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HW IoT

Dispositivos Hardware, son los dispositivos que van a medir y los que van a interactuar con el exterior.

El primer elemento, el que está más cerca de las “cosas” es el HW que se encarga de medir e interactuar con las “cosas” y procesar esos datos:

El elemento HW programable capaz de interactuar con estos dispositivos es el microcontrolador o el microprocesador.

El HW libre por excelencia es Arduino como microcontrolador y Raspberry Pi como microprocesador, con menor potencia física pero mayor potencia de cálculo.

Dentro del HW libre no solo debemos quedarnos con Arduino, sino que existen otros dispositivos compatibles que se programar igual que Arduino:

Y muchas más que aparecen cada día.

No solo para prototipos, PLC basado en Arduino: https://www.industrialshields.com/

Qué es IoT

Internet de las cosas (en inglés Internet of things, abreviado IoT) es un concepto que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con Internet.

Definición de wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Internet_de_las_cosas

Arduino es un elemento que nos permite de forma sencilla y económica conectar cosas a Internet. Con un sencillo módulo ethernet o wifi podemos conectar Internet sensores para informar, motores controlados desde cualquier lado del mundo o mandar un SMS o email cada vez que se abra la puerta de casa.

Arduino se ha convertido una figura destacada e incluso uno de los impulsores del IoT y no por casualidad, sino que  por sus características es un HW con gran capacidad para usar en proyectos de IoT.

Características de Arduino para IoT

  • Barato y rápido prototipado.
  • HW libre y por lo tanto es modificable para que consuma menos y para hacer un HW final de características industriales.
  • Disponibilidad de HW de comunicaciones de todo tipo para conectar con Arduino. Nuevas tecnologías de comunicación llegan antes que para elementos comerciales
  • Librerías y SW público para su reutilización o adaptación.
  • Flexibilidad en la programación.
  • Apoyo de la comunidad.

IoT en su amplio concepto es conectar a Internet cualquier cosa, teniendo sentido o sin tenerlo. Por ejemplo, podríamos conectar a internet un sofá con un Arduino y unos pocos sensores, este sofá podría tuitear que nos acabamos de sentar a ver nuestra serie favorita, simplemente detectando el peso de la persona y conectándose a una API de un servidor de streaming como netflix y comprobando que acabo de poner un capítulo de Narcos. Pero esta idea para netflix podría ser muy interesante, monitorizar a la gente que ve su canal.

Otra aplicación de IoT y usando arduino como herramienta, es la de obtener información externa disponible mediante APIs del open data. Un ejemplo es el de un sistema de riego automático que podemos tener en una huerta. En los inicios de la automatización se usaron programadores conectados a una electroválvula donde indicamos las horas entre las que deseamos regar. El siguiente paso fue poner detectores de lluvia para no regar si estaba lloviendo. Otro paso fue poner sensores de temperatura y humedad ambientales y sensores de humedad de suelo que nos indican cuándo debemos regar y en qué áreas de nuestra huerta.

El paso más avanzado que ofrece el IoT es poder conectar todo este sistema, ya de por sí muy eficiente, a los opendata meteorológicos disponibles en Internet como el de la aemet (http://www.aemet.es/es/datos_abiertos/AEMET_OpenData) y que nuestro sistema obtenga datos de prediciones meteorológicas y decida no regar si la predicción de lluvia es mayor del 80% en los próximos dos días o simplemente ajustar el algoritmo de riego en función los valores de los sensores + es de los datos meteorológicos. También puede recibir alertas de tormenta o pedrisco y tomar determinadas acciones o simplemente mandar un email o SMS al propietario del huerto. ¿Podríamos hacer esto con un sistema comercial?

Esto podría extenderse a explotaciones agrícolas usando un servicio como el sistema de información agroclimática de La Rioja:

IoT nos permite actualizar procesos productivos al siglo XXI (Retrofit)

Para mi, IoT no es que un coche se pueda conectar a Internet para ver videos de youtube, sino que este coche esté conectado a Internet para que pueda actualizar su firmware automáticamente sin necesidad de ir al concesionario, pueda ser inmovilizado en caso de robo o pueda mandar datos de los parámetros internos del coche para que sean analizados y poder detectar alertas precoces de fallo y actualizar automáticamente ese fallo sin que el usuario tenga que hacer nada o avisar al usuario para que lleve el coche a reparar y parar el coche si el usuario no ha llevado a revisión al cabo de unos kms para evitar males mayores.

Explicación de IoT http://www.kaaproject.org/iot-101-what-is-an-iot-platform/

Cómo Conectar a Internet una Tostadora?

Veamos un resumen de los elementos que necesitamos para conectar un dispositivo a Internet y hacer un proyecto de IoT completo.

Supongamos que quiero conectar mi tostadora a Internet y hacer un sistema que conecte mi coche con la tostadora y cuando me acerque a casa ponga en funcionamiento la tostadora y además me informe en el móvil que la tostadora se pone un funcionamiento y me indique la temperatura de la tostadora.

Lo primero que necesito es un sensor para medir la temperatura y un actuador que encienda la tostadora. Para poder leer el sensor y poder manejar el actuador necesitaré un microcontrolador con entradas (sensor) y salidas (actuador), por ejemplo, un Arduino.

Ahora ya puedo leer los datos de la tostadora y encenderla, el siguiente paso es conectarla a Internet.

Primero necesito acceso a Internet (conectividad), puedo usar ethernet, pero ¿Quien tiene una toma de red en la cocina?

Mejor usando comunicaciones inalámbricas como: wifi, bluetooth, redes móviles, XBee, etc…

Una vez tenemos conectividad, necesitamos un protocolo de comunicación para comunicar los datos y las órdenes entre los distintos dispositivos.

  • HTTP REST

  • MQTT

Supongamos tenemos nuestra tostadora con un Arduino integrado y un chip WiFi. Hay dos formas en la que pueden hablar entre el geolocalizador del coche y nuestra tostadora.

  1. Tener uno de los dispositivos trabajando como servidor con una dirección IP, de forma que el otro dispositivo se pueda conectar en cualquier momento.
  2. Tener un tercer servidor y tanto la tostadora como el coche se conecten al servidor y este mande mensajes a uno y otro.

La opción 1 es la más barata al no necesitar un elemento extra, pero al menos uno de los dispositivos necesita una IP pública conocida y fija, además hay que abrir puertos en el router de casa lo que supone una dificultad adicional y un punto más en la seguridad.

En la opción 2 el servidor maneja los mensajes, en el caso de MQTT se trata del broker. Es un elemento neutral al que las “cosas” se pueden conectar para enviar y recibir mensajes.

Adicionalmente podemos tener una plataforma que almacene datos y luego podamos visualizarlos, analizarlos, hacer cuadros de mando o interactuar con otras plataformas o servicios de terceros.

En resumen, al hacer un proyecto IoT debemos hacernos estas preguntas:

  • Qué quieres medir?
  • Cómo lo quieres conectar?
  • Qué quieres hacer con los datos?

Elementos que intervienen en el IoT

Elementos en IoT:

  • Plataformas Software, para tratar los datos recogidos por nuestros sensores y almacenarlos. Pueden ser plataformas de terceros o plataformas propias desarrolladas por nosotros o simplemente guardar en BBDD propias. Por ejemplo: Carriots, Thingspeak, Temboo, Thinger, etc…
    Además todas estas plataformas SW que están en la nube, deben estar soportadas por un HW de servidores, unas BBDD de gran capacidad y una infraestructura segura que los hospede.
  • Servicios, son los servicios que ofrecen las plataformas como mostrar los datos recogidos, mandar avisos cuando se detecte un evento o la interconexión con otras plataformas o simplemente. Servicios ofrecidos por la plataforma carriots: https://www.carriots.com/que-es-carriots

Sensor — MCU — Comunicación — Protocolo — Plataforma — Servicios

Uno de los retos del IoT es mandar datos de cualquier sensor a través de cualquier protocolo a cualquier plataforma de forma inalámbrica y usando la menor energía posible para uso de baterías.

Cadena de valor de IoT:

recoger datos — conectar — almacenar — analizar — mostrar — actuar — predecir

IoT Manifesto

Arduino IoT Manifesto: https://create.arduino.cc/iot/manifesto/

“Arduino cree que construyendo nuevos productos conectados con SW, HW y protocolos de comunicación open source, podemos hacer un entorno más innovador para los makers, emprendedores y grandes corporaciones. Dando a los usuarios de posibilidad de compartir su trabajo abiertamente, compartimos retos, resolvemos problemas y construimos mejores productos conectados.

Estamos seguros que con una aproximación abierta y compartida de SW, HW y protocolos es la mejor solución”

Esta aproximación puede extender al mundo empresarial el concepto de DIY, permitiendo hacer pruebas de conceptos y pequeños proyectos por uno mismo y en caso que sea viable lanzarse a proyectos profesionales con el apoyo de expertos.

Sensores y Actuadores

Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Los sensores se pueden clasificar en función de los datos de salida en:

  • Digitales
  • Analógicos
  • Comunicación por Bus

Los sensores van conectados a las entradas de Arduino.

A la hora de elegir un sensor, debemos leer detenidamente las características y elegir uno que sea compatible con nuestro sistema (tensión y voltaje) y que sea sencillo de usar o nos faciliten una librería sencilla y potente.

Ejemplos de Sensores:

Ejercicio con sensor de temperatura: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/02/sensor-de-temperatura/

Actuadores y Periféricos

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 elemento externo. Este recibe la orden de un regulador, controlador o en nuestro caso un Arduino y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

  • Electrónicos
  • Hidráulicos
  • Neumáticos
  • Eléctricos
  • Motores
  • Bombas

Los actuadores van conectados a las salidas de Arduino.

Periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento o en este caso a Arduino. Se consideran periféricos a las unidades o dispositivos de hardware a través de los cuales Arduino se comunica con el exterior, y también a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Ejemplos de periféricos:

  • Pantallas LCD
  • Teclados
  • Memorias externas
  • Cámaras
  • Micrófonos
  • Impresoras
  • Pantalla táctil
  • Displays numéricos
  • Zumbadores
  • Indicadores luminosos, etc…

Para cada actuador o periférico, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

  • Recordad que los pines de Arduino solo pueden manejar un máximo de 40mA y recomendable usar 20mA de forma continua.
  • Recordar que Arduino solo puede manejar un total de 200 mA de salida. Es decir que la corriente máxima que admite Vcc y GND son 200 mA.
  • Recordar que los pines Arduino solo pueden tener los valores de 5V (3.3V en algunos modelos) y 0V. No es posible cualquier otro valor de tensión.

A la hora de seleccionar un actuador o periférico para usar con arduino habrá que ver sus características y cómo hacer el interface con arduino. En el playground de Arduino existe una gran base de datos de conocimiento para conectar Arduino con casi cualquier HW: http://playground.arduino.cc/Main/InterfacingWithHardware

Tutoriales para conectar Arduino con diversos dispositivos: http://playground.arduino.cc/Learning/Tutorials

Ejemplos de Actuadores y periféricos:

Otro tipo de actuadores son los motores. Más información de motores en: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/04/motores/

Electrónica, Sensores, Actuadores y Periféricos

Conceptos Elementales

Corriente Continua

La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés, de Alternating Current), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica). También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va (por convenio) del polo positivo al negativo.

Ley de Ohm

La ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley de la electricidad. Establece que la intensidad de la corriente I que circula por un conductor es proporcional a la diferencia de potencial V que aparece entre los extremos del citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica  R; esta es el coeficiente de proporcionalidad que aparece en la relación entre I y V.

Pulsador

Un botón o pulsador es un dispositivo utilizado para realizar cierta función. Los botones son de diversas formas y tamaños y se encuentran en todo tipo de dispositivos, aunque principalmente en aparatos eléctricos y electrónicos. Los botones son por lo general activados, al ser pulsados con un dedo. Permiten el flujo de corriente mientras son accionados. Cuando ya no se presiona sobre él vuelve a su posición de reposo.

Puede ser un contacto normalmente abierto en reposo NA o NO (Normally Open en Inglés), o con un contacto normalmente cerrado en reposo NC.

Cuando nos de desenvolvemos en el entorno de los microcontroladores, nos encontramos con un término poco común, me refiero a la polarización de una E/S, debemos saber que hay dos tipos de polarización, polarización alta la resistencia (término inglés Pullup) va conectada a + (5V) o polarización baja la resistencia (término inglés Pulldown) va conectada a masa – (0V). Siguen dos esquemas de estos términos:

Al trabajar con botones nos vamos a encontrar el problema de los rebotes o bouncing. La solución pasa por leer el estado del botón cuando se produce el borde ascendente de la tensión a extremos de los contactos del pulsador e introducir inmediatamente la salida con ese estado, el resto de entradas (se llama ruido) se inhiben o anulan mediante un lapsus de tiempo. Véase la imagen de debajo para entender mejor lo dicho.

Para solucionar el problema de los rebotes podemos hacerlo vía hardware o software:

  • Hardware: aquí se pueden utilizar diferentes técnicas, pero la más común es utilizar un condensador conectado en paralelo al pulsador. El condensador tardará cierto tiempo en cargarse y una vez que esté cargado, la señal de salida será igual a la señal de entrada.
  • Software: puede utilizarse solamente cuando tratemos la señal con un procesador, es decir, hay algún programa que lea la señal emitida por el pulsador. La técnica más utilizada consiste en ignorar las conmutaciones del valor del sensor si desde la última conmutación válida no ha pasado suficiente tiempo.

Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Los sensores se pueden clasificar en función de los datos de salida en:

  • Digitales
  • Analógicos

Y dentro de los sensores digitales, estos nos pueden dar una señal digital simple con dos estados como una salida de contacto libre de tensión o una salida en bus digital.

A la hora de elegir un sensor para Arduino debemos tener en cuenta los valores que puede leer las entradas analógicas o digitales de la placa para poder conectarlo o sino adaptar la señal del sensor a los valores que acepta Arduino.

Una vez comprobado que el sensor es compatible con las entradas de Arduino, hay que verificar cómo leer el sensor mediante la programación, comprobar si existe una librería o es posible leerlo con los métodos disponibles de lectura de entrada analógica o digital.

Por último verificar cómo alimentar el sensor y comprobar si podemos hacerlo desde el propio Arduino o necesitamos una fuente exterior. Además, en función del número de sensores que queramos conectar es posible que Arduino no pueda alimentar todos. Para saber si podremos alimentar los sensores, debemos conocer las limitaciones de alimentación de Arduino que veremos en el capítulo 2 del curso http://www.aprendiendoarduino.com/arduino-avanzado-2016/

Características de  los sensores

  • Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
  • Precisión: es el error de medida máximo esperado.
  • Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
  • Linealidad o correlación lineal.
  • Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada.
  • Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida.
  • Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
  • Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
  • Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor#Caracter.C3.ADsticas_de_un_sensor

Tipos de sensores: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor#Tipos_de_sensores

Ejemplos Sensores para Arduino

Actuadores y Periféricos

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 elemento externo. Este recibe la orden de un regulador, controlador o en nuestro caso un Arduino y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

  • Electrónicos
  • Hidráulicos
  • Neumáticos
  • Eléctricos
  • Motores
  • Bombas

Periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento o en este caso a Arduino. Se consideran periféricos a las unidades o dispositivos de hardware a través de los cuales Arduino se comunica con el exterior, y también a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Ejemplos de periféricos:

  • Pantallas LCD
  • Teclados
  • Memorias externas
  • Cámaras
  • Micrófonos
  • Impresoras
  • Pantalla táctil
  • Displays numéricos
  • Zumbadores
  • Indicadores luminosos, etc…

Para cada actuador o periférico, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

  • Recordad que los pines de Arduino solo pueden manejar un máximo de 40mA y recomendable usar 20mA de forma continua.
  • Recordar que Arduino solo puede manejar un total de 200 mA de salida. Es decir que la corriente máxima que admite Vcc y GND son 200 mA.
  • Recordar que los pines Arduino solo pueden tener los valores de 5V (3.3V en algunos modelos) y 0V. No es posible cualquier otro valor de tensión.
  • La alimentación máxima del pin de 5V y del pin de 3.3V dependerá del regulador de tensión que tenga la placa, en el caso de Arduino UNO la limitación es 1 A para 5V y 150 mA para 3.3V

A la hora de seleccionar un actuador o periférico para usar con arduino habrá que ver sus características y cómo hacer el interface con arduino. En el playground de Arduino existe una gran base de datos de conocimiento para conectar Arduino con casi cualquier HW: http://playground.arduino.cc/Main/InterfacingWithHardware

Tutoriales para conectar Arduino con diversos dispositivos: http://playground.arduino.cc/Learning/Tutorials

Ejemplos de Actuadores y Periféricos para Arduino

Práctica: Sensores y Actuadores

Smoothing: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/02/smoothing/

Sensor de Temperatura: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/02/sensor-de-temperatura/

Display LCD: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/03/display-lcd/

Motores: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/09/16/uso-de-motores-2/

Sensor de temperatura

Práctica:  Ejercicio15 – Temperatura. Leer sonda de temperatura y en función de unas condiciones de temperatura encender 3 LEDS, el primero al alcanzar 22 grados, el segundo a los 24 y el tercero a los 26. También que muestre por pantalla la temperatura leída por el puerto serie en Celsius si lee una C por el puerto serie o en Farenheit si les una F, en cualquier otro caso que muestre el texto: “¿En que formato quieres que muestre la temperatura?”

Datasheet sonda: https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/TemperatureSensor.pdf

Esquema conexión:

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio15-Temperatura

Ver el efecto de parpadeo al no poner histéresis. Añadir una histéresis de 1 grado en cada salto de temperatura para iluminar el led.

Histeresis: https://es.wikipedia.org/wiki/Hist%C3%A9resis

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio15-Temperatura_con_histeresis