Sistema programable para el uso eficiente del recurso hídrico pluvial en una vivienda

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(1)SISTEMA PROGRAMABLE PARA EL USO EFICIENTE DEL RECURSO HÍDRICO PLUVIAL EN UNA VIVIENDA PROYECTO DE GRADO. PRESENTADO POR JHON ALEJANDRO BETANCOURTH CARDONA JULIAN MAURICIO ECHEVERRY LLANO. PRESENTADO A PROF. CESAR AUGUSTO MENESES. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA INGENIERÍA DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN PROYECTO DE GRADO II PEREIRA 21/10/2017. 1.

(2) TABLA DE CONTENIDO. 1. 2. CAPITULO I ...................................................................................................................................... 6 1.1. GENERALIDADES ..................................................................................................................... 6. 1.2. INTRODUCCION....................................................................................................................... 6. 1.3. JUSTIFICACION ........................................................................................................................ 8. 1.4. RESUMEN ................................................................................................................................ 9. 1.5. ABSTRACT .............................................................................................................................. 10. 1.6. AGRADECIMIENTOS .............................................................................................................. 11. 1.7. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................................ 12. 1.8. OBJETIVO GENERAL............................................................................................................... 13. 1.9. OBJETIVOS ESPECIFICOS........................................................................................................ 13. CAPITULO II ................................................................................................................................... 13 2.1. 2.1.1. MODELO DE UN SISTEMA DE CAPTACION DE AGUAS LLUVIAS .................................... 16. 2.1.2. ARTICULOS DE LA IEEE .................................................................................................. 18. 2.2. 3. MARCO REFERENCIAL ........................................................................................................... 13. MARCO TEORICO .................................................................................................................. 23. 2.2.1. TECNOLOGIA ARDUINO................................................................................................. 24. 2.2.2. ARDUINO ETHERNET SHIELD 2 ...................................................................................... 26. 2.2.3. LA TECNOLOGIA DE LOS SENSORES .............................................................................. 28. 2.2.4. LA TECNOLOGIA DE LOS ACTUADORES ......................................................................... 30. 2.2.5. APLICACIONES WEB ...................................................................................................... 31. 2.2.6. ALGUNAS REDES DE COMUNICACIÓN .......................................................................... 32. CAPITULO III .................................................................................................................................. 34 3.1. ESQUEMA DE CONEXIÓN GENERAL ...................................................................................... 34. 3.2. ESQUEMA DE CONEXIÓN AL ARDUINO................................................................................. 36. 3.2.1 4. CARACTERIRSTICAS, FUNCIONAMIENTO E INSTALACION DE SENSORES...................... 38. CAPITULO IV .................................................................................................................................. 51 4.1. FASE DE ANALISIS .................................................................................................................. 51. 4.1.1. REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE ................................................................................ 51. 4.1.2. REQUERIMIENTOS DE HARDWARE ............................................................................... 54. 4.1.3. REQUERIMIENTOS FUNCIONALES ................................................................................. 55. 4.1.4. REQUERIMIENTOS NO FUNCIONALES O ATRIBUTOS DE CALIDAD ............................... 57. 4.2. FASE DE DISEÑO .................................................................................................................... 59. 4.2.1. CASOS DE USO............................................................................................................... 59 2.

(3) 4.2.2. DIAGRAMAS DE SECUENCIAS ........................................................................................ 72. 4.2.3. DIAGRAMA ENTIDAD RELACION ................................................................................... 77. 4.2.4. DIAGRAMA DE CLASES .................................................................................................. 77. 4.2.5. DIAGRAMA DE DESPLIEGUE .......................................................................................... 79. 4.2.6. Interfaz de Usuario (Mockups)...................................................................................... 80. 4.3. 4.3.1. INSTALACION DEL ENTORNO DE DESARROLLO ARDUINO ............................................ 85. 4.3.2. ESTRUCTURA BASICA DEL PROGRAMA ......................................................................... 86. 4.3.3. INSTALACION DEL EDITOR DE TEXTO SUBLIME TEXT 3................................................. 87. 4.3.4. PROCESO DE INSTALACION DEL WAMP ........................................................................ 90. 4.3.5. PROCESO DE INSTALACION DEL NODE JS ..................................................................... 91. 4.3.6. PROCESO DE INSTALACION DE LA LIBRERÍA SERIAL PORT ............................................ 92. 4.3.7. PROCESO DE INSTALACION DE LA LIBRERÍA SOCKET IO ............................................... 92. 4.3.8. PROCESO DE INSTALACION DEL FRAMEWORK EXPRESS DE NODE JS .......................... 93. 4.4. 5. 6. FASE DE IMPLEMENTACIÓN .................................................................................................. 85. PUESTA A PUNTO DEL PROTOTIPO ....................................................................................... 93. 4.4.1. VALIDACION Y VERIFICACION FUNCIONAL DEL PROTOTIPO ........................................ 94. 4.4.2. DETALLE DE LA VALIDACION Y VERIFICACION FUNCIONAL DEL PROTOTIPO ............... 96. CAPITULO V ................................................................................................................................. 109 5.1. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 109. 5.2. TRABAJO FUTURO ............................................................................................................... 110. BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................. 111. 3.

(4) TABLA DE IMÁGENES. Modelo De Captación. Imagen 1 ............................................................................................. 16 Esquema De Conexión General. Imagen 2 1 ........................................................................... 34 Esquema De Conexión Al Arduino. Imagen 3 1 ..................................................................... 36 Funcionamiento Sensor HC-SR04. Imagen 4 1 ....................................................................... 39 Conectividad Sensor HC-SR04. Imagen 5 1............................................................................ 39 Electroválvula. Imagen 6 1 ...................................................................................................... 40 Controlador De Flujo. Imagen 7 1 ........................................................................................... 42 Display LCD Arduino. Imagen 8 1 .......................................................................................... 44 Tarjeta Raspberry PI. Imagen 9 1 ............................................................................................ 45 Tarjeta Arduino Mega 2560. Imagen 10 1 ............................................................................... 46 Mini bomba. Imagen 11 1 ........................................................................................................ 48 Bomba De Agua Amarine. Imagen 12 1 .................................................................................. 49 Ralay 2 Canales. Imagen 13 1.................................................................................................. 50 Caso De Uso 1. Imagen 14___________________________________________________ 60 Caso De Uso 2. Imagen 15___________________________________________________ 61 Caso De Uso 3. Imagen 16___________________________________________________ 62 Caso De Uso 4. Imagen 17___________________________________________________ 63 Caso De Uso 5. Imagen 18___________________________________________________ 64 Caso De Uso 6. Imagen 19___________________________________________________ 65 Caso De Uso 7. Imagen 20___________________________________________________ 66 Caso De Uso 8. Imagen 21___________________________________________________ 67 Caso De Uso 9. Imagen 22___________________________________________________ 68 Caso De Uso 10. Imagen 23__________________________________________________ 70 Caso De Uso 11. Imagen 24__________________________________________________ 72 Diagrama De Secuencia 1. Imagen 25__________________________________________ 74 Diagrama De Secuencia 2. Imagen 26__________________________________________ 75 Diagrama De Secuencia 3. Imagen 27__________________________________________ 76 Diagrama De Secuencia 4. Imagen 28__________________________________________ 77 4.

(5) Diagrama De Secuencia 5. Imagen 29__________________________________________ 77 Diagrama De Secuencia 6. Imagen 30__________________________________________ 78 Diagrama De Secuencia 7. Imagen 31__________________________________________ 78 Diagrama De Entidad Relación. Imagen 32______________________________________ 79 Diagrama De Clases. Imagen 33______________________________________________ 80 Diagrama De Despliegue. Imagen 34___________________________________________ 81 Ingreso a la aplicación. Imagen 35_____________________________________________ 82 Vista principal. Imagen 36__________________________________________________ _82 Servicios. Imagen 37________________________________________________________83 Servicio de ducha. Imagen 38_________________________________________________83 Servicio de inodoro. Imagen 39_______________________________________________ 84 Usuarios. Imagen 40________________________________________________________ 84 Registrar usuario. Imagen 41_________________________________________________ 85 Modificar usuario. Imagen 42_________________________________________________85 Informes. Imagen 43________________________________________________________ 86 Sketch Arduino. Imagen 44__________________________________________________ 89 Proceso de instalación del package control. Imagen 45____________________________ 90 Instalación Sublime Text Finalizada. Imagen 46__________________________________ 91 Asistente de instalación WAMP. Imagen 47_____________________________________ 92. 5.

(6) 1. 1.1. CAPITULO I. GENERALIDADES. TÍTULO DEL TRABAJO DE GRADO Sistema programable para el uso eficiente y aprovechamiento del recurso hídrico pluvial en una vivienda.. 1.2. INTRODUCCION. El agua es un recurso fundamental para la construcción y desarrollo de los diferentes ecosistemas que conforman el planeta, creando en ellos distintas formas de vida (Seres humanos, animales y plantas), que permanecen entre sí, en constante interacción, con el fin de producir un objetivo determinado, siendo para el ser humano en este caso, no solo una fuente de vida, sino uno de los elementos más importantes en el desarrollo de la sociedad. (Almiron, n.d.) Por tal motivo es de vital importancia, cambiar el enfoque en la gestión del agua lluvia, que nos permita aprovecharla como recurso, generando así beneficios para el planeta y la comunidad. Teniendo en cuenta lo antes mencionado, se puede observar que cada vez se apuesta más por un desarrollo sustentable y un uso eficiente de los recursos naturales. Gestionar, aprovechar y reutilizar el agua lluvia, genera un impacto positivo en el medio ambiente y la sociedad, al preservar la cantidad y calidad de los recursos hídricos, generando múltiples beneficios que, entre otras cosas, implican mejoras en la productividad, en la salud de los usuarios, reducción en los residuos y menor consumo de agua y energía. (UNESCO, s.f.). En la actualidad, los sistemas domoticos son manipulados a través de distintos dispositivos electrónicos y comandos de voz, como, por ejemplo: (Rendon, n.d.)  Controles remotos.  Computadores de Escritorio. 6.

(7)  Celulares.  Computadores Portátiles.  Tablets.  Paneles táctiles. Todo ello utilizado para la automatización, regulación y control de: Iluminación, climatización, persianas, puertas, ventanas, electrodomésticos entre otros, además de aportar en temas de seguridad en los que se podría mencionar por ejemplo: Diferentes tipos de alarmas de intrusión, personales y alarmas técnicas (incendio, humo, agua, gas, fallo de suministro eléctrico etc. (Castillo, n.d.) Por otro lado, están los sistemas de recirculación del agua a través de un proceso de captación de aguas lluvias, los cuales son instalados en las viviendas, todos con su respectiva infraestructura y montajes dentro y fuera del hogar, que van a permitir finalmente un aprovechamiento pluvial. (Definicion De Aprovechamiento, n.d.) El proyecto pretende crear un Sistema programable para el uso eficiente y aprovechamiento del recurso hídrico pluvial en una vivienda, a partir de una aplicación web, en una vivienda urbana unifamiliar pareada, de estratos medio-alto y alto ubicada en una zona climática cuya temperatura oscile entre los 24 oC a 12 oC o inferior.. 7.

(8) 1.3. JUSTIFICACION. Esta información es tomada de la fuente: (ABENGOA, n.d.) El agua lluvia, a pesar de no ser potable, posee una gran calidad, ya que contiene una concentración muy baja de contaminantes, dada su nula manipulación. El agua pluvial es perfectamente utilizable para muchos usos domésticos en los que puede sustituir al agua potable, como en lavadoras, lavaplatos, sanitario, ducha, sistema de riego, entre otros. Por tal motivo, luego de realizar un análisis acerca del funcionamiento básico de un sistema de captación pluvial en una vivienda, que consiste generalmente en filtrar el agua lluvia captada en una superficie determinada, generalmente el tejado o azotea y almacenarla en un depósito, para luego ser distribuida a través de un circuito hidráulico hacia la red de agua potable. Dicho planteamiento conlleva a la realización del proyecto, que pretende mediante el desarrollo de un prototipo de aplicación web o sistema programable para el uso eficiente y aprovechamiento del recurso hídrico pluvial en una vivienda unifamiliar pareada, que dentro de su funcionalidad permita a los usuarios tener acceso a su sistema de almacenamiento de captación pluvial, para obtener información como: Nivel de agua almacenada y la cantidad de agua lluvia utilizada por determinado servicio, con el ánimo de mejorar el control y aprovechamiento de las aguas lluvias de la mano de la informática, que contribuya finalmente a una reducción tanto del consumo de agua potable como en el costo de la misma, impactando favorablemente nuestro medio ambiente.. 8.

(9) 1.4. RESUMEN. Fuente: Elaboración propia. Gracias a un proceso organizado, que incluyó en su momento, la consulta de información de diferentes fuentes más un estudio de necesidad y conveniencia, frente al tema de captación pluvial y su interacción con software o diversas aplicaciones para optimizar y potencializar su manejo y funcionamiento, se logró desarrollar un prototipo de aplicación web o sistema programable para el uso eficiente y aprovechamiento del recurso hídrico pluvial, en una vivienda unifamiliar pareada, que dentro de su funcionalidad, permitió a los usuarios tener acceso a su sistema de almacenamiento de captación, obteniendo información como: Nivel de agua almacenada y la cantidad de agua lluvia utilizada por determinado servicio. La aplicación fue desarrollada teniendo en cuenta varios atributos de calidad, dentro de los cuales podemos destacar, la Modificabilidad de la misma, permitiendo adaptarse a cualquier cambio en la infraestructura tecnológica, sin que se vea afectado su funcionamiento, con una interfaz de fácil ingreso a cualquier tipo de usuario siendo lo más amigable posible, en cada una de sus funcionalidades. Realizamos un proceso de puesta a punto con todo el prototipo, lo cual tuvo en cuenta la validación del funcionamiento de los sensores, actuadores, Arduino, Rasberry y la interacción de estos, con el ánimo de cumplir finalmente con el objetivo para el cual fue diseñado dicho sistema. Lo anterior con el ánimo de mejorar el control y aprovechamiento de las aguas lluvias de la mano de la informática, lo cual contribuyo finalmente, a una reducción tanto del consumo de agua potable como en el costo de la misma, impactando favorablemente nuestro medio ambiente.. 9.

(10) 1.5. ABSTRACT. Thanks to an organized process, which included, at the time, the consultation of information from different sources plus a study of necessity and convenience, in relation to the issue of rainfall collection and its interaction with software or various applications to optimize and enhance its management and operation, it was possible to develop a prototype web application or programmable system for the efficient use and use of the rainwater resource, in a detached single family dwelling, which within its functionality, allowed the users to have access to their capture storage system, obtaining information as:. Stored water level and the amount of rainwater used by a given service. The application was developed taking into account several attributes of quality, within which we can highlight, the Modificabilidad of the same, allowing to adapt to any change in the technological infrastructure, without affecting its operation, with an interface of easy entry to any type of user being as friendly as possible, in each of its functionalities. We performed a process of development with the whole prototype, which took into account the validation of the operation of the sensors, actuators, Arduino, Rasberry and the interaction of these, with the aim of finally meeting the objective for which it was designed such system.. The above with the aim of improving the control and use of rainwater with the use of computer technology, which ultimately contributed to a reduction both in the consumption of drinking water and in the cost of it, with a favorable impact on our environment.. 10.

(11) 1.6. AGRADECIMIENTOS. Por la realización del presente proyecto de grado, manifestamos nuestros más sinceros agradecimientos a Dios, por todas sus bendiciones y permitirnos terminar con éxito todo lo referente al proyecto. Un agradecimiento muy especial a nuestro director de proyecto, el Ingeniero Cesar Augusto Meneses, ya que gracias a su esfuerzo, dedicación, sus conocimientos, su experiencia, su paciencia y su motivación logramos llegar a feliz término con la culminación del prototipo. También nos gustaría agradecer a los profesores que tuvimos en el transcurso de la carrera profesional porque todos aportaron de una u otra manera en nuestros procesos de formación, haciendo posible toda la realización del proyecto, en especial al profesor Leonardo Taffurth, ya que la idea del proyecto, nació precisamente en su clase (Electrónica Digital) y fue con su apoyo y motivación inicial, que se dio la elaboración, construcción, puesta en marcha y culminación de esta espectacular idea de proyecto. Agradecer de antemano a nuestros compañeros, por su amistad y apoyo, en diferentes momentos del transcurrir de nuestra carrera, todo ello aporto positivamente en la culminación del proyecto de grado. Por ultimo agradecer a nuestros padres y esposas por sus consejos, apoyo, ánimo y compañía en tantos momentos vividos a lo largo de nuestra carrera, lo cual fue la fuente de energia que hiso posible todo el desarrollo, implementación y culminación de tan maravilloso proyecto de grado.. 11.

(12) 1.7. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. El agua del mundo existe de manera natural bajo distintas formas y en distintos lugares: en el aire, en la superficie, bajo el suelo y en los océanos, pero sólo el 2.5% del agua total es agua dulce, aunque de éste valor no todo está disponible, pues únicamente el 0.4% del agua dulce está en condiciones aptas para ser utilizadas por los seres vivos. Algunas de los principales factores que afectan al recurso hídrico son:  El crecimiento de la población, en especial en regiones con escasez de agua.  Grandes cambios demográficos a medida que la población se desplaza de entornos rurales a urbanos.  Mayores demandas de seguridad alimentaria y de bienestar socioeconómico.  Mayor competencia entre usuarios y usos.  Contaminación de origen industrial, municipal y agrícola. Otra problemática existente con respecto al recurso hídrico es su inadecuado uso. En la actualidad aún se cree que el agua es un recurso renovable, pero ésta es una mala interpretación del ciclo hidrológico, pues, aunque el agua se encuentra en la Tierra en la misma cantidad (cambiando continuamente de estados), se excluye de ésta teoría la calidad del recurso. Es por eso que aún se cree que el agua está auto-recuperándose continuamente mediante el ciclo hidrológico. Este concepto errado (si se tiene presente que el ritmo de contaminación de las fuentes es mucho mayor al tiempo de renovación de los cuerpos de agua), crea en la gente falsas ilusiones, lo que conlleva en gran parte a que haya despilfarros y usos inadecuados del recurso hídrico. (La Problematica Global Del Agua, n.d.) El aprovechamiento del agua lluvia para diferentes usos, es una práctica interesante, tanto ambiental como económicamente, si se tiene en cuenta la gran demanda del recurso sobre las cuencas hidrográficas, el alto grado de contaminación de las fuentes superficiales y los elevados costos por el consumo de agua potable en una institución educativa, por ejemplo. No obstante, dicha práctica podría ser más eficiente si existiese una adecuada utilización del recurso obtenido por el sistema de captación pluvial o del acueducto, generando así el impacto socioeconómico y ambiental esperado. (Facts, 2009). De lo antes mencionado surge el interrogante ¿Será posible tener una solución tecnológica, que permita aprovechar eficientemente el agua lluvia en una vivienda? 12.

(13) 1.8. OBJETIVO GENERAL. Desarrollar un prototipo de aplicación web para el uso eficiente y aprovechamiento del recurso hídrico obtenido por un sistema de captación de aguas lluvias en una vivienda unifamiliar pareada.. 1.9. OBJETIVOS ESPECIFICOS.  Identificar y analizar los requerimientos del prototipo.  Diseñar un modelo óptimo para el correcto funcionamiento del prototipo.  Elaborar interfaz de usuario.  Codificar e implementar la estructura lógica del prototipo.  Validar el correcto funcionamiento del sistema.. 2. 2.1. CAPITULO II. MARCO REFERENCIAL. Esta información es tomada de la fuente (Campos, n.d.) Una de las soluciones para hacer frente a la escasez de agua es el aprovechamiento eficiente del agua de lluvia, tradición milenaria que se practica desde hace 5000 años.. •. A lo largo de distintas épocas, culturas en todo el mundo desarrollaron métodos para recoger y utilizar el recurso pluvial, sin embargo, con el progreso de los sistemas de distribución entubada, estas prácticas se fueron abandonando.. •. Ahora ante el reto que supone el aumento de la población y la escasez del suministro, tanto en las zonas urbanas como rurales, la captación de agua de lluvia y nuevos sistemas para su correcta gestión, vuelven a verse como una solución para ahorrar y aumentar las reservas de agua.. •. Proyectos de Naturaleza Sustentable Situación en el Mundo y en América.. 13.

(14) •. En países como Inglaterra, Alemania, Japón o Singapur, el agua de la lluvia se aprovecha en edificios que cuentan con el sistema de recolección, para después utilizarla en los baños o en el combate a incendios, lo cual representa un ahorro del 15% del recurso.. •. En la India se utiliza principalmente para regadío, pero cada vez se desarrollan más políticas encaminadas a la captación en ciudades como Bangalore o Delhi.. •. En la República Popular de China se resolvió el problema de abastecimiento de agua a cinco millones de personas con la aplicación de tecnologías de captación de agua de lluvia en 15 provincias después del proyecto piloto “121” aplicado en la región de Gainsu.. •. En Bangladesh se detuvo la intoxicación por arsénico con la utilización de sistemas de captación de agua de lluvia para uso doméstico.. •. Brasil tiene un programa para la construcción de un millón de cisternas rurales para aumentar el suministro en la zona semiárida del noreste.. •. En las Islas del Caribe (Vírgenes, Islas Caicos y Turcas), Tailandia, Singapur, Inglaterra, EUA y Japón entre otros, existe un marco legal y normativo que obliga a la captación de agua de lluvia de los techos.. •. En Israel se realiza micro-captación de agua de lluvia para árboles frutales como almendros y pistachos. En los Estados Unidos y Australia, la captación de agua de lluvia se aplica principalmente para abastecer de agua a la ganadería y al consumo doméstico.. •. En algunos estados de ambos países se ha desarrollado regulaciones e incentivos que invitan a implementar estos sistemas.. Esta información es tomada de la fuente (Ambiental) •. DUSA: De refiere gestión sustentable como enlace entre los recursos hídricos (sensible al agua) con los espacios urbanos (diseño urbano), apropiado para todo tipo de zonas urbanas (pequeños edificios y calles) donde diversos elementos puedan ser adaptados, La captación de agua de lluvia es posible y recomendado tanto en centros urbanos como rurales, en ambos se realizan similares actividades, solo cambia la cantidad requerida.. •. Definición del sistema de captación de agua de lluvia Conjunto de tuberías, accesorios y equipos que captan y recolectan la lluvia que cae sobre una superficie para conducirla a un dispositivo de almacenamiento Se hacen necesarios los procesos de filtración (o potabilización) para decantar la basura acumulada en azoteas, según el uso empleado del agua. 14.

(15) •. Agua de lluvia Agua de precipitaciones que no ha sufrido contaminación severa, sin químicos ni tóxicos que resten pureza (captada en superficies con mantenimiento y limpieza).. •. Agua pluvial Por tener contacto con el suelo ha sufrido grados de contaminación, circula por superficies transitadas por vehículos y el ser humano, contiene químicos, lixiviados, basura no biodegradable y otros agentes que alteran su pureza.. •. Diseño urbano sensible al agua (DUSA) Se ha implementado desde el año 2000, desde su precedente histórico: - De 1950 a 1980, el enfoque se basaba en la construcción de drenajes - En las décadas de 1980-1990, se enfocó hacia el manejo de inundaciones y planificación de control de agua (inundaciones) en llanuras - A finales de los 90´s, la gestión de aguas pluviales se centró en los contaminantes peligrosos y la educación, apoyado por gobiernos como el de New South Wales, Australia, a través del Programa de Colaboración en el Manejo de Aguas Pluviales - Primera conferencia en Melbourne en 1999, y primeros sistemas de Lynbrook Estate (Melbourne) y Victoria Park (Sydney), en el años 2000. La investigación sobre DUSA ha sido llevada a cabo por la Universidad de Monash, elaborando un software del modelo de mejora y concepto de las aguas pluviales urbanas (model for Urban Stormwater Improvement Conceptualization, MUSIC).. 15.

(16) 2.1.1. MODELO DE UN SISTEMA DE CAPTACION DE AGUAS LLUVIAS. Modelo De Captación. Imagen 1. El modelo de captación de agua pluvia que va ser tenido en cuenta para la ejecución del proyecto es el que se muestra en la gráfica anterior y se describe a continuación: Esta información es tomada de la fuente (Solar, n.d.) El espacio destinado al tema de captación en la casa seria el tejado. Esta agua será canalizada, filtrada y almacenada en un gran depósito o aljibe para su posterior uso cuando sea necesario. Dado lo anterior se utilizan los siguientes elementos: •. Área de captación– Consistente normalmente en el tejado y las cubiertas así como de cualquier superficie impermeable. El material en que se realicen o que de mínimo la cubra las cubiertas deben ser inocuas para el agua (piedras, tejas de cerámica, etc.) y no contener ningún impermeabilizante que pueda aportar sustancias tóxicas a la misma.. 16.

(17) •. Conductos de agua– Ya sea la propia inclinación del tejado y/o una serie de canalones o conductos que dirijan el agua captada al depósito. Deben de dimensionarse correctamente para evitar que se desborden y que se pueda desaprovecharse parte del agua.. Filtros– deben de eliminar el polvo y las impurezas que porte el agua. Existen múltiples sistemas de filtrado que van desde la simple eliminación de las impurezas más gruesas hasta los sistemas que permiten la potabilización y el pleno uso del agua. También existen filtros que permiten desechar automáticamente los primeros litros de agua recolectados en cada lluvia para permitir un lavado de la superficie colectora que elimine las impurezas que pueda haber.. •. Depósitos o aljibes– Son los espacios en los que queda almacenada el agua recolectada. Serán de diferentes tamaños en función del agua que se pueda y quiera almacenar. Las paredes del depósito deben de ser de materiales que permitan la correcta conservación del agua. Tradicionalmente los aljibes se construían como un espacio enterrado delimitado por muros. En la actualidad existen también depósitos plásticos especialmente acondicionados para contener esta agua. (Tanques metálicos, depósitos plásticos etc.…) que también pueden ir enterrados.. •. Sistemas de control– Estos son sistemas opcionales que gestionan la alternancia de la utilización del agua de la reserva y de la red general. Es decir, cuando el agua de lluvia se acaba pasa automáticamente a suministrar agua de la red. En el momento que vuelve a llover y se recarga el depósito pasa de nuevo a emplear el agua de la red.. 17.

(18) 2.1.2. ARTICULOS DE LA IEEE. Consultando las bases de datos de la IEEE, identificamos documentos importantes que nos sirvieron como apoyo en el desarrollo de nuestro proyecto. Identificamos los siguientes temas de interés:. 2.1.2.1 AutomatizacionAutomatización del hogar usando Internet de las Cosas. Como citar un artículo. Este artículo es tomado de la fuente: (Zhang, 2011) Los recientes escenarios dejan ver que, en esta era digital, a la gente le gustan los dispositivos automáticos que a menudo son conocidos como dispositivos inteligentes.. Desde el año 2013, con el desarrollo de las nuevas tecnologías, el internet de las cosas (IOT) también ha surgido para dispositivos inteligentes, a diferencia de la década de 1990, en la cual los electrodomésticos de cada casa como: Televisión, calefacción, aire acondicionado, lavadora, sistemas de seguridad electrónica y otros dispositivos eléctricos y electrónicos eran manualmente controlados. Con la evolución del internet de las cosas (IOT) todos estos dispositivos que se controlan manualmente pueden ser controlados de manera automática.. En 2011 se había predicho que las aplicaciones de IOT, se centrarían principalmente en temas como: La construcción de ciudades digitales e inteligentes, agricultura y construcción.. 18.

(19) La Asociación De Estándares De Comunicación China propone una estructura de tres capas de IOT: La Primera Capa Es la capa de detección y se utiliza principalmente para recoger información. La Segunda Capa La segunda capa, es la de red, que es usada para obtener información, transmisión y procesamiento. La Tercera Capa Es la de aplicación, la cual es utilizada para almacenamiento de información y toma de decisiones. El principal concepto de Internet es que puede crear una conexión virtual entre un centro o una red y objetos eléctricos y electrónicos. Esta conexión virtual ayuda a controlar, ubicar y localizar estos objetos conectados. Sobre la base de dispositivo-a el concepto de conectividad, el desarrollo de sensor inteligente, junto con las tecnologías de comunicación como Wi-Fi, Bluetooth etc y apoyados por tecnologías de la computación en nube, internet se ha convertido en realidad y su meta es hacer los dispositivos más conscientes, interactivos y eficaces para tener un mundo más seguro y mucho mejor.. 2.1.2.2 Diseño de un Sistema de Casa Inteligente, basado en Zigbee.. Este artículo es tomado de la fuente: (Zhihua, 2016) El diseño del programa de aplicación ZigBee, para crear dos proyectos es:  Smart Home_WAP, es decir, las funciones de interfaz de gestión para lograr el proyecto, es la red ZigBee y la comunicación con el ordenador central a través de una interfaz inalámbrica. Cuando se agrega un nuevo dispositivo a la interfaz de gestión de radio, se asignará un número de nodo único de toda la red y sólo el número de cada sub-dispositivo.  SmartHome_Device, es decir, la función del nodo de red ZigBee para lograr el 19.

(20) Proyecto.. 2.1.2.3 Sistema De Red De Sensores Para Agua Lluvia Este artículo es tomado de la fuente: (IZUMI) La rápida expansión de las zonas urbanas ha traído consigo destrucción forestal generalizada que aumenta el riesgo de inundaciones repentinas. Tradicionalmente las represas, bancos de almacenamiento de agua lluvia, instalaciones de infiltración pueden llegar a originar inundaciones; sin embargo, es difícil construir represas o instalaciones de almacenamiento de agua de lluvia en un área ya desarrollada. Propusimos el método de prevención de desastres, la función de almacenamiento de un gran número de tanques de agua alrededor de la cuenca, un centenar de tanques de 300 litros de agua de lluvia fueron instalados y distribuidos a los residentes que viven alrededor de la cuenca del río Hii en Fukuoka. El propósito de estos Tanques es almacenar temporalmente agua de lluvia cuando llueve, para suprimir el daño de inundación; Sin embargo, sólo el 29% de los residentes tienen tanques de agua de lluvia pre-descargados. La mayoría de ellos pensó "Mottainai" porque pueden usar el agua para el uso diario. Por lo tanto, es importante descargar automáticamente el agua del tanque, si se pronostica una fuerte lluvia. Estamos desarrollando el Smart Rainwater Tank, que es un tanque de agua de lluvia que está conectado a una red y se puede monitorizar y controlar. La RGS propone para conectar los SRTs como una malla para proporcionar una robusta y de bajo costo. La red monitorea los niveles de agua y el uso de ella en tiempo real, descarga el tanque en un momento apropiado.. 2.1.2.4 Simulación de software inteligente de consumo de agua en hogares domésticos. Este artículo es tomado de la fuente: (Zaher, 2016). El agua se encuentra en muchos lugares diferentes y en muchas diferentes formas. Mientras que las cantidades de agua en el Planeta parecen ser abundantes, su disponibilidad para la el consumo es por lo tanto limitado. De acuerdo con la Grupo Intergubernamental de Expertos sobre la Evolución del Clima (GIEC), aproximadamente 12.900 km3 del planeta del agua, existe en forma de vapor en la atmósfera. Además, aproximadamente 1170 Km3 de agua se evaporan o transpirado por animales y plantas. Otro estudio realizado por el Científicos de la United States Geological Survey (USGS) muestra la distribución del agua en 20.

(21) la tierra. Los resultados de este Estudio se representan en la figura 1. Se puede ver claramente que un No se puede utilizar gran cantidad de agua (por ejemplo, agua salina del océano Contribuye al 96,5% de este recurso no utilizado) dejando muy Pequeñas cantidades (2,5%) para el consumo humano. Soluciones a extraer la sal del agua de mar para hacerla utilizable proporcionando el agua dulce es una de las primeras formas de agua de la humanidad, el tratamiento de la misma sigue siendo una solución popular en todo el mundo en la actualidad. Los procesos con estas tecnologías deben hacerse a gran escala para que sean útiles en las diferentes poblaciones y los procesos actuales se consideran muy costosos en términos de capital, impacto ambiental, energía intensiva, e implican instalaciones a gran escala. Se proyecta Que más de 70 mil millones de dólares se gastarán en todo el mundo en los próximos 20 años para diseñar y construir nuevas Plantas desalinizadoras con sus respectivas instalaciones [6].. 2.1.2.5 La Domótica Como Solución De Futuro Este artículo es tomado de la fuente: (Madrid, 2007) El gran progreso tecnológico sufrido por los sistemas de telecomunicación y los sistemas de desarrollo y proliferación de internet, han incrementado exponencialmente nuestra capacidad para crear información, almacenarla, transmitirla, recibirla y procesarla. El mayor acceso a la información, ha venido además asociado a una mayor facilidad para comunicarnos, para establecer nuevas vías de dialogo con el resto del mundo en cualquier momento y desde cualquier lugar. Tras una etapa de introducción lenta de la tecnología digital, ahora estamos en los comienzos de una revolución de servicios para el hogar, donde las pasarelas residenciales, apoyadas con conexiones de banda ancha, conectaran inteligentemente todos los dispositivos del hogar, soportando servicios interactivos y de valor añadido de diversa índole. No tenga ninguna duda, estamos inmersos en la sociedad de la información.. 21.

(22) 2.1.2.6 Sistema de automatización del hogar con la aplicación Android. Este artículo es tomado de la fuente: (Azni, 2016) Un sistema de domótica típico permite controlar electrodomésticos de una unidad de control centralizada. Estos electrodomésticos incluyen luces, acondicionadores de aire, puertas, entre otros. Estos aparatos deben estar configurados para ser compatibles con los otros aparatos, inclusive la unidad de control para la mayoría de los sistemas de domótica comercialmente disponibles.. Varios sistemas de casa inteligente se han desarrollado donde el control es a través de Bluetooth [1-3], Internet [4-7], Android, aplicaciones [8-11] y servicios de mensajes cortos (SMS). [12 - 14]. La competencia Bluetooth es buena y la mayoría de los Gadgets tecnológicos incorporan un adaptador que reducirá el costo del sistema, sin embargo, el sistema limita el control del entorno a Bluetooth. Este trabajo demuestra un sistema que puede encenderse y apagarse, los aparatos eléctricos del edificio que controlan de forma inalámbrica, desde un dispositivo compatible con Wi-Fi, como un teléfono móvil, mientras tanto, un PC de escritorio actúa como el servidor, por lo que, el costo de instalación y el costo del hardware se reduce, puesto que la mayoría de los usuarios ya poseen un teléfono móvil y PC de escritorio.. 22.

(23) 2.2. MARCO TEORICO. Desde los inicios de la civilización, los seres humanos han desarrollado sus sociedades en torno a las aguas superficiales disponibles de la zona, utilizándolas como medio de transporte, consumo y demás actividades. La alta disponibilidad de aguas superficiales siempre limitó los usos del agua de lluvia, siendo indispensable únicamente en la agricultura. Pero debido al gran crecimiento demográfico, muchas civilizaciones se vieron obligadas a ocupar regiones de baja o nula disponibilidad de aguas superficiales (zonas áridas y semiáridas), en donde el aprovechamiento de agua de lluvia para los usos domésticos se vuelve una necesidad. Es así como desarrollaron mecanismos de almacenamiento de agua de lluvia que hoy son encontrados en los rescates arqueológicos que datan de 4000 años a.C, y que demuestran la alta importancia que tenía su aprovechamiento en siglos pasados, como por ejemplo los hallazgos en Israel, Jordania, Yemen, Roma, China, Irán, y algunas culturas indígenas de Centroamérica. Todas estas experiencias coincidían en dirigir las aguas de escorrentía, de patios y techos hacia lugares de almacenamiento para luego ser aprovechadas en la agricultura y en usos domésticos. (FAO), (Ballén y Galarza y Ortiz).. En la actualidad, muchas de esas prácticas siguen siendo utilizadas, en especial en regiones áridas o semiáridas, y su principal función es el almacenamiento del agua de lluvia para usos agrícolas y domésticos; ya que, a pesar de no ser potable, posee una gran calidad, porque contiene una concentración muy baja de contaminantes, dada su nula manipulación.. El agua pluvial es perfectamente utilizable para muchos usos domésticos en los que puede sustituir al agua potable, como en lavadoras, lavaplatos, sanitario, ducha, sistema de riego, entre otros.. 23.

(24) 2.2.1. TECNOLOGIA ARDUINO. Esta información es tomada de la fuente: (PANAMAHITEK, s.f.) El Arduino es una placa basada en un microcontrolador, específicamente un ATMEL. Un microcontrolador es un circuito integrado (podríamos hablar de un microchip) en el cual se pueden grabar instrucciones. Estas instrucciones se escriben utilizando un lenguaje de programación que permite al usuario crear programas que interactúan con circuitos electrónicos. Normalmente un microcontrolador posee entradas y salidas digitales, entradas y salidas analógicas y entradas y salidas para protocolos de comunicación. Un Arduino es una placa que cuenta con todos los elementos necesarios para conectar periféricos a las entradas y salidas del microcontrolador. Se trata de una placa impresa con todos los componentes necesarios para el funcionamiento del micro y su comunicación con una computadora a través de comunicación serial. La comunicación serial es un protocolo de comunicación que alguna vez fue muy utilizado a través de los puertos serie que traían las computadoras de antaño. Arduino utiliza un convertidor de Serial a USB, por lo cual a la hora de conectarlo a una computadora simplemente utilizamos una conexión USB común y corriente. La computadora, sin embargo, verá la placa Arduino como un dispositivo conectado al Puerto Serie. Existen diferentes modelos de Arduino, con múltiples características en cuanto a tamaño, formas, funciones y precios. •. Costos. Una de las principales características de Arduino es su bajo costo. Debido a que se trata de una plataforma de hardware libre, cualquier persona o grupo de personas con la tecnología necesaria para el diseño de dispositivos electrónicos (placas impresas, soldadura de componentes electrónicos, etc.) puede fabricar placas Arduino sin ningún tipo de implicación legal. La marca Arduino diseña sus propias placas, los Arduino originales, manufacturados en Italia y recientemente en Estados Unidos. Los modelos americanos se conocen como Arduino, mientras que los modelos italianos son llamados Genuino.. 24.

(25) •. Disponibilidad. Poco a poco, a medida que pasa el tiempo se ha incrementado la presencia de tiendas especializadas en la venta de productos Arduino o relacionados a esta plataforma, en los países de América Latina. Algunos comercios que tradicionalmente se han dedicado a la venta de productos electrónicos, están incluyendo a Arduino entre los productos que ofrecen a sus clientes, dada la creciente demanda. •. Flexibilidad. Los diferentes modelos de Arduino disponibles en el mercado comparten una característica. Todos son placas pequeñas, compactas y con gran capacidad para llevar a cabo tareas que van desde encender un simple LED hasta controlar el encendido de un motor trifásico. El reducido tamaño de algunos modelos, como el Arduino Micro o el Arduino Nano permite que puedan ser insertados en una placa electrónica, tal cual circuito integrado.. 25.

(26) 2.2.2. ARDUINO ETHERNET SHIELD 2. Esta información es tomada de la fuente: (Electronics, 2014) Está basada en el chip Ethernet Wiznet W5100. El Wiznet W5100 tiene una pila de red IP capaz de funcionar mediante los protocolos TCP y UDP. Soporta hasta cuatro conexiones de sockets simultáneas. Usa la librería Ethernet para escribir programas que se conecten a internet usando la Shield. La Ethernet Shield dispone de unos conectores que permiten conectar a su vez otras board encima y apilarlas sobre la placa Arduino. Mediante esta board Shield y con sus respectivas librerías, se pueden realizar tanto un servidor web pequeño, como un cliente. Incorpora un módulo PoE, en pocas palabras esto es para que se pueda alimentar la board desde la red Ethernet que se tenga. La configuración de red se realiza mediante software, por lo que se puede adaptar con facilidad esta board a una red local. Dispone de un zócalo para tarjetas de memoria micro-SD con el fin de almacenar ficheros o servirlos como servidor web embebido. También incluye un controlador de reset automático para que el chip interno W5100 se encuentre en óptimas condiciones al momento de reiniciarlo y listo para utilizar al arranque. Compatible Rizado de salida baja y el ruido. IEEE802.3af. 100mVpp. Voltaje de entrada. 36V-57V. Protección. Sobrecarga y cortocircuito. Voltaje de salida. 9V. Salida de alta eficiencia convertidor DC / DC Voltaje de aislamiento (entrada a salida) Conector estándar. 75%-50% de carga. 1500V. RJ45 Ethernet. 26.

(27) 1 Botón. Reset (Arduino y W5100) · PWR: indica que la placa y el shield son alimentados. · LINK: indica la presencia de un enlace de red y parpadea cuando el shield transmite o recibe datos. · FULLD: indica que la conexión de red dúplex completo.. LEDs de información. · 100M: indica la presencia de una conexión de red a 100 Mb/s. · RX: parpadea cuando el shield recibe datos. · TX: parpadea cuando el shield envía datos. · COLL: parpadea cuando se detectan colisiones de red.. 27.

(28) 2.2.3. LA TECNOLOGIA DE LOS SENSORES. Esta información es tomada de la fuente: (SENSORES Y TRANSDUCTORES, s.f.). Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. 2.2.3.1 Descripción De Algunos Sensores: •. Sensores de posición:. Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de captadores; Los captadores fotoeléctricos: La construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser etc.) y una célula receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos, fototransistores o LDR etc. Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz, y en la detección de esta emisión realizada por los foto detectores. Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir •. Sensores de contacto:. Estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar. Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica. 28.

(29) •. Sensores por ultrasonidos:. Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los de reflexión.. 29.

(30) 2.2.4. LA TECNOLOGIA DE LOS ACTUADORES. Esta información es tomada de la fuente: ( (WIKIPEDIA, s.f.). Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control, como por ejemplo una válvula. Son los elementos que influyen directamente en la señal de salida del automatismo, modificando su magnitud según las instrucciones que reciben de la unidad de control. Existen varios tipos de actuadores como son: •. Electrónicos. •. Eléctricos. Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.. 30.

(31) 2.2.5. APLICACIONES WEB. Fuente: Elaboración Propia.. Las aplicaciones web reciben este nombre porque se ejecutan desde un browser o navegador web (Mozilla, Opera, Internet Explorer, Google Chrome etc). Es decir que los datos con los que trabajamos son procesados y almacenados dentro de la web y por lo general no necesitan ser instaladas en el dispositivo de donde se pretende tener acceso a dichas aplicaciones. Estas aplicaciones están orientadas para que se puedan acceder en cualquier momento, lugar y desde todo tipo de dispositivos que tenga conexión directa de red o internet, por medio de datos específicos, por ejemplo, usuario y contraseña. Permiten la interacción del usuario con la información que circula por internet, por lo general utilizan una arquitectura cliente-servidor, donde el cliente es el computador que solicita los servicios y el servidor es el que espera solicitudes para enviar una respuesta. Una aplicación web está compuesta por diferentes lenguajes de programación, dentro de los más comunes se encuentran: HTML, Java Script, CSS, Php y MySql etc.. 31.

(32) 2.2.6. ALGUNAS REDES DE COMUNICACIÓN. Esta información fue sacada de la fuente: (Martinez) Una red de comunicaciones es un conjunto de medios técnicos que permiten la comunicación a distancia entre equipos autónomos (no jerárquica -master/slave-). Normalmente se trata de transmitir datos, audio y vídeo por ondas electromagnéticas a través de diversos medios (aire, vacío, cable de cobre, fibra óptica, etc.). La información se puede transmitir de forma analógica, digital o mixta, pero en cualquier caso las conversiones, si las hay, siempre se realizan de forma transparente al usuario, el cual maneja la información de forma analógica exclusivamente. Las redes más habituales son las de ordenadores, las de teléfono, las de transmisión de audio (sistemas de megafonía o radio ambiental) y las de transmisión de vídeo (televisión o vídeo vigilancia). De acuerdo a la cobertura geográfica, las redes de datos pueden clasificarse en PAN (Personal Área Network), LAN (Local Área Network), MAN (Metropolitan Área Network), WAN (World Área Network).. 2.2.6.1 PAN. Las redes de datos PAN tienen una cobertura limitada, alrededor de unos pocos metros. Este tipo de redes se utilizan para interconectar dispositivos como PDAs, celulares, computadores, redes de sensores, etc. El grupo de trabajo 802.15 es el encargado del estudio de las redes WPAN o Wireles PAN. Las implementaciones más importantes de redes PAN se basan en enlaces infrarrojos (IrDAInfrared Data Association), Bluetooth y ZigBee. Cabe anotar que la tecnología ZigBee adquirió especial importancia en los últimos años. Este tipo de redes se caracterizan por su baja complejidad en su diseño, bajos costos y reducido consumo de potencia.. 32.

(33) 2.2.6.2 LAN. Las Redes de Área Local LAN (Local Área Network) tienen una cobertura de unos cuantos kilómetros, aproximadamente de 10 m a 10 Km. Generalmente son redes privadas implementadas para compartir recursos. Las redes inalámbricas de área local WLAN trabajan con el estándar IEEE 802.11, en el cual se encuentran tanto las especificaciones de la capa física como de la capa de control de acceso MAC. Una de las tecnologías más reconocida que utiliza estándar es WiFi. La red LAN de topología Ethernet es la de mayor uso a nivel mundial, está descrita en el estándar IEEE 802.3. Ethernet es un conjunto de tecnologías LAN que puede operar con anchos de banda desde los 10 Mbps hasta los 10Gbps en las últimas versiones. WiFi es una tecnología de WLAN. Es una de las tecnologías más comunes para las conexiones de los computadores portátiles y otros dispositivos con las redes alambradas.. 33.

(34) 3. 3.1. CAPITULO III. ESQUEMA DE CONEXIÓN GENERAL. Esquema De Conexión General. Imagen 2 1. 34.

(35) Fuente (Elaboración propia).. El esquema muestra la conexión entre los sistemas de acueducto y el de captación de aguas lluvias; esta solución la planteamos para evitar el gran impacto en costos al realizar una instalación independiente de cada uno de ellos. El sistema al estar en funcionamiento, permitirá controlar el agua del acueducto y la procedente de la infraestructura de captación pluvial, la cual nos mostrara la cantidad de líquido almacenado. Por medio de las electroválvulas podremos controlar de forma automatizada, el paso del agua de los dos sistemas hacia los diferentes servicios de la vivienda, de tal manera que al estar en uso el agua lluvia, el flujo de agua del acueducto estará bloqueado, es decir no habrá paso de agua de los dos sistemas al mismo tiempo. Al estar activo el flujo de agua pluvial y bloqueado el del acueducto, podemos activar determinado servicio independientemente y conocer la cantidad de agua que estamos utilizando en alguno de ellos; esto con el fin de utilizar de manera eficiente el recurso pluvial almacenado. El sistema permitirá utilizar el agua lluvia en servicios como: La lavadora, la ducha, el excusado, el lavaplatos, sistemas de riego, la poceta, entre otros.. 35.

(36) 3.2. ESQUEMA DE CONEXIÓN AL ARDUINO. Esquema De Conexión Al Arduino. Imagen 3 1. 36.

(37) Fuente (Elaboración propia).. El esquema muestra la conexión de los sensores y actuadores con los cuales daremos control a los sistemas de captación de agua lluvia y del acueducto. En primera medida tenemos el sensor de ultrasonido el cual nos dará información del agua pluvial almacenada por medio de ultrasonido, los pines ECO y TRIG del sensor estarán conectados a entradas análogas del microcontrolador Arduino. El display es el dispositivo en donde miramos la información de los sensores del sistema como por ejemplo el sensor de flujo y la cantidad de agua almacenada, este dispositivo estará conectado al microcontrolador Arduino en los pines digitales. Las electroválvulas son las que nos dan el control de paso o bloque del agua entre los sistemas de agua potable y agua lluvia, esto con el fin de que los dos sistemas no se encuentren activos al mismo tiempo, estas electroválvulas se controlaran desde el microcontrolador por medio de relés. El sensor de flujo permitirá saber en tiempo real el gasto de agua lluvia que se está utilizando en determinado momento cuando dicho servicio este activo, estará conectado al microcontrolador Arduino en dos pines digitales. La motobomba descrita en el esquema permitirá impulsar el agua lluvia con la presión suficiente para que sea distribuida en todo el sistema, la motobomba se controlara por medio de un relay. Cuando este activo el flujo de agua del acueducto (electroválvula activada) la electroválvula del sistema de captación de agua lluvia al igual que la motobomba estarán desactivadas y las electroválvulas de los diferentes servicios estarán activas para que el flujo de agua potable esté disponible en donde se requiera. Al activar el sistema de captación de agua lluvia automáticamente se bloqueará el flujo de agua del acueducto (electroválvula desactivada), y las electroválvulas de los diferentes servicios se activarán con el fin de controlar el flujo a utilizar. Cuando se necesite utilizar un determinado servicio se activará la electroválvula correspondiente a este y al abrir el grifo el señor de flujo nos entregara la cantidad de agua utilizada con el fin de usarla eficientemente. 37.

(38) 3.2.1. CARACTERIRSTICAS, FUNCIONAMIENTO E INSTALACION DE SENSORES 3.2.1.1 Sensor De Proximidad HC-SR04. 3.2.1.1.1 Hoja De Datos •. Corriente de reposo: < 2mA. •. Corriente de trabajo: 15mA. •. Ángulo de medición: 30º. •. Ángulo de medición efectivo: < 15º. •. Detección de 2cm a 400cm o 1" a 13 pies (Sirve a más de 4m, pero el fabricante no garantiza una buena medición).. •. “Resolución” La precisión puede variar entre los 3mm o 0.3cm.. •. Dimensiones: 45mm x 20mm x 15mm. •. Frecuencia de trabajo: 40KHz. 3.2.1.1.2 Funcionamiento •. Enviar un Pulso "1" de al menos de 10uS por el Pin Trigger (Disparador).. •. El sensor enviará 8 Pulsos de 40KHz (Ultrasonido) y coloca su salida Echo a alto (seteo), se debe detectar este evento e iniciar un conteo de tiempo.. •. La salida Echo se mantendrá en alto hasta recibir el eco reflejado por el obstáculo a lo cual el sensor pondrá su pin Echo a bajo, es decir, terminar de contar el tiempo.. •. Se recomienda dar un tiempo de aproximadamente 50ms de espera después de terminar la cuenta.. •. La distancia es proporcional a la duración del pulso y puedes calcularla con las siguiente formula (Utilizando la velocidad del sonido = 340m/s):. •. Distancia en cm (centímetros) = Tiempo medido en us x 0.017. 38.

(39) Funcionamiento Sensor HC-SR04. Imagen 4 1. 3.2.1.1.3 CONECTIVIDAD. Conectividad Sensor HC-SR04. Imagen 5 1 39.

(40) 3.2.1.2 VÁLVULA SOLENOIDE 1/2" 12V DC. Electroválvula. Imagen 6 1. 3.2.1.2.1 Hoja De Datos •. Voltaje de operación: 12V DC. •. Corriente de operación: 0.6A. •. Potencia consumo: 8W. •. Temperatura de funcionamiento: 5ºC a 100ºC. •. Presión de funcionamiento mínima: 0.02 MPa. •. Presión de funcionamiento máximo: 0.8 MPa (8 Bar). •. Tiempo de respuesta (apertura): ≤ 0.15 s. •. Tiempo de respuesta (cerrado): ≤ 0.3 s. •. Rosca externa: 1/2" NPS. •. Normalmente cerrado. •. Tipo de vávula: Diafragma. •. Adecuado para agua y fluidos de baja viscosidad 40.

(41) •. Dimensiones: 60*85*26. •. No se recomienda para aplicaciones que usan solo la gravedad, por la presión mínima de funcionamiento. 3.2.1.2.2 Funcionamiento. Controlar el flujo de agua en una tubería es ahora más sencillo con la ayuda de esta válvula solenoide. Las válvulas solenoides son un tipo de electroválvula todo/nada o abierto/cerrado. Tienen dos partes: el solenoide y el cuerpo de plástico. El solenoide es un electroimán que al ser energizado se desplaza junto con el diafragma de la válvula y permite el paso del fluido. La válvula se mantiene abierta mientras el solenoide está energizado. Cuando no está alimentado un resorte se encarga de regresar la válvula a su posición de reposo, que en este caso es del tipo normalmente cerrada (NC). El cuerpo de la válvula está fabricado en plástico con roscados machos a ambos lados de 1/2" para conexión estándar NPS (recta). Para su control se puede utilizar un microcontrolador como Arduino o un ESP8266 y utilizar un protocolo de comunicación para el control a distancia, como: Wifi, RF, RS-485, Z-wave, etc. Es necesario utilizar un driver de potencia entre el microcontrolador y la válvula, en este caso como el actuador de la válvula es un solenoide es suficiente con utilizar transistor o relay. Nuestra recomendación son los transistores TIP121 o el mosfet IRFZ44N, si se desea utilizar un relay se puede usar el módulo relay de 2 canales. (MECHATRONICS, s.f.). 41.

(42) 3.2.1.3 SENSOR DE FLUJO POR EFECTO HALL YF-S201. Controlador De Flujo. Imagen 7 1. 3.2.1.3.1 Hoja De Datos • • • • •. La resistencia al agua de presión:> 1.75MPa Conexión: 1/2 pulgada. Voltaje de funcionamiento: DC 5 ~ 24V Resistencia de aislamiento:> 100M ohm Precisión: 1 ~ 30 L / min + / - 3%. 3.2.1.3.2 Funcionamiento. Este sensor se encuentra en línea con el flujo del agua y contiene un sensor de molinete para medir la cantidad de líquido se ha movido a través de él. Hay un sensor de efecto de hall magnético integrado que genera un pulso eléctrico con cada revolución. El sensor de efecto Hall está sellado de la tubería de agua y permite que el sensor permanezca seguro y seco. El sensor viene con tres hilos: rojo (potencia de 5-24VCC), negro (tierra) y amarillo (salida de pulso de efecto Hall). Mediante el recuento de los impulsos de la salida del sensor, se puede calcular fácilmente el flujo de agua. Cada pulso es de aproximadamente 2,25 mililitros. Tenga en cuenta que este no es un sensor de precisión, y la frecuencia del pulso varía un poco. 42.

(43) dependiendo del caudal, la presión del fluido y la orientación del sensor. Se necesitará una calibración cuidadosa si se requiere una precisión superior al 10%. Sin embargo, su gran para las tareas básicas de medición. Tenemos como ejemplo el esbozo de Arduino que se puede utilizar para probar rápidamente el sensor, calculará el flujo aproximado de agua en litros / hora. La señal de pulso es una simple onda cuadrada por lo que es muy fácil de registro y convertir en litros por minuto utilizando la siguiente fórmula. Frecuencia de pulso (Hz) / 7,5 = caudal en L / min. (ELECTRONICS, s.f.). 43.

(44) 3.2.1.4 MODULO ARDUINO LCD 16x2 KEYPAD SHIELD. Display LCD Arduino. Imagen 8 1. 3.2.1.4.1 Hoja De Datos •. Pantalla:. •. 16x2 LCD Azul. •. Contraste:. •. Ajustable. •. Tamaño del módulo:. •. 78x60mm. •. Pantalla LCD Tamaño:. •. 65x16mm. •. Capacidad del Display:. •. 16x2 caracteres. •. Voltaje de funcionamiento:. •. 4.5-5. 5 V 44.

(45) 3.2.1.4.2 Funcionamiento Este Shield con Pantalla LCD 16×2 te permite integrar fácilmente una interfaz de usuario a tus proyectos con Arduino agregando una pantalla LCD estándar de 16 x 2 y botones para la navegación a través de un sistema de menús. El shield incluye una pantalla basada en el controlador HD44780 con iluminación, 5 botones para la aplicación y un botón de reset en la parte superior. (NICOLAS, s.f.). 3.2.1.5 RASPBERRY PI 3 MODELO B V1.2. Tarjeta Raspberry PI. Imagen 9 1. 3.2.1.5.1 Hoja De Datos •. Broadcom BCM2837 64bit ARMv8 Procesador Quad Core funcionando con un ordenador con 1.2GHz de velocidad. •. 1GB RAM BCM43143 WiFi incorporado. 45.

(46) •. Bluetooth de baja energía (BLE) incorporado.. •. 40pin extendidos GPIO.. •. 4 Puertos USB2.. •. 4 polos de salida de estéreo y puerto de video compuesto.. •. HDMI de Tamaño completo.. •. Puerto de cámara CSI para conectar la cámara del Raspberry Pi. •. Puerto del monitor DSI para conectar el Raspberry Pi a la pantalla táctil del monitor.. •. Puerto MicroSD para cargar tu sistema operativo y guardar datos.. •. Fuente de Poder Actualizada Micro USB (Ahora soporta hasta to 2.4 Amps). 3.2.1.6 TARJETA ARDUINO 2560 MEGA. Tarjeta Arduino Mega 2560. Imagen 10 1. 3.2.1.6.1 Hoja De Datos • • • • •. Microcontrolador Tensión de trabajo Tensión de entrada (recomendada) Tensión de entrada (límite) Pines Digitales I/O. • •. ATmega2560 5V. •. 7-12V. •. 6-20V. •. 54 (de los cuales 15 proporcionan salida PWM) 46.

(47) • • •. Pines de entradas Analógicas DC Corriente por Pin I/O DC Corriente por Pin 3.3V. •. Memoria Flash. • • • • • •. SRAM EEPROM Velocidad del reloj Largo Anchu Peso. •. 16. •. 20 mA. •. 50 mA. •. 256 KB de los cuales 8 KB se usan por el bootloader 8 KB 4 KB 16 MHz 101.52 mm 53.3 mm 37 g. • • • • • •. 3.2.1.6.2 Funcionamiento La Mega 2560 es una placa electrónica basada en el Atmega2560. Cuenta con 54 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 15 se pueden utilizar como salidas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UARTs (puertos serie de hardware), un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un conector ICSP, y un botón de reset. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador; basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o a la corriente con un adaptador de CA a CC o una batería para empezar. La placa Mega 2560 es compatible con la mayoría de los shield para el Uno y las placas anteriores Duemilanove o Diecimila. (ARDUINO EN ESPAÑOL, s.f.). 47.

(48) 3.2.1.7 MINIBOMBA DE AGUA (ARDOBOT, n.d.). Mini bomba. Imagen 11 1. 3.2.1.7.1 Hoja De Datos. •. Compacta y liviana. •. Voltaje de operación: 3v-9v. •. Corriente: 0.36A (sin carga). •. Velocidad: 12500RPM (sin carga). •. Capacidad: 2.5L/Min. •. Diámetro de salida: 4mm. •. Material: metal y plástico 3.2.1.7.2 Funcionamiento. Mini bomba de agua DC ideal para implementar en proyectos. Su voltaje de operación es el más bajo que hay en este tipo de bombas. Esta bomba de agua no es sumergible. No la utilice sin agua por periodos muy largos ni la someta a succión de impurezas ya que puede dañar la bomba permanentemente.. 48.

(49) 3.2.1.8 BOMBA DE AGUA AMARINE (LIBRE, n.d.). Bomba De Agua Amarine. Imagen 12 1. 3.2.1.8.1 Hoja De Datos •. Interruptor de presión incorporado de 35 PSI para parada.. •. Arranque automático.. •. Auto-cebado.. •. Permite montarlo sobre el tanque.. •. Capaz de funcionar en seco.. •. Protector térmico incorporado.. •. 3/8 pulgadas puertos de la lengüeta de la manguera.. •. 1,1 galones por minuto (4,2 litros por minuto).. 3.2.1.8.2 Funcionamiento. Funcionamiento silencioso, puede funcionar seco sin daño por sobrecarga térmica y protección de la ignición. Sistema de conexión fácil, consumo bajo de energía. Ideal para aplicaciones marinas y agricultura. Interruptor de presión incorporado, para encender y apagar automáticamente al girar el grifo o la boquilla de encendido y apagado.. 49.

(50) 3.2.1.9 REALAY DOS CANALES (ELECTRONILAB, n.d.). Ralay 2 Canales. Imagen 13 1. 3.2.1.9.1 Hoja De Datos •. 2 canales independientes protegidos con opto acopladores. •. 2 Relés (Relays) de 1 polo 2 tiros. •. El voltaje de la bobina del relé es de 12 VDC. •. Led indicador para cada canal (enciende cuando la bobina del relé esta activa). •. Activado mediante corriente: el circuito de control debe proveer una corriente de 15 a 20 mA. •. Puede controlado directamente por circuito lógicos. •. Terminales de conexión de tornillo (clemas). •. Terminales de entrada de señal lógica con headers macho.. 3.2.1.9.2 Funcionamiento. Tarjeta de relés opto acoplada, incluye 2 canales para ser controlados en forma remota. Ideal para controlar dispositivos en el hogar o en la industria. Cada canal es controlado por una entrada TTL, la cual puede ser fácilmente controlada por un microcontrolador o Arduino. Esta placa requiere de una alimentación de 12V.. 50.

(51) 4 4.1. CAPITULO IV FASE DE ANALISIS. Para el desarrollo del prototipo fue necesario hacer una caracterización del problema por medio del estudio y análisis de los requerimientos, es decir la etapa de requerimientos. Para ello recolectamos información de las entidades de la región involucradas en el tema del agua lluvia y el sistema climático como por ejemplo Aguas & Aguas, la Carder, empresas instaladoras de sistemas de captación de agua pluvial, experiencia de usuarios observación propia, etc.. 4.1.1. REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE. Fuente: Elaboración propia.. Para la elaboración del proyecto fue necesario seleccionar entre las diferentes tecnologías de hardware y software existentes en el mercado, dicha selección se realizó de acuerdo a factores importantes como: Facilidad de acceso, compatibilidad con distintos dispositivos (Sensores y actuadores), porque este tipo de plataformas son Open Source, de código de abierto, el lenguaje de programación tiene un nivel de aprendizaje medio bajo y son multiplataforma, los costos no son muy elevados, su consumo de energía es bastante reducido, también vale la pena aclarar que este tipo de tecnologías, cuentan con un gran número de seguidores a nivel mundial, lo cual facilita la resolución de dudas entre otras cosas, esto a su vez favorece la creación de frameworks para la interacción entre estos tipos de hardware.. 4.1.1.1 IDE De Arduino Fuente: Elaboración propia.. El entorno de desarrollo integrado IDE (Sigla en inglés de Integrated Development Environment), es una aplicación compuesta por un conjunto de herramientas de desarrollo (Programación), este IDE puede dedicarse en exclusiva a un solo lenguaje de programación o bien utilizarse para varios lenguajes. 51.

(52) Consiste en un editor de código, un compilador, un depurador y un constructor de interfaz gráfica (GUI), además incorpora herramientas para cargar el programa ya compilado en la memoria flash del hardware. El lenguaje comúnmente más utilizado en este entorno de desarrollo es C++.. 4.1.1.1.1 Algunas Razones Por Las Que Elegimos Utilizar Arduino  Libre Y Extensible El diseño de hardware de las placas, el entorno de desarrollo y el propio lenguaje de programación pueden ser mejorados y ampliados por cualquier persona. Esto hace que exista un gran número de librerías de terceros, que puedan adaptarse mejor a nuestras necesidades.  Tiene Una Gran Comunidad Es utilizado por muchas personas alrededor del mundo, lo cual enriquece a una amplia documentación y colaboración continua.  Es Multiplataforma Podemos instalarlo y ejecutarlo en diferentes sistemas operativos como lo son: Windows, Linux y Mac OS X.  Entorno y lenguaje de programación simple y claro Por tener un nivel medio bajo de aprendizaje se hizo muy fácil utilizarlo e implementarlo, a la vez que es flexible y completo para usuarios avanzados, los cuales pueden aprovechar todas sus posibilidades, También cuenta con una alta documentación y ejemplos detallados de gran cantidad de proyectos.. 52.