):
Estabilidad de medicamentos o sustancias farmacológicas activas.
Delimitación de caducidad de alimentos.
Determinación de estabilidades dimensionales de materiales.
Conservación de materiales o archivos históricos.
Determinación de condiciones de corrosión de ciertos metales.
Estabilidad de dispositivos electrónicos
Crecimiento de plantas.
Simulación medioambiental.
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Procesamiento de alimentos (deshidratación de frutas y secado al vacío).
Reacciones de simulación solar UV y envejecimiento forzado.
2.2.1.2. Factores físicos en las cámaras de cultivo vegetal
Entre los factores físicos que inciden dentro de la Biofábrica para realizar todo el proceso de crecimiento y producción vegetal son la temperatura, el cual es un parámetro ambiental muy importante en el desarrollo y crecimiento, seguido de la humedad relativa para la reducción de la transpiración e hidratación de las plantas.
El tercer factor físico es la iluminación la cual es fundamental para la realización de la fotosíntesis, el crecimiento vegetal y fases vegetativas. Por último, se tiene el riego, que principalmente despliega la función de la alimentación vegetal.
2.2.2. Sensores, transductores y actuadores
Para la construcción de las cámaras de cultivo vegetal es indispensable que se controlen condiciones ambientales tales como temperatura, humedad, luminosidad, entre otras mencionadas anteriormente. Para el logro de estas condiciones es importante contar con un grupo de instrumentos conformados por sensores, transductores y actuadores. Este grupo de instrumentos permitirá la constante medición y control de dichas variables físicas permitiendo condiciones óptimas.
2.2.2.1. Sistemas frigoríficos
La temperatura en las cámaras de cultivo vegetal es de vital importancia, por lo tanto se requieren de sistemas frigoríficos para que esta se mantenga por debajo del nivel de la temperatura ambiente. Un frigorífico es un circuito cerrado en el que el refrigerante pasa cíclicamente del estado gaseoso al líquido sufriendo cambios alternativos de presión;
aumentos de presión y reducciones de presión. Los componentes principales de un sistema frigorífico son evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión (Lopez &
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Bylund, 2003). La Biofábrica actualmente posee un compresor el cual es el encargado de realizar las funciones de enfriamiento en el interior de la cámara.
Compresor hermético: La definición de un compresor hermético consiste en forzar mecánicamente la circulación de un fluido en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en el otro (Fernández Mora, 2012).
Figura 1. Cuerpo del compresor
Fuente: Fernández Mora, C. (24 de Julio de 2012). El compresor. Recuperado el 2 de Septiembre de 2013, de CarlosElectricidadyFrio: https://sites.google.com/site/carloselectricidadyfrio/inicio- 1/elcompresor.
Por último los compresores herméticos se diseñan para ser empleados en ciclos de refrigeración por compresión de vapor y su modo de clasificación es con respecto a la presión correspondiente a la gama de temperaturas de evaporación.
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2.2.2.2. Transmisor de temperatura con sensor resistivo RTD PT100
Son todos tipos de sensores RTD (detector de temperatura de resistencia) que están hechos de platino. El sensor PT00 tiene una resistencia de 100 ohmios a 0°C y es con diferencia el tipo más común de sensor RTD. Estos sensores están montados normalmente en algún tipo de montaje o funda protectora para formar una sonda, y éstos se conocen comúnmente como sondas PRT (termómetro de resistencia de platino) o RTD.
Los elementos de alambre enrollado constan de una longitud de alambre de platino enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o de vidrio (Omega).
2.2.2.3. Resistencias tubulares eléctricas
La estructura de estas son resistencias de una capa blindada tubular lisas para el aire y son las indicadas para muchas aplicaciones de tipo industrial o uso doméstico. Básicamente la función de estas resistencias consiste en generar corrientes de aire o gas a una determinada temperatura o mantener ambientes a temperatura controlada.
Su composición está basada en materiales de acero inoxidable, terminales de tornillo, segmento frío en los extremos de las conexiones eléctricas. Su tensión de alimentación es a partir de 24V y su potencia varía de acuerdo a la función de la densidad superficial (W/ 1 (TRE C).
2.2.2.4. Sensores capacitivos
Los sensores capacitivos se pueden clasificar en dos formas:
En condensador variable que consiste en dos conductores separados por un dieléctrico, o el vacío. En esta dinámica existe una relación entre la carga Q, y la diferencia de potencial V, entre ellos viene descrita por su capacidad, C=Q/V. Por
1 Para mayor información sobre resistencias tubulares eléctricas consultar en: http://www.resistencias- electricas.com/productos/aire/resistencias-blindadas-lisas-y-aleteadas/resistencias-tubulareslisas/
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último, la variación de la capacidad está a disposición de la geometría de los conductores y del material.
Condensador diferencial el cual consiste en dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentido opuesto (Pallás, 2003).
2.2.2.5. Relé de estado sólido
Los relés de estado sólidos son dispositivos comúnmente utilizados en aplicaciones de conmutación de cargas resistivas con señales de control en DC o AC. Sus componentes son de estado sólido o semiconductores (como TRIACS y SCRS) (Eléctricas BC).
En el caso de la cámara de cultivo se utiliza un relé SSR Kodak que maneja una tensión de carga 110V/220V, con corriente máxima de carga de 10A y un rangos de tensiones de control de 3 a 24V.
2.2.2.6. Sensor de presión MPXV5004DP
Es un sensor de presión de alta precisión. Sirve principalmente en aplicaciones como Altímetros o Barómetro. Posee una salida lineal de 1V a 4.9V. Maneja un rango de 0 a 3.92KPa, compensando en temperatura.
2.2.3. Sistema de adquisición de datos
Los sistemas de adquisición de datos permiten medir información presentada en forma digital o analógica.
Las señales digitales pueden venir de una variedad de fuentes tales como: interruptores, relevadores, interfaces compatibles con niveles TTL, etc. Con la interface apropiada se pueden controlar directamente por la computadora.
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Las señales analógicas vienen de diferentes instrumentos, sensores o transductores que convierten energía en forma de presión, posición o temperatura en voltaje. Las señales analógicas no pueden procesarse directamente en una computadora, deben convertirse primero a un número digital.
2.2.3.1. Conversores A/D y D/A.
Los conversores D/A son dispositivos electrónicos que se encargan de convertir una información binaria presente en su entrada en una variable analógica que puede ser una tensión o una corriente. En cambio los conversores A/D, tienen como misión la obtención de una representación digital de la magnitud analógica que se presente según en su entrada.
Los procesos que deben llevar a cabo son los de cuantificación y codificación.
Estos conversores son necesarios al momento de realizar la comunicación de la Biofábrica y el computador.
2.2.3.2. Tarjetas DAQ.
Las DAQ son por lo general las interfaces entre la señal y un PC. Podría ser en forma de módulos que pueden ser conectados a los computadores a través de los puertos o ranuras de las tarjetas. Las tarjetas DAQ a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC, temporizadores, memorias RAM) (San Miguel, 2012). Uno de los grandes desarrolladores de tarjetas DAQ es la National Instruments.
NI PCI-6221. En la actualidad la Universidad de San Buenaventura Cali cuenta con las tarjetas de adquisición de datos NI PCI-6221. Estas tarjetas están constituidas por 16 Entradas Analógicas de 16 Bits a 250 kS/s. Sus características principales son:
1. Dos salidas analógicas de 16 bits (833 kS/s), 24 E/S digitales, contadores de 32 bits.
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2. Certificado de calibración trazable expedido por el NIST y más de 70 opciones de acondicionamiento de señales
3. E/S digital correlacionadas (8 líneas sincronizadas, 1 MHz)
4. La tecnología de calibración NI-MCal proporciona una mayor precisión 5. Serie M de alta velocidad para alcanzar velocidades de muestreo 5 veces más
rápidas o Serie M de alta precisión para obtener 4 veces más resolución.
6. Software controlador NI-DAQmx y software interactivo NI LabVIEW SignalExpress LE para registro de datos.
Tabla 1. Resumen de las principales características NI PCI-6221.
Tarjeta DAQ NI PCI-6221
Entradas análogas Salidas análogas
Número de canales 16 Número de canales 2
Frecuencia de muestreo 250 kS/s Resolución 16 bits
Resolución 16 bits Rango de voltaje -10 a 10v
Rango de voltaje máximo 10v Mínimo rango de voltaje -0.2v
Entradas/Salidas Digitales Contadores/Timers
Canales bidireccionales 24 Numero de contadores 2
Temporización Hardware/ Software Resolución 32 bits
Rango de entrada/salida 0 a 5v Frecuencia máxima de la fuente 80 MHz Capacidad de Corriente
Simple
24 mA Eliminación de rebotes Si
Capacidad de Corriente Total
448 mA Generador de pulso Si
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El paquete completo de NI PCI-6221 se compone de la siguiente manera:
Figura 2. Paquete completo para el sistema de adquisición de datos
Fuente: National Instruments. (s.f.). NI PCI-6221. Recuperado el 26 de Septiembre de 2013, de National Instruments: http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/14132.
El bloque conector (ver figura 2) se encarga de adecuar las señales ya que la tarjeta de adquisición de datos tiene interfaz PCI con el PC. Este bloque conector es un modelo CP-68LP y posee un cable conector SHC68-68-EPM (ver figura 3) con conexión al PC.
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Figura 3. Distribución de pines DAQ PCI-6221 de NI
Fuente: National Instruments. (21 de Noviembre de 2010). Low-Cost M Series Multifunction Data Acquisition - 16-Bit, 250 kS/s, up to 80 Analog Inputs. Recuperado el 26 de Septiembre de 2013, de National Instruments: http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-15/lang/es.
Por último la tarjeta NI PCI -6221 puede adquirir las señales análogas de tres modos distintos:
1. Modo diferencial: Mide la diferencia de voltaje entre dos entradas análogas AI.
2. Modo referenciado: Mide el voltaje entre una entrada análoga AI y la tierra GND como referencia.
3. Modo no referenciado: Mide la diferencia de voltaje entre una entrada análoga AI y una señal análoga sensible AI SENSE2.
2.2.4. Sistema Embebido.
Un Sistema Embebido es una combinación de hardware y software diseñados para realizar una tarea específica. Los Sistemas Embebidos están compuestos por microcontroladores o microprocesadores, E/S análogas y digitales, actuadores, entre otros. A continuación se mostraran aspectos importantes de los Sistemas Embebidos.
2.2.4.1. Diseño Sistema Embebido.
El diseño de un Sistema Embebido está pensado para satisfacer una necesidad identificada.
Pero una dificultad adicional es construir una implementación que simultáneamente optimice diversas métricas de diseño (Pérez, 2009).
Un Sistema Embebido normalmente se compone por hardware y software. El hardware de un Sistema Embebido trata de un módulo electrónico alojado dentro de un sistema de
2 Para mayor información sobre la tarjeta NI PCI-6221 consultar página oficial de la National Instruments:
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/14132
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mayor entidad (‘host’ o anfitrión) al que ayuda en la realización de tareas tales como el procesamiento de información generada por sensores, el control de determinados actuadores, etc.
El núcleo de dicho módulo lo forma al menos una CPU en cualquiera de los formatos conocidos: microcontroladores o dispositivos FPGA.
La tarjeta debe cumplir con los siguientes requisitos:
Tamaño: por lo general deberá ser reducido, aunque también es posible que se desee que adopte un formato estándar: PC-104, Eurocard, etc.
Margen de temperatura especifico del ámbito de aplicación.
Consumo de energía: En aplicaciones en las que es necesario el empleo de baterías, se buscará minimizar éste.
Robustez mecánica: Existen aplicaciones donde los dispositivos sufren un alto nivel de vibraciones, golpes bruscos, etc. En el diseño se deberá tener en cuenta dicha posibilidad.
Coste: El diseño de un producto para el competitivo mercado del gran consumo.
El software de un Sistema Embebido tendrá los requisitos específicos según la aplicación.
En general para el diseño de un Sistema Embebido no se dispone de recursos ilimitados sino que la cantidad de memoria será escasa, la capacidad de cálculo y dispositivos externos será limitada, etc. Un software debe cubrir las siguientes necesidades (Úbeda, 2009):
Trabajo en tiempo real.
Optimizar al máximo los recursos disponibles.
Disponer de un sistema de desarrollo específico para cada familia de microprocesadores empleados.
Programación en lenguajes de alto nivel, tales como C.
31 2.2.4.2. Arquitectura de un Sistema Embebido
En la figura 4 se pueden observar los 7 módulos que conforman un Sistema Embebido.
Cada uno de estos módulos se explica a continuación:
Figura 4. Diagrama de bloques modulo típico de un Sistema Embebido Fuente: Úbeda (2009), Apuntes de: Sistemas embebidos, pag7.
Microprocesador, microcontrolador, DSP o DSC: Un Microprocesador es un chip que incluye básicamente la CPU y circuitería relacionadas con los buses de datos y memoria. Para poder realizar su tarea se necesitan otros chips adicionales (Sistema mínimo) tales como memoria, circuitos de entrada salida E/S (I/O) y reloj.
Un Microcontrolador (MCU) es un dispositivo que alberga el sistema mínimo dentro de un único chip, esto es, incluye CPU, buses, reloj, memoria ROM, memoria RAM, E/S, otros periféricos tales como conversores A/D, temporizadores (timers), etc.
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Los Procesadores Digitales de Señales (DSP) son microcontroladores o microprocesadores diseñados específicamente, tanto en arquitectura hardware como conjunto de instrucciones, para realizar tareas típicas de procesamiento digital de señales en tiempo real.
Y por último se tiene los dispositivos mixtos microcontrolador/DSP que algunos fabricantes ofrecen dentro de su catálogo de productos.
Comunicaciones: Los sistemas de comunicaciones adquieren, en el diseño de Sistemas Embebidos, cada vez mayor importancia. Lo normal es que el Sistema Embebido pueda comunicarse mediante interfaces estándar de comunicaciones por cable o inalámbricas. Así, un Sistema Embebido normalmente incorpora puertos de comunicaciones bajo los estándares más extendidos, bien aquel que necesitan de un cableado físico o se trate de comunicaciones inalámbricas. Se tiene entre los más destacados:
a) SPI: Un protocolo SPI consiste en un bus de tres líneas, sobre el cual se transmiten paquetes de información de 8 bits. Cada una de estas tres líneas porta la información entre los diferentes dispositivos conectados al bus. Cada dispositivo conectado al bus puede actuar como transmisor y receptor al mismo tiempo, por lo que se denomina este tipo de comunicación serial como full dúplex (López).
b) CAN: Fue desarrollado en 1985 por Bosch para redes en vehículos. Es una red duradera y económica que permite a varios dispositivos comunicarse entre sí. El CAN tiene diferentes capas físicas que puede utilizar y estas capas físicas clasifican ciertos aspectos de la red, como lo son los niveles eléctricos, esquemas de señales, impedancia en los cables, tasa máxima de transmisión, y más (National Instruments, 2011).
c) RS-232: Es una interfaz que designa una norma para el intercambio serie de datos binarios entre un DTE (Equipo terminal de datos) y un DCE (Equipo de Comunicación de datos). El nacimiento de esta interfaz se registra en 1960, a
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través de un comité de normas conocido como EIA y se desarrolló un prototipo estándar de interfaz común para los datos de equipos de comunicaciones (Ingeniatic). Básicamente, consiste en un conector tipo DB-25 (hace referencia a 25 pines) o versión de 9 pines (DE-9). En su parte eléctrica cuando se recibe un voltaje más negativo que – 3V es un 1 binario y que un voltaje más positivo que 4V es un 0 binario. La velocidad de esta interfaz está diseñada para distancias cortas, según la norma hasta 15 metros, y con velocidades no superiores a 20 Kb/seg.
d) RS-485: Este tipo de protocolo de comunicación se utiliza cuando se necesita transmitir a largas distancias o con más altas velocidades que el RS-232. Los circuitos para un RS-485 son de bajo costo y solo requieren una fuente de +5V.
Tiene una interface multi-enlace con la capacidad de tener múltiples transmisores y receptores. La razón de bits puede alcanzar un máximo de 10 Mbits/seg (Alexon, 1998).
e) USB: El USB es un bus punto a punto en donde cada extremo existe un anfitrión o HOST y un destino en un dispositivo USB o en un HUB. El protocolo de comunicación utilizado en esta arquitectura se fundamenta en el paso testigo o token, el cual consisten en que el HOST proporciona el testigo al dispositivo destino y este devuelve el testigo en respuesta (García Breijo, 2009).
f) Ethernet: Es un protocolo de red en niveles para aplicaciones de automatización industrial. Basado en los protocolos estándar TCP/IP, utiliza hardware y software Ethernet para establecer un nivel de protocolo para configurar, acceder y controlar dispositivos de automatización industrial. Este protocolo está basado en el Protocolo de Control e Información (CIP) (SIEMON).
g) Comunicaciones inalámbricas (WiFi, WiMax, Bluetooth, GSM, GPRS, UMTS, DSRC, RFID, etc.)
Presentación. Usualmente suele ser una pantalla gráfica, táctil, LCD alfanumérico, diodos LED. Por lo general forma parte del interfaz hombre máquina del sistema.
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Actuadores. Se denomina actuadores a los posibles elementos encargados de llevar a cabo las acciones indicadas por la CPU. Entre éstos disponemos de drivers de corriente, controladores de motores eléctricos, conmutadores, relés, etc.
E/S analógicos y digitales. Este módulo se encarga de hacer llegar o enviar las señales analógicas y digitales a los diferentes circuitos encargados de su generación y procesamiento. Tal es el caso de la conversión A/D para el procesamiento digital de señales analógicas procedentes de sensores, activación de actuadores mediante circuitos ‘driver’, reconocimiento del estado abierto cerrado de un conmutador o pulsador, encendido de diodos LED, etc.
Reloj. Este módulo es el encargado de generar las diferentes señales de reloj necesarias para la temporización de los circuitos digitales. Habitualmente se parte de un único oscilador principal, cuyas características son de vital importancia en determinadas aplicaciones.
Módulo de alimentación (power). El módulo de energía se encarga de generar las diferentes tensiones y corrientes necesarias para alimentar los componentes activos que forman el Sistema Embebido. Lo normal es el empleo de baterías para los dispositivos portátiles y fuentes de alimentación (conversor AC/DC) para los sistemas que disponen de acceso a la red de energía eléctrica. Dado que la conexión de la energía es clave en muchas aplicaciones y ésta a su vez es fuente de ruido e interferencias, a veces es necesario dotarla de filtros, circuitos integrados supervisores de alimentación, protectores de sobretensión, etc.
2.2.5. Entorno de programación LabView
El nombre LabView proviene de las siglas Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench y fue creado en el año de 1976 por la National Instruments. Es una herramienta muy poderosa de instrumentación virtual diseño y simulación. LabView utiliza un lenguaje de programación G (gráfico) basado en instrumentos virtuales dentro de un entorno de desarrollo gráfico, permitiendo crear una interface con el usuario usando un conjunto de herramientas y objetos.
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Los programas en LabView son llamados VI (instrumentos virtuales) por su apariencia y modo operación a los instrumentos físicos (Equipos de medición, Control, etc.). Los VI’s se dividen en Panel Frontal y Diagrama de Bloques.
Figura 5. Panel Frontal de un VI
El Panel Frontal (ver figura 5) es la interfaz con el usuario en donde se establecen parámetros de control e indicadores que se visualizan en la pantalla. Los controles son elementos que entregan datos al Diagrama de Bloques desde el Panel Frontal por medio de un teclado o mouse. Los indicadores son los elementos que entregan datos al Panel Frontal desde el Diagrama de Bloques para ser visualizados (Lajara & Pelegrí, 2011).
El Diagrama de Bloques (ver figura 6) representa la codificación gráfica de las funciones para controlar los objetos en el Panel Frontal. También en este diagrama se puede visualizar como quedan los objetos del Panel Frontal en forma de bloques.
Los bloques del Diagrama están unidos por medio de cables los cuales varían de color, estilo o apariencia de acuerdo al tipo de dato que se esté utilizando. Por último dentro de este VI es posible desarrollar estructuras de programación (while loop, for loop, case structure, entre otros).
36 Figura 6. Diagrama de Bloques de un VI
2.2.6. Sistemas de control
El objetivo principal de los sistemas de control (a partir de un estudio de un proceso) es la determinación de la arquitectura y los valores de los parámetros de un regulador de forma que ante un cambio deseado o imprevisto de su funcionamiento, sea capaz de adaptarse automáticamente de la forma más adecuada posible (Bahón & Raya, 2004).
2.2.6.1. Definiciones básicas
En los conceptos básicos que gobiernan los sistemas de control se destaca que los sistemas están constituidos por un conjunto de elementos conectados de forma que permite regular o controlar otro sistema, denominado planta o proceso3. A continuación se describirán cada uno de los subsistemas que conforman un sistema de control (ver figura 7).
Planta G(s): Es la representación del sistema que hay que controlar. En esta parte se produce la transformación de la energía suministrada que se desea controlar.
3 BAHÓN Cecilio, RAYA G. Cristóbal, Tecnología de sistemas de control, Ediciones UPC, 2004. p31.
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Controlador (s): Proporciona la energía al proceso para alcanzar la salida deseada. Es diseñado básicamente para controlar el comportamiento global del proceso.
Sensor H(s): Es el elemento que permite sensar la salida de la planta. Usualmente, el sensor se coloca en la retroalimentación del proceso. Los sensores se caracterizan por convertir una señal física (nivel, caudal, temperatura, velocidad, presión, etc.) en una variable eléctrica.
Actuador: Es el elemento final de control y su principal función es provocar físicamente la dinámica de todo el sistema.
Transmisor: Es la parte del sistema encargada de recoger la señal del sensor, acondicionarla y realizar la comparación con la señal de referencia para producir un error el cual entrara en el controlador.
Figura 7. Sistema básico de control por lazo cerrado
Fuente: DORF., Op. Cit. p13, y fue citado en Balanta, J., & Rojas, V. (2011). Sistema automático de control con supervisión remota sobre cámara para la producción de plántulas. En J. Balanta, & V. Rojas, Sistema automático de control con supervisión remota sobre cámara para la producción de plántula. Universidad San Buenaventura de Cali.
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Los sistemas de control se pueden clasificar como sistemas de lazo abierto y cerrado. En los sistemas de lazo abiertos la acción de control tomada por el controlador no mantiene la variable controlada según el punto de control deseado. En cambio, los sistemas de lazo cerrado son retroalimentados en busca de la comparación del error producido y el set point para producir una salida deseada y controlada.
2.2.6.2. Métodos de control
Los controladores son diseñados para realizar acciones de regulación y estabilidad dentro de un proceso. Asimismo, los controladores más empleados (por su fácil diseño e implementación) se pueden clasificar en relación a su acción de control como:
Controlador PWM: Los controladores de modulación de ancho de pulso PWM varían su ancho del ciclo útil a la frecuencia de la información en los instantes de muestreo (Universidad Nacional Experimental Politécnica "ANTONIO JOSÉ DE SUCRE", 2011). Las principales aplicaciones que se utilizan los controladores PWM son para el control de temperatura, control de luminosidad y control de servomotores.
Control ON/OFF: Se basa en dos estados de salida sobre el elemento actuador;
encendido y apagado, por lo que resulta un esquema de control simple para sistemas que no requieren mayor precisión (ver figura 8).
Control ON/OFF con histéresis: posee el mismo concepto del controlador ON/OFF con la diferencia de que existe un rango en el que debe moverse la señal de error antes de que ocurra el cambio de estado. Su uso generalmente se ve aplicado en cámaras frigoríficas donde la temperatura debe estar dentro de un rango y el proceso de prender/apagar los motores de refrigeración se utilice lo menor posible (ver figura 9).
Control Proporcional, Integral y Derivativo (PID): el cálculo de los controladores PID están dados por tres parámetros que son proporcional, integral y derivativo. El valor proporcional determina la reacción del error actual. El controlador
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proporcional hace las veces de amplificador con ganancia ajustable. Este control reduce el tiempo de subida, incrementa el sobre impulso y reduce el error en estado estable. La ecuación general de un controlador proporcional está dada por:
Figura 8. Esquema básico control ON/OFF
Fuente: Real2electronics. (s.f.). Maqueta de control PID con Arduino. Recuperado el 17 de Septiembre de 2013, de Real2electronics: http://real2electronics.blogspot.com/2011/07/maqueta-de- control-pid-con-arduino.html.
Figura 9. Control ON/OFF con histéresis
Fuente: Tecnoficio. (s.f.). Modos de control de controladores industriales. Recuperado el 17 de
Septiembre de 2013, de Tecnoficio:
http://www.tecnoficio.com/electricidad/instrumentacion_industrial4.php.
Dispositivo de calentamiento
Valor de referencia ON
OFF ON
Temperatura OFF T°
Puntos de comunicación del controlador
Tiempo Tiempo
Tiempo Temperatura
Set P.
ON OFF
Histéresis
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En donde Kp es la ganancia del proporcional, e(t) es el error y u(t) es la salida del controlador.
El valor integral genera una corrección proporcional a la integral del error, asegurando que si se aplica un esfuerzo de control suficiente, el error se reducirá a cero. También se le denomina reajuste. Su fórmula está dada por:
∫
En donde Ki es la constante del integral, e(t) es el error y u(t) es la salida del controlador.
Por último, el valor derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. Su ecuación es dada por:
En donde Kd es la constante del derivativo, e(t) es el error y u(t) es la salida del controlador.
La suma de estas tres acciones ajusta un controlador PID, teniendo como ventaja que cada una de las tres acciones de control son individuales, no obstante, si se genera un cambio en el ajuste de una acción influirá en las otras volviendo esto un proceso difícil de ajuste y precisión (Creus, 1997).
La ecuación general de un PID es la siguiente:
∫
41 Figura 10. Diagrama controlador PID
Fuente: Iñigo, G. (s.f.). PID en Step7: Ejemplo de control de temperatura. Recuperado el 17 de Septiembre de 2013, de Programación Siemens: http://programacionsiemens.com/pid-en-step7/.
Cabe resaltar que también existen combinaciones PI y PD. Los controladores PI tienen como finalidad eliminar el error en estado estable, reduciendo el tiempo de subida, pero incrementan el sobre impulso y el tiempo de estabilización afectando la respuesta en estado transitorio. Su ecuación es:
∫
Los controladores PD reducen el sobre impulso y el tiempo de estabilización, por lo que se ve afectada la estabilidad del sistema, pero mejora la respuesta del sistema.
Su ecuación está dada por:
42 Figura 11. Respuesta de los diferentes controladores
Fuente: Controlador de altura de agua. (23 de Octubre de 2010). Respuestas de controladores.
Recuperado el 17 de Septiembre de 2013, de CONTROLADOR DE ALTURA DE AGUA:
https://sites.google.com/site/controladordealturadeagua/classroom-pictures.
En la siguiente tabla se detalla resumidamente las acciones de control proporcional, integral y derivativo, en relación a los efectos producidos en su momento de implementación.
Tabla 2. Resumen de las características de los controladores P, PI y PD Tipo de
control
Tiempo de subida
Sobre impulso
Tiempo de
estabilización
Error en estado estable
P Disminuye Aumenta Cambio menor Disminuye
PI Disminuye Aumenta Aumenta Se elimina
PD Cambio menor Disminuye Disminuye Cambio menor
Nota. Fuente: Balanta, J., & Rojas, V. (2011). Sistema automático de control con supervisión remota sobre cámara para la producción de plántulas. En J. Balanta, & V. Rojas, Sistema automático de control con supervisión remota sobre cámara para la producción de plántula. Universidad San Buenaventura de Cali.
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3. INVESTIGACIÓN DE REQUERIMIENTOS
En este capítulo se presentan los resultados de la exploración de los aspectos fundamentales que permitieron llevar a cabo la elaboración del proyecto de investigación. Se plantean, entonces, el diagnóstico físico de la planta, el análisis de la interfaz gráfica de control en la Biofábrica, la elección del sistema de comunicación y la investigación y selección del Sistema Embebido. Todo con el propósito de reunir los requerimientos previos para proceder con el desarrollo del problema planteado en este trabajo de grado.
3.1. ETAPA DE DIAGNÓSTICO FÍSICO
En la fase inicial de este proyecto fue necesario hacer un reconocimiento de la planta y las condiciones físicas en las que se encontraba. Para ello se realizó un trabajo de identificación basado tanto en material teórico como en trabajo de campo. Los resultados obtenidos en este primer acercamiento fueron los siguientes:
La Biofábrica (ver figura 12) es una cámara para la producción de plántulas que se creó con el fin de que los estudiantes de ingeniería agroindustrial la utilizaran para proporcionar condiciones climatológicas al cultivo de plántulas, sin embargo, hasta el momento no ha sido utilizada con frecuencia, encontrándose sin acceso a una fuente de alimentación y lejos del computador principal encargado de hacer el control.
El aspecto exterior de la Biofábrica se encontró en buen estado, sin embargo, cuenta con un cableado y etiquetado en malas condiciones; el cableado por fuera de sus respectivas canaletas y el etiquetado hecho con cinta de enmascarar y marcado con lápiz (ver figura 13), esto dificultó la identificación de cada elemento y su respectiva conexión.