N° tesis: jcb
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO)
por
Camilo Andrés Meléndez Gamboa
Red inalámbrica para mediciones de ruido, velocidad del viento y gases
Sustentado el día 17 de junio de 2015 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Johann Faccelo Osma Cruz, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Red inalámbrica para mediciones de ruido,
velocidad del viento y gases
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Contenido
1 INTRODUCCIÓN ... 32 OBJETIVOS ... 3
2.1 Objetivo General ... 3
2.2 Objetivos Específicos... 3
2.3 Alcance y productos finales ... 3
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 4
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 5
4.1 Marco Teórico ... 5
4.2 Marco Conceptual ... 6
4.3 Marco Histórico ... 6
5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ... 7
5.1 Definición ... 7
5.2 Especificaciones ... 7
6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 8
6.1 Plan de trabajo... 8
6.2 Búsqueda de información ... 9
6.3 Alternativas de desarrollo ... 9
7 TRABAJO REALIZADO ... 11
7.1 Descripción del Resultado Final ... 14
7.2 Trabajo computacional... 14
8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 18
8.1 Metodología de prueba ... 18
8.2 Validación de los resultados del trabajo ... 19
9 DISCUSIÓN ... 19
10 CONCLUSIONES ... 20
11 AGRADECIMIENTOS ... 20
12 REFERENCIAS ... 20
Red inalámbrica para mediciones de ruido,
velocidad del viento y gases
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INTRODUCCIÓN
Se requiere hacer mediciones de ciertos gases contaminantes o tóxicos junto con la evaluación del ruido sonoro y la velocidad del viento en un área grande con diferentes alturas. Con esto se espera crear una base de datos ambientales que permitan la evaluación de diferentes factores de contaminación y su propagación. Adicional a esto se puede requerir la medición de estas variables para implementación en sistemas de control de emisiones de los gases antes mencionados.
Bajo esta necesidad se utiliza como base un sistema existente que provee de sensores móviles de temperatura y presión. [1] El sistema existente presenta un modelo con varios puntos de medición simultáneos que permite agilizar las mediciones. La medición en puntos simultáneos permite observar la evolución del fenómeno en cuestión y así proponer predicciones más claras.
Actualmente en Bogotá se cuenta con la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá (RMCAB) que está conformada por 13 estaciones fijas y una estación móvil. Estas estaciones realizan monitoreo continuo con el fin de evaluar el cumplimento de los estándares de calidad de aire en Bogotá dados por la Resolución 610 del 24 de marzo de 2010. [2]
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OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Modificar diseños existentes de una red inalámbrica tipo Mesh para medición de condiciones ambientales modificando el modelo de trayectoria de vuelo permitiendo despegue desde tierra y recuperación, adicionando mediciones de ruido auditivo, detección de gases específicos y cálculo de la velocidad del viento.
2.2 Objetivos Específicos
Complementar el diseño existente de una red inalámbrica de tal manera que se puedan realizar mediciones de variables adicionales. Además de documentar adecuadamente el diseño nuevo y los resultados en caso de trabajo futuro.
Implementar tres nodos aéreos de adquisición de datos y un nodo en tierra que permita comunicación con un sistema tipo PC. Los nodos aéreos deben tomar y transmitir datos para mediciones de ruido auditivo y detección de gases específicos.
Realizar pruebas de funcionamiento de los módulos implementados con un despliegue de la red desde tierra y un aterrizaje con descenso lento sin dañar los nodos aéreos en las pruebas.
2.3 Alcance y productos finales
El producto final que se buscaba debía conformarse de la implementación de tres nodos de la red inalámbrica que permitan mediciones de ruido auditivo, detección de gases específicos y cálculo de la velocidad del viento. La implementación será por medio
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de una tarjeta. Esta tarjeta debe conservar las mediciones de presión y temperatura del diseño previo.
Cada nodo debe poder ascender desde tierra y liberar el sistema de ascenso una vez haya alcanzado un tiempo o una altura previamente determinados. Luego debe descender suavemente y evitar daños en el aterrizaje.
El producto final debe tener ser de menor tamaño que la PT SenseBoard V1.0. esta comparación de tamaño se hace con respecto al área de las capas de componentes en la tarjeta. Además el peso del producto final no puede superar el peso de la tarjeta PT SenseBoard V1.0. A continuación en la tabla 1 puede verse la comparación de dos prototipos implementados en comparación con el producto final de la PT SenseBoard original. [1]
Tabla 1. Comparación de características representativas
PT Sense Board Uniandes 2013 PT Sense Board Uniandes 2014 PT Sense Board v2.0
Peso (sin componentes) 24 g 19g 18g
Alto 11.2 cm 10.1cm 7.9cm
Ancho 5.9cm 5.7cm 6.5cm
Giroscopio (IMU) Si Si Si
Sensor de Presión Si Si Si
Sensor de Temperatura Si Si Si
GPS Si Si Si
Transmisión
Inalámbrica (XBEE) Si Si Si
Sensor de ruido No No Si
LEDs Indicadores No Si Si
Alimentanción Batería Alkalina Supercondensador Supercondensador
Orificios de sujeción No 5 5
MicroSD Si No Si
Sensor de Gases No No Si
Comunicacion con
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DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
La contaminación en el aire, ya sea en exteriores o interiores, es un problema que tiene repercusión en ciudades de media y alta densidad de población. La contaminación del aire en interiores y exteriores causa aproximadamente 2 millones de muertes anuales, concentraciones bajas de contaminantes han sido relacionados con un amplio rango de efectos adversos sobre la salud. [3]
Dada la extension de ciudades como Bogotá las mediciones en puntos especificos fijos no son una solucion completa. La aplicación de esta tarjeta a otras condiciones atmosfericas continua con la idea de poder tener informacion completa a diferentes altura de un area geografica especifica. De esta forma se puede estudiar las condiciones de ciertos espacion de manera más acertada.
La implementacion de sistemas de elevacion propios permite una alta flexibilidad en cuanto a la utilizacion del dispositivo. Esta flexibilidad permite que el disposivo pueda aplicarse a regiones que no tengan instalaciones metereologicas propias ni estaciones de calidad del aire. De esta manera se puede utilizar el dispositivo para conocer datos sobre casi cualquier region desde donde se pueda realizar un lanzamiento.
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MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
4.1 Marco Teórico
Sonido y Ruido
El sonido corresponde a una onda mecánica transmitida por un medio continua (usualmente aire) generado por una fuente de vibración y es percibido por el oído humano. Los cambios de la presión del aire en comparación con el aire estático son percibidos por los humanos en forma de sonido. [4]
El ruido corresponde en general a las perturvaciones indeseadas en señales. En este caso particular el ruido auditivo se puede considerar como un sonido no placentero . [5]
Gases Contaminantes
En el ámbito urbano se conocen varios contaminantes. Una ciudad de alrededor de un millón de habitantes emite en promedio 950 toneladas de contaminantes atmosféricos diarios. Entre estos contaminantes los gases de óxidos de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx) tienen efectos directos sobre afecciones respiratorias y tasas de hospitalizacion [6].
Los óxidos de nitrogeno son formados principalmente por la combustion de combustibles fósiles. Su importancia radica en variedad de reacciones fotoquimicas y son ampliamente responsables por la niebla del smog y sus efectos fisiologicos tales como irrtacion de ojos. [7]
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Un filtro es un dispositivo que transmite señales electricas a ciertas frecuencias mientras impide el paso de otras. Circuitos de filtro son utilizados en variedad de aplicaciones tales como audio (0 kHz a 20kHz). En sistemas de telecomunicaciones se utilizan filtros pasabandas de alta frecuenca para selección de canales. Los sistemas de potencia suelen utilizar filtros rechazabandas para suprimir la frecuencia de la linea de alimentacion (60 Hz). [8]
En aplicaciones de frecuencias superiores a 1MHz los filtros consisten de elementors pasivos tales como resistencias, capacitores e inductores. Mientras que en frecuencias menores los valores para inductancias son altos y la inductancia se vuelve fisicamente grande por que se utilizan en reemplazo filtros activos. [8]
Velocidad del Viento
El viento es el movimiento del aire como fluido a travez de la atmosfera y es producido por el calentamiento desigual que sufre la tierra. El viento es de naturaleza completamente estocastica y puede variar en cualquier momento su direccion y velocidad. [9]
La velocidad del viento es medido usualmete mediante anemómetros los cuales utilizan principios de funcionamiento variados, tales como: Rotación, presión, termoeléctrico, sónico y efecto Doppler.
4.2 Marco Conceptual
dB: Decibel, una unidad logarítmica utilizada para expresar la taza entre dos cantidades físicas, en este caso presión del aire.
Hz: Hercio, la unidad de frecuencia del sistema internacional de unidades y corresponde a cantidad de ciclos por segundo.
ppm: partes por millón, la cantidad media de unidades de una sustancia en un millón de unidades.
4.3 Marco Histórico
A continuación se presentan ciertos artículos que presentan antecedentes para la aplicación de diferentes etapas de la red inalámbrica.
1. “Wireless sensor network for prototype of fire detection”
Autores: Nugroho, R.B. ; Eng. Sch., Telkom Univ., Bandung, Indonesia ; Susanto, E. ; Sunarya, U.
Año: 2014
En esta publicación se implementa un diseño de red tipo Mesh para un prototipo de supresión de fuego. Se implementa una arquitectura que se basa en un sensor de gas y un sensor de temperatura conectados a un microcontrolador. La información del prototipo es enviada por medio de XBee hasta llegar a un módulo fijo conectado a una interfaz de computador personal.
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2. “Environmental Monitoring System with Wireless Mesh Network Based on Embedded System”
Autores: Meijuan Gao, Fan Zhang y Jingwen Tian.U. Año: 2008
En esta publicación se implementa un diseño tipo Mesh para monitoreo de un entorno atmosférico. Las variables medidas en este diseño incluyen concentraciones de óxidos de nitrógeno, temperatura, humedad y presión atmosférica. El diseño se presenta para prescindir de una estación base y montar redes que incluyen aplicaciones en monitoreo atmosférico.
3. “Interconnecting Wireless Sensor and Wireless Mesh Networks: Challenges and Strategies”
Autores: Bouckaert, S.; De Poorter, E. ; De Mil, P. ; Moerman, I. ; Demeester, P. Año: 2009
Artículo que presenta, por una parte, redes de sensores inalámbricos y, por otra parte, las redes inalámbricas tipo Mesh. Mediante esto presentan soluciones a las limitaciones de comunicación entre sensores. Adicionalmente presentan rasgos particulares de las formas de conexión para redes tipo Mesh inalámbricas y proponen ciertos esquemas de conexión.
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DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
5.1 Definición
Se plantea una alternativa aérea a la medición de factores de calidad del aire. SE requiere que la alternativa pueda medir a diferentes alturas a diferencia de las soluciones fijas. Adicionalmente se busca conocer la presión y temperatura de manera similar a un globo meteorológico. Es por eso que se propone utilizar un modelo previo y modificarlo para adicionar mediciones de nuevas variables y ampliar sumarco de aplicaciones.
5.2 Especificaciones El proyecto consta de:
La implementación de tres nodos de la red inalámbrica que permitan mediciones de ruido auditivo, detección de gases específicos. La implementación será por medio de una tarjeta. Esta tarjeta debe conservar las mediciones de presión y temperatura del diseño previo.
Cada nodo debe poder ascender desde tierra y liberar el sistema de ascenso una vez haya alcanzado un tiempo o una altura previamente determinados. Luego debe descender suavemente y evitar daños en el aterrizaje.
El producto final debe tener ser de menor tamaño que la PT SenseBoard V1.0. esta comparación de tamaño se hace con respecto al área de las capas de componentes en la tarjeta. Además el peso del producto final no puede superar el peso de la tarjeta PT SenseBoard V1.0.
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METODOLOGÍA DEL TRABAJO
El trabajo realizado incluyo la evaluación de alternativas al diseño original de la PT senseboard y las adiciones de nuevos sensores para nuevas variables. Además del cambio en el modelo de trayectoria.
6.1 Plan de trabajo
- Evaluación de Tecnología: En esta etapa se tienen en cuanta las restricciones y especificaciones para poder utilizar diferentes tecnologías para cumplir los objetivos. La duración fue de dos semanas.
- Compras y pedidos: Se tiene en cuenta un tiempo para realizar las compras y pedidos de componentes según los conductos regulares. Esta etapa se retrasó una semana.
- Verificación de Software: Esta etapa es paralela a la etapa de compras y pedidos, y tiene en cuenta si es necesario algún tipo de software para el funcionamiento y programación de la tarjeta. También tiene en cuenta la instalación del software y las librerías adecuadas. Esta etapa duro dos semanas.
- Caracterización de sensores: Una vez se tuviesen los sensores se tendría que hacer una caracterización de los sensores para poder validar los datos. Esta etapa empezó 4 semanas después de lo previsto por lo cual se adelantaron otras etapas.
- Diseño de cadenas de medición: Diseño de la manera de medir, utilizando un microcontrolador y los sensores definidos, las variables de interés. Esta etapa duró dos semanas.
- Pruebas de comunicación con microcontroladores: las pruebas individuales de comunicación se realizaron durante 3 semanas. Esta etapa consiste en la lectura de información por parte de un microcontrolador y el reporte de esta por medio de un puerto serial.
- Diseño de sistema mecánico de ascenso: esta etapa duro una semana y tuvo como resultado dos modelos diferentes.
- Fabricación de partes mecánicas: la fabricación de partes electromecánicas para el sistema de liberación duro aproximadamente dos semanas.
- Pruebas de ascenso y descenso: Estas pruebas corresponden a la validación del modelo de ascenso y descenso utilizando el prototipo de tarjeta previo. Esta prueba se hizo durante una semana.
- Fabricación y ensamble de tarjeta: la fabricación de la tarjeta tiene una duración mínima de una semana por medio de la universidad de los andes ya que es un circuito impreso de doble capa. Contando el ensamble esta etapa dura dos semanas.
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- Pruebas como nodo: se prueba el funcionamiento de una única tarjeta. Duración de una semana
- Pruebas como red: se prueba el funcionamiento de los nodos en red. Duración de dos semanas.
- Ajustes finales y eventualidades: se tuvieron en cuenta dos semanas para eventualidades en el desarrollo del proyecto.
6.2 Búsqueda de información
La principal fuente de información fue el proyecto de grado de Sergio Andrés Pedraza Jerez, “Red inalámbrica para la medición de condiciones meteorológicas utilizando estudios de balística” ya que esta comprende el diseño original de la tarjeta PT senseboard. Además de esto se consultaron proyectos de grado de la Universidad de los Andes para conocer antecedentes en la adquisición de datos.
Se consultaron bases de datos de IEEE Xplore y American Chemical Society. Para la selección de componentes se consultó el catálogo de portales web como sigmaelectronica.net, digikey.com, ti.com y sgx.cdistore.com ya que se requerían referencias comerciales. La evaluación se realizó mediante los datasheets de los componentes.
Otra fuente importante de información fueron los miembros de grupo Biomicrosystems del centro de microelectrónica de la universidad de los andes, quienes ofrecieron varias opiniones sobre diferentes soluciones implementadas. El asesor del proyecto guio las soluciones permitiendo un desarrollo continuo.
6.3 Alternativas de desarrollo
Microcontrolador:
Debido a la previa utilización de un microcontrolador ATXMEGA fabricado por Atmel en una red inalámbrica de sensores tipo mesh, se planteó continuar por esa línea de trabajo permitiendo continuar utilizando los protocolos de comunicación ya implementados.
Habiendo trabajado con este microcontrolador y un prototipo de tarjeta que requería un segundo microcontrolador ATMEGA solo para realizar escritura en una tarjeta microSD se buscó una tecnología alternativa.
Conociendo los requerimientos de los puertos para la tarjeta se evaluó el cambio de tecnología AVR por controladores de tecnología ARM que no está limitada al fabricante Atmel. El microcontrolador utilizado fue escogido debido a que sus puertos podían suplir las especificaciones de la tarjeta PT senseboard añadiendo las mediciones de sensores análogos. El microcontrolador escogido fue el MKL27Z32VLH4 fabricado por Freescale Semiconductor.
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El sensor de gases escogido fue el sensor de NO2 MICS2714 puesto que era el único
sensor que presentaba selectividad en la medición. Se evaluó la serie de sensores MQ de bajo costo pero cada uno es sensible a, por lo menos, tres gases diferentes.
Entre otros sensores se evaluaron los sensores de monóxido de carbono TGS5042 & TGS5342 fabricados por Fígaro USA que presentaban sensibilidad solo a un gas adicional. Fueron rechazados por su tamaño con respecto a la tarjeta (5 cm de largo). Entre otros sensores estuvieron aquellos para medir CO2 tipo COZIR del fabricante Gas
Sensing Solutions, pero fue rechazado por tamaño y costo.
Micrófono:
La selección de micrófono se realizó teniendo en cuenta la respuesta en frecuencia y el tamaño del mismo. EL micrófono seleccionado fue el SPU0410 que no presentaba variaciones en su respuesta en frecuencia entre las cuatro bandas escogidas para medición. Además puede operar en temperatura de hasta -40°C lo cual es ideal para trabajar en altas temperaturas. Teniendo un valor comercial menor a U$2 no se evaluó otra opción.
Filtrado:
Se apreció la realización de filtros análogos contra el tratamiento de señales por medio de herramientas software como transformada de Fourier. Finalmente se eligió el filtrado análogo por las facilidades de diseño.
Dentro del conjunto de filtros análogos se eligieron filtros activos debido al rango de frecuencias utilizadas. La topología de filtro utilizado fue tipo Sallen-Key ya que permite el ajuste del factor de calidad sin alterar la frecuencia central del filtro.
Ascenso y Descenso:
El ascenso se realiza por medio de globos llenos de menor densidad que el aire (por ejemplo: Helio). Se presentan las dos alternativas para la liberación: esperar que el diferencial de presión estalle el globo o liberar los globos.
Para la liberación del globo tuvo varias soluciones. La primera aplicar calor al globo en una sección para que estallara. Esta opción se descartó dada la posibilidad de inflar el globo con hidrogeno causando una combustión agresiva. La segunda opción fue utilizar una válvula mecánica de alivio que se activara en un diferencial de presión específico y liberase el globo. También se descartó debido al peso adicional de la válvula. Por último se planteó la opción utilizada que fue un pequeño gancho accionado de la misma forma que se acciona un relé mecánico, este tenía el peso adicional de una ferrita pero era más pequeño que la válvula de alivio.
Para el descenso se utiliza un paracaídas compuesto para ser liberado durante el descenso rápido sin entorpecer el ascenso.
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TRABAJO REALIZADO
7.1.1 Ascenso por medio de globos
El ascenso del módulo se plantea utilizando globos de gases de menor densidad al aire. Una vez el globo llegue a una altura con una presión lo suficientemente baja el diferencial de presión entre el interior y el exterior del globo hará que estalle y se inicie el descenso. Es posible calcular la fuerza que ejerce un solo globo en dirección vertical. De esta manera se calculará la aceleración de ascenso. Se requiere de la caracterización de los globos para encontrar el volumen máximo y el diferencial de presión que resistirían a tal volumen. La masa de los globos y del módulo es necesario medirla para el modelo que se utilizara.
7.1.1.1
Modelo Matemático del Ascenso
Primero se toma en cuenta la fuerza del empuje mediante el principio de Arquímedes de la ecuación 1.
𝐸 = 𝜌𝑓𝑔𝑉 (1) Donde 𝐸 es la fuerza con la que el aire empuja el globo hacia arriba, asumiendo que el conjunto es menos denso que el aire. Tómese por conjunto el módulo junto con los globos. El termino 𝑉 es el volumen desplazado del fluido, se toma en cuenta solo el volumen desplazado por los globos. En una primera aproximación el cambio de volumen no se tomara en cuenta sino que se utilizara constante al volumen máximo del globo. Según sea necesario se podría utilizar na ecuación de estado para determinar el cambio de volumen según la presión. Por ultimo 𝑔 y 𝜌𝑓 son la gravedad de la tierra y la densidad del fluido, en este caso,
el aire.
Se conoce que eventualmente se alcanzara una velocidad crítica debido al rozamiento con el aire. Para esto se utiliza la ecuación 2 según la fuerza de rozamiento.
𝐹𝑟 = 1
2𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴𝑣
2 (2)
En este caso 𝐶𝑑 es el coeficiente de arrastre. Debido al alto número de Reynolds para fluidos de baja viscosidad como el aire el coeficiente se toma constante. Para el modelamiento de los globos se utiliza una esfera cuyo coeficiente de arrastre es 0,47. Los otros términos 𝐴 y 𝑣, son el área transversal al movimiento y la velocidad.
Entonces teniendo las dos fuerzas (empuje y rozamiento) se plantea la siguiente ecuación:
𝑚𝑑𝑣
𝑑𝑡 = 𝐸 − 𝐹𝑟− 𝑚𝑔 (3)
Resolviendo la ecuación diferencial resultante de reemplazar las ecuaciones 1 y 2 en la ecuación 3 se obtiene la siguiente ecuación para velocidad en función del tiempo.
𝑣(𝑡) = √2𝑔(𝜌𝑓𝑉−𝑚)
𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴 tanh (
√𝑔(𝜌𝑓𝑉−𝑚)𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴
√2𝑚 𝑡) (4)
Se puede demostrar que el término que multiplica a la tangente hiperbólica corresponde a la velocidad máxima que puede alcanzar el sistema completo. Si no se logra tener una densidad total del sistema menor a la del aire, el modelo no converge.
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7.1.2 Descenso por medio de paracaídas
El descenso planeado está diseñado por medio de un paracaídas, se espera que la velocidad límite de descenso sea de 1 𝑚
𝑠 de tal manera que no haya daños en el dispositivo.
El despliegue del paracaídas se planea mediante un par de paracaídas. El primero que tendrá la fuerza para jalar el segundo de su funda y el segundo seria el que proporciona el descenso seguro. Dada la velocidad de ascenso, no se esperaría que se utilizaran globos suficientes para que la velocidad hiciera desplegar el segundo paracaídas. El primer paracaídas estará libre desde el inicio y liberara el segundo paracaídas durante el descenso.
7.1.2.1
Mecanismo de liberación
En la figura 1 se pueden ver diagramas simples del ascenso, descenso y despliegue del paracaídas.
Fig. 1: (a) ascenso del dispositivo, (b) despliegue del paracaídas, (c) descenso controlado del dispositivo.
En principio se utiliza un ascenso, como el descrito anteriormente, por medio de globos. Para esto se deja el primer paracaídas libre. Una vez estallan los globos a cierta altura, empezara el descenso. El paracaídas libre ejercerá fuerza dada por la ecuación 2 con un coeficiente de araste de alrededor de 0,8.La fuerza generada debe ser suficiente para liberar el paracaídas de mayor área de su funda.
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Una vez liberado el segundo paracaídas habrá un momento de alta tensión sobre las cuerdas dado por la masa del módulo a proteger. Para evitar una falla en las cuerdas del paracaídas se utiliza una banda elástica como se ve en la figura 1.c.
7.1.2.2
Modelo matemático del descenso
Similar al ascenso el descenso esta dictado por la ecuación 3 en donde el empuje del aire no se toma en cuenta y el rozamiento utiliza un nuevo coeficiente de arrastre e irá en sentido contrario al movimiento. De esta manera se puede utilizar la ecuación 5 para describir la fuerza en descenso.
𝑚𝑑𝑣
𝑑𝑡 = 𝐹𝑟− 𝑚𝑔 (5)
Al solucionar la ecuación diferencial nuevamente con condiciones iniciales de velocidad nula se obtiene la ecuación 6 similar a la ecuación 4.
𝑣(𝑡) = −√𝐶2𝑔𝑚
𝑑𝜌𝑓𝐴tanh (√ 𝑔𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴
2𝑚 𝑡) (6)
7.1.2.2.1 Primer paracaídas
En esta etapa hay una aceleración rápida debido a que no hay un paracaídas lo suficientemente grande. Está por ser determinada la fuerza necesaria para sacar al segundo paracaídas de la funda. Esta fuerza se debe al coeficiente de rozamiento estático del segundo paracaídas con su funda y se considera más fácil determinarlo experimentalmente y sobredimensionar el primer paracaídas para evitar un fallo. Una vez determinada la fuerza se reemplaza en la ecuación 2 y, utilizando la ecuación 7 se determina una velocidad menor a la velocidad máxima de descenso para asegurar la fuerza necesaria para abrir el paracaídas. La ecuación 7 muestra la velocidad máxima de caída del objeto con paracaídas.
𝑣𝑚𝑎𝑥 = √ 2𝑔𝑚
𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴 (7)
7.1.2.2.2 Segundo paracaídas
Utilizando la ecuación 7 y el parámetro de diseño que da una velocidad máxima de descenso de 1𝑚
𝑠 se puede calcular que el área necesaria del paracaídas debe ser de 2.85𝑚 2.
Esto corresponde a un paracaídas de 95𝑐𝑚 de diámetro el cual representaría un inconveniente en el ascenso si fuera suelto. Es por eso que se utiliza una funda y un despliegue por medio de un primer paracaídas más pequeño.
Dado que al inicio de esta etapa hay una velocidad diferente de cero la solución a la ecuación cambia y se comporta según la ecuación 8. La velocidad límite sigue estando dada por la ecuación 7.
𝑣(𝑡) = −√𝐶2𝑔𝑚
𝑑𝜌𝑓𝐴tanh (√ 𝑔𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴
2𝑚 𝑡 − tanh −1(𝑣
𝑖√ 𝐶𝑑𝜌𝑓𝐴
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7.2 Descripción del Resultado Final
El proyecto se estructuro en una primera etapa de evaluación seguida por una adecuación de las tecnologías escogidas en la primera etapa. Teniendo en cuenta retrasos se diseñaron partes para el desarrollo mecánico del proyecto. Por último la etapa final consistió en ensambles y pruebas a diferentes niveles.
El producto final fue una tarjeta PTsenseboard2015 con 7.9cm de alto por 6.5cm de ancho con un peso aproximado de 35g con todos los componentes sin el sistema de liberación el cual pesa por aparte 18g.
Se cuenta con una opción del dispositivo de liberación con un tiempo programable diseñado pero sin implementación física.
La tarjeta final posee:
- Sensor de ruido auditivo en 4 bandas - Conexión por medio de micro USB
- Sistema de carga de batería al conectar a USB - Alimentación por medio de super condensador - Puerto para tarjeta microSD
- Modulo GPS
- Sensor de concentración de NO2
- Acelerómetro MPU-6050 - Tarjeta bluetooth
- Comunicación por XBEE - 4 LEDs indicadores - 2 entradas de pulsadores
- Sensor de presión y temperatura - Puerto adicional de programacion
Algunas de estas características tales como los LEDs están presente con fines de desarrollo posterior.
7.3 Trabajo computacional
Simulación: trayectoria y tiempo de vuelo
Para este modelo se ignoran los movimientos horizontales. La trayectoria supuesta se comporta por pasos de la siguiente manera:
1. Se libera el sistema con velocidad inicial nula y suficientes globos para el ascenso. La velocidad se comporta según la ecuación 4.
2. Una vez llegado a una altura máxima (determinada por la goma de los globos y la presión atmosférica) estallan todos los globos simultáneamente. En este momento empieza a disminuir la velocidad hasta llegar a ser nula. El sistema se comportara como
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un movimiento uniformemente acelerado y se ignora el rozamiento ya que el tiempo es mínimo.
3. Empieza la caída con un solo paracaídas. La velocidad al iniciar este tramo es cero y se comporta según la ecuación 6. Una vez la fuerza es suficiente se abrirá el siguiente paracaídas.
4. Se abre el paracaídas para iniciar la etapa final de la trayectoria cambiando el comportamiento por el de la ecuación 8. Se comporta de esta manera hasta tocar el suelo.
Para hallar el tiempo de vuelo se efectúan los pasos antes mencionados y se evalúa el tiempo necesario para volver a la altura inicial. Esto se hace asumiendo que el terreno es plano o los cambios de nivel no son significativos.
Adjunto se encuentra el código de un archivo trayectoria.m este archivo permite simular todo el diseño anteriormente expuesto. Este archivo muestra la trayectoria vertical y la velocidad en función del tiempo. Además este archivo evalúa si los globos son suficientes para elevar el dispositivo.
Manual del usuario:
Para iniciar primero se tiene que definir la velocidad final de caída. Una vez definida la velocidad final se utiliza la ecuación 9 para determinar el tamaño del paracaídas, se recomienda un paracaídas de 1m de radio para una velocidad final de 1,2m/s.
𝑟 = √0,8∗1,29∗𝑣2𝑔𝑚 𝑓
2𝜋 (9) El valor resultante para el radio será en metros, la masa se ingresa en kilogramos y la gravedad es 9,807 m/s^2 . Es necesario el software MATLAB
Una vez se tenga este valor se seguirán los siguientes pasos:
1. Inicie el software MATLAB, en la carpeta de trabajo agregar el archivo trayectoria.m. 2. En la interfaz principal digitar trayectoria(<número de globos>, <radio de los globos>, <radio del paracaídas pequeño>,<radio del paracaídas grande>) tal como se ve en el ejemplo de la figura 2.
.
Fig.2: Ejemplo de funcionamiento
Nótese que las unidades de longitud se deben introducir en metros.
3. En caso de que haya suficientes globos, al presionar ENTRAR correrá el programa y entregara en la interfaz principal el tiempo de vuelo como se ve en la figura 3 y entregara dos graficas de trayectoria y velocidad como se ve en la figura 4.
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Fig.3: Resultado en interfaz principal
Fig.4: Graficas Resultantes.
4. En caso de que los globos no sean suficientes para elevar el dispositivo el programa entregara un mensaje de alerta tal como se ve en a figura 5. En este caso se utilizaron valores más pequeños para el radio de los globos.
Fig.5: Ejemplo de Error.
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Para diseñar los diferentes circuitos impresos se utilizó el software EAGLE 7.2.0 Light, los resultados son dos sistemas de liberación, una tarjeta final, además de varios circuitos para pruebas de componentes como se muestran en las figura 6 y 7.
Fig. 6: Vista superior e inferior de la PTsenseboard2015
Fig. 7: comparación entre sistema programable y sistema sencillo de liberación
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VALIDACIÓN DEL TRABAJO
8.1 Metodología de prueba
Se realizaron pruebas de transmisión de datos en tierra sin línea de vista indirecta que compruebe que la red sea tipo Mesh y que valores como datos de temperatura o presión correspondan a los valores reales mediante comparación con otros instrumentos de medición.
Para las pruebas finales y para minimizar factores que puedan evitar la recuperación de los prototipos se buscó un espacio abierto, libre de árboles o edificios altos en donde el aterrizaje complique la recuperación del dispositivo aéreo.
Se realizaron pruebas de carga y descarga del super condensador para conocer si era una alternativa factible para reemplazar una batería.
8.2 Validación de los resultados del trabajo
En las figuras 8 y 9 se pueden ver los resultados de transmisiones y mediciones de datos por medio de un terminal serial y como pueden verse en tablas de software de hojas de calculo.
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Fig 9. Paso de datos a hoja de cálculo.
8.3 Evaluación del plan de trabajo
El plan de trabajo hubiera sido acertado de no haber cambiado de tecnología para el microcontrolador. Afortunadamente se trabajó un prototipo conjunto con otro proyecto de grado basado en la tarjeta PTsenseboard lo cual permitió una migración de tecnología.
9
DISCUSIÓN
Se realizó la adaptación de una topología de red existente a nuevas especificaciones manteniendo las restricciones originales. Se tuvo un modelo de trayectoria nuevo que permite la liberación desde tierra sin poner en riesgo los componentes.
Costo trabajo la adaptación a un microcontrolador tipo ARM ya que no se tenían conocimientos previos al respecto.
Se actualizó la tarjeta PT senseboard como tarjeta de desarrollo teniendo en cuenta las especificaciones iniciales.
Los objetivos no se cumplieron completamente. No fue posible caracterizar el sensor de NO2 debido a que no se tenía una fuente controlada del gas en cuestión. No se
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CONCLUSIONES
Se diseñó la tarjeta PT SenseBoard 2015 que continua con una red inalámbrica tipo
Mesh para medir presión barométrica y temperatura.
La tarjeta diseñada tiene características adicionales con respecto a la tarjeta PT senseboard V1.0 con una reducion en el tamaño y el peso.
Este proyecto hace parte de los proyectos que iniciaron el uso de microcontroladores ARM de Freescale en nivel pregrado utilizando alternativas de programación como es el software Kinetis Desing Studio.
El trabajo futuro se sugiere continuar con este prototipo y completar la caracterización con respecto a velocidad del aire y concentración de NO2.
La tarjeta puede ser utilizada fuera de la red al utilizar módulos XBEE de mayor alcance teniendo un módulo en tierra y otro módulo de manera remota para la adquisición de datos. Esto abre la posibilidad de implementar un módulo receptor sencillo y de menor coste sin sensores con el único objetivo de comunicarse con el modulo aéreo.
Para la recuperación de la tarjeta en condiciones adversas se podrían implementar señales auditivas y sonoras en futuros trabajaos.
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi asesor, Johann F. Osma, por toda su ayuda durante el desarrollo de este proyecto.
Especial agradecimiento a todo el grupo de Biomicrosystems por compartir su conocimiento.
Agradezco a mis amigos y familia, sobre todo a aquellos que me apoyaron sin tener idea de que estaba haciendo.
Gracias a mi padre por su apoyo incondicional.
Gracias a mi hermano por esas escasas pero valiosas muestras de apoyo. Gracias a Lina María Estévez por escucharme e impulsar mi creatividad. Gracias a Hugo David Sin por las carcajadas.
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REFERENCIAS
[1] Secretaría distrital de ambiente, «Red de Calidad del Aire - Secretaria Distrital de Ambiente,» 2014. [En línea]. Available: http://ambientebogota.gov.co/red-de-calidad-del-aire. [Último acceso: 2 Noviembre 2014].
[2] S. A. P. Jerez, Red inalámbrica para medición de condiciones metereológicas utilizando estudios de balística, Bogotá D.C.: Universidad de los Andes, 2014.
[3] World Health Organization (WHO), «EN mediacentre PR 2011: Tackling the global clean air challenge,» 25 09 2011. [En línea]. Available:
http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2011/air_pollution_20110926/en/. [Último acceso: 15 05 2014].
Red inalámbrica para mediciones de ruido,
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[4] L. Ortolano, «Air pollution Control,» de Enviormental regulation and impact assesstment, New York, John Wiley & Sons, 1997.
[5] J. A. Pacheco Molano, Caracterización de los niveles de contaminación por ruido en Bogotá : estudio piloto, Bogotá: Universidad de los Andes, 2009.
[6] J. Mayr Maldonado, Ciudades y contaminación ambiental, Revista de Ingeniería.; No. 30, 2009.
[7] J. H. McFarland y C. S. Benton, «The oxides of nitrogen and their detection in automotive exhaust,» Journal of Chemical Education, p. 21, Enero 1972.
[8] Texas Instruments Incorporated, «Active Filter Design Techniques,» Dallas, Texas, 2008.
[9] A. Honrubia Escribano, E. Gómez Lázaro, Á. Molina García y A. Vigueras Rodríguez,
SISTEMAS DE EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO: Integración de nuevas soluciones,
Albacete: DYNA - Ingeniería e Industria, 2012.
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APENDICES
Propuesta inicial del proyecto.
Título: Red inalámbrica para mediciones de ruido, velocidad del viento y gases. Estudiante: Camilo Andrés Meléndez Gamboa
Asesor: Johann F. Osma, Profesor Asociado
a. Objetivos del proyecto de grado:
1 Objetivo General
Modificar diseños existentes de una red inalámbrica tipo Mesh para medición de condiciones ambientales modificando el modelo de trayectoria de vuelo permitiendo despegue desde tierra y recuperación, adicionando mediciones de ruido auditivo, detección de gases específicos y cálculo de la velocidad del viento.
Frente a este objetivo se presentan avancen en cuanto a la determinación de los métodos utilizados para medir las variables antes mencionadas. Se ha diseñado por completo los circuitos de medición individuales de cada variable especificada y se ha iniciado el diseño de una tarjeta que integre estos nuevos módulos junto con los módulos del diseño original. Teniendo en cuenta que el modelo de trayectoria está completo y se tienen simulaciones que lo respaldan, falta únicamente la
comprobación de este modelo mediante la experimentación. Se considera un avance del 40% debido a la falta de pruebas realizadas.
2 Objetivos Específicos
1. Complementar el diseño existente de una red inalámbrica de tal manera que se puedan realizar mediciones de variables adicionales. Además de documentar adecuadamente el diseño nuevo y los resultados en caso de trabajo futuro.
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El diseño ha tenido un cambio importante en cuanto a la selección de tecnología. El procesamiento y el control necesario se hacían utilizando dos microcontroladores tipo AVR. Ahora se optó por implementar el diseño utilizando un solo microcontrolador tipo ARM de un fabricante diferente. Este cambio ha requerido entrenamiento para el manejo del nuevo microcontrolador. Nuevamente es necesario mencionar la adición de módulos adicionales en el nuevo diseño de un circuito impreso.
Debido al avance del proyecto y al cambio de tecnología no se reconoce ningún avance en la documentación del proyecto en cuanto a los diseños de circuitos y la
programación. Ya hay documentación existente de un modelo de trayectoria para el modulo en vuelo aunque no hay resultados que se puedan documentar. Por esta razón se considera que hay un avance del objetivo del 65%.
2. Implementar tres nodos aéreos de adquisición de datos y un nodo en tierra que permita comunicación con un sistema tipo PC. Los nodos aéreos deben tomar y transmitir datos para mediciones de ruido auditivo, detección de gases específicos y cálculo de la velocidad del viento.
La implementación de los módulos no ha sido posible debido a la disponibilidad de los materiales para el ensamblaje. De este objetivo se tiene 0% de avance y se espera que su avance sea rápido con respecto a los demás objetivos.
3. Realizar pruebas de funcionamiento de los módulos implementados con un despliegue de la red desde tierra y un aterrizaje con descenso lento sin dañar los nodos aéreos en las pruebas.
De este objetivo no se tiene avance aun y se espera que, una vez cumplido el segundo objetivo, se empiece inmediatamente a realizar las pruebas. Se espera contar con el máximo posible de tiempo en pruebas con funcionamiento completo.
Codigo de simulación: trayectoria.m
function [ ] = trayectoria( n , Rg, R1, R2)
%UNTITLED3 Summary of this function goes here % Detailed explanation goes here
%%modelo del ascenso t=[];
deltaT=0.02;%paso de tiempo x=[];
v=[];
m1=0.150;%masa del objeto %n=10;%numero de globos Cd=0.47;%Coeficiente de arrastre
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rho=1.29;%densidad del aire g=9.807;%gravedad
r=Rg;%radio de un globo. default r=0.15
Vol=pi*r^3*4/3;%volumen de un solo globo en m^3 A=pi*r^2;%Area transversal del globo
rhoHe=0.1785;%densidad del helio m=m1+n*Vol*rhoHe;%masa del conjunto
Hm=1000;%altura maxima (por el momento aleatoria) h=0;%altura inicial
i=0;%inicializar el contador
Fmin=1;%fuerza minima para sacar al paracaidas grande de su funda
%constantes para a solucion de las ecuaciones diferenciales d1=(n*rho*g*Vol-m*g);
d2=Cd*rho*A;
if((n*Vol*rhoHe+m1)>(n*Vol*rho)) disp('no hay suficientes globos') else
while(h<Hm) i=i+1; x(i)=h; t(i)=i*deltaT;
v(i)=sqrt(2*d1/d2)*tanh(sqrt(d1*d2/2)*t(i)/m); h=2*m/d2*log(cosh(t(i)*sqrt(d1*d2/2)/m));
end
%se guardan valores temporales para las condiciones iniciales del %siguiente paso
t1=t(i); v1=v(i); x1=x(i);
while(v(i)>0) i=i+1; x(i)=h; t(i)=i*deltaT; ti=t(i)-t1;
v(i)=v1-m1*g*ti;
h=x1+v1*ti+0.5*m1*g*ti^2;
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%se actualiza el coeficiente de arrastre para el paracaidas Cd=0.8;
r=R1; A=pi*r^2; t1=t(i); v1=v(i); x1=x(i); F=0;
d2=Cd*rho*A; m=m1;
while(F<Fmin) i=i+1; x(i)=h; t(i)=i*deltaT; ti=t(i)-t1;
v(i)=-sqrt(2*g*m/d2)*tanh(sqrt(g*d2/(2*m))*ti); h=2*m/d2*log(sech(sqrt(d2*g/(2*m))*ti))+x1; F=0.5*Cd*rho*A*v(i)^2;
end r=R2; A=pi*r^2; t1=t(i); v1=v(i); x1=x(i);
d2=Cd*rho*A;
while((v(i)<(-sqrt(2*g*m/d2)-0.0001))) i=i+1;
x(i)=h; t(i)=i*deltaT; ti=t(i)-t1;
v(i)=-sqrt(2*g*m/d2)*tanh(sqrt(g*d2/(2*m))*ti-atanh(v1*sqrt(d2/(2*m*g)))); % h=m/d2*log((v(i)^2-(2*g*m/d2))/(v1^2-(2*g*m/d2)))+x1;
h=2*m/d2*log(sech(sqrt(d2*g/(2*m))*ti))+x1; end
x1=x(i); t1=t(i); while(x(i)>0) i=i+1; x(i)=h; t(i)=i*deltaT; ti=t(i)-t1;
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h=x1+v(i)*ti; end
plot(t,x,'LineStyle','-','LineWidth',2,'color','g') xlabel('tiempo [s]');
ylabel('Altura[m]'); title('Altura') figure
plot(t,v,'LineStyle','-','LineWidth',2,'color','g'); xlabel('tiempo [s]');
ylabel('Velocidad [m/s]'); title('Velocidad')
disp('El tiempo de vuelo en horas fue') disp(t(i)/3600)
end end