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SISTEMA DE CALEFACCIÓN AUTOMÁTICO


Resumen


Delineá y montá un sistema de calefacción automático, utilizando una placa Arduino. Este sistema lleva un sensor de temperatura que regula el encendido y apagado de un radiador eléctrico según la temperatura ambiente. Su funcionamiento y la temperatura leída por el sensor pueden ser monitoreados a distancia a través de IoT Internet de las cosas.
 

Descripción

En el nivel inicial, se propone realizar el prototipo de un sistema de calefacción automático que encienda y apague un radiador eléctrico siguiendo intervalos de tiempo previamente determinados. En el nivel intermedio, se incorpora un sensor de temperatura del ambiente y, en función de sus mediciones, se determinará el encendido o apagado del radiador utilizando un potenciómetro. Además, la información se visualizará en un display LCD.

En el nivel avanzado, los datos obtenidos de la temperatura serán compartidos a través de IoT (Internet de las Cosas) para que puedan ser visualizados y monitoreados de forma remota.

Al final de esta guía se puede encontrar un glosario donde se provee la información técnica necesaria para poder poner el proyecto en funcionamiento. El mismo cuenta con aclaraciones sobre los diversos elementos electrónicos involucrados así como también conceptos claves.

 

Objetivos

  • Conocer los componentes de la interfaz de Arduino.
  • Utilizar una placa Protoboard para realizar pruebas rápidas del funcionamiento del circuito.
  • Analizar y desarrollar la programación secuencial de un programa que accione un radiador eléctrico.
  • Aproximarse al conocimiento y el manejo de distintos componentes electrónicos y  familiarizarse con el uso de diferentes sensores.
  • Utilizar IoT (Internet de las Cosas) para registrar y monitorear la temperatura medida por un sensor (nivel avanzado).

 

Ficha técnica

Nivel educativo

Secundario. Ciclo Básico.

 

Descripción general

Diseño y construcción de una maqueta/prototipo de un sistema de calefacción.

Niveles de complejidad

Nivel inicial: Programar y montar, en una placa Arduino, el sistema de encendido y apagado automático de un radiador eléctrico, utilizando un temporizador.

Nivel intermedio: Agregar un sensor de temperatura para configurar, por medio de un potenciómetro, la temperatura a la que se prende y se apaga el radiador. Incorporar, también, un display LCD para visualizar la información.

Nivel avanzado: Monitorear la temperatura y la humedad del ambiente a través de IoT.

 

Insumos

 

  • 1 x Arduino UNO R3
  • 1 x Protoboard
  • 1 x Cable usb tipo B
  • 1 x Fuente de 9v 1 A (plug centro positivo, 5.5x2.1mm)
  • 1x Módulo Relé
  • 1 x Shield LCD DFRobots
  • 1 x Sensor DHT11 (Temperatura y humedad)
  • 1 x OBLOQ IOT MODULE
  • 20 cables dupont macho hembra
  • 20 cables dupont macho macho

Equipamiento

 

  • Computadora
  • Soldador
  • Estaño
  • Alicate
  • Pinza de punta
  • Brusela

Otros requisitos

  • Conexión a internet
  • Descargar el programa “mblock3”

http://www.mblock.cc/software-1/mblock/mblock3/

Temas


Paso 1: Utilizar un módulo relé
Paso 2: Programar el encendido y apagado del radiador eléctrico
Paso 3: Subir el código a la placa Arduino
Paso 4: Programar el tiempo de encendido y apagado    

Martina se mudó a una nueva casa y necesita instalar un sistema de calefacción eléctrico para su habitación. Ella sabe que un uso eficiente de la energía para calefaccionar o enfriar su hogar es fundamental para el cuidado del ambiente. Por lo tanto, quiere lograr que se mantenga una temperatura confortable utilizando la menor cantidad de energía posible. Se le ocurrió que la mejor manera de conseguirlo es instalando un sistema que le permita regular la temperatura de la habitación controlando el tiempo de encendido y apagado del calefactor.  En esta actividad se realizará el prototipo de un sistema de calefacción automático (bombilla de 100W o radiador eléctrico) para una habitación. Se programará un tiempo de encendido y un tiempo de apagado.

Paso 1 - Utilizar un módulo relé

 

Para optimizar el consumo energético del radiador eléctrico, necesitamos controlar el encendido y apagado del mismo a través de una placa Arduino y un módulo relé.

 

Conectamos el pin 3 de la placa Arduino al modulo relé, con su respectiva alimentación (5V y GND).

El relé se comportará como un interruptor, prendiendo o apagando nuestro radiador.

Podemos conectarlo de la siguiente forma:

 

  1. Desarmamos el enchufe del radiador.
  2. Conectamos un cable a uno de los terminales del enchufe y el otro cable al terminal “NO” del relé.
  3. Conectamos un cable desde el terminal “COM” del relé al terminal que nos queda libre en el enchufe.

 

¡Atención! Para construir este dispositivo trabajaremos con un voltaje de 220V. En caso de utilizar protoboard, se recomienda no incluir en el mismo las conexiones a relé y  220V.


El código que subamos a la placa Arduino controlará la apertura y el cierre del relé y, en consecuencia, el encendido y apagado del radiador eléctrico.

Paso 2 - Programar el encendido y apagado del radiador eléctrico

 

La programación la realizaremos con mBlock3, entorno de programación basado en Scratch2 que permite programar proyectos de Arduino utilizando bloques. Pueden descargarlo siguiendo este enlace: http://www.mblock.cc/software-1/mblock/mblock3/

 

Cuando abrimos mBlock3, veremos una pantalla como la siguiente:

 

 

Para programa un proyecto de Arduino con mBlock3 debemos seleccionar el “Modo Arduino” desde el menú.

 

 

Al seleccionar este modo, el programa cambiará de aspecto. Se verá un área en el centro que es la que utilizaremos para programar con bloques. A la derecha se verá un campo donde aparecerá el código escrito que le corresponde a los bloques que están en el centro. Este código se irá escribiendo automáticamente a medida que se vaya armando el programa con los bloques.

 

 

Los bloques están agrupados por categorías. En este caso, se usarán bloques de las categorías “Robots”, “Control”, “Operadores” y “Datos y Bloques”. Cuando seleccionamos una de estas categorías, se pueden visualizar todos los bloques que pertenecen a ese grupo.

 

 

 

Para poder encender el radiador eléctrico debemos accionar el módulo relé. Realizaremos una prueba de encendido y apagado intermitente cada 5 segundos para verificar que todo funcione de forma correcta.

 

 

Al asignar el estado “ALTO” a la salida del relé (“pin digital 3”) estamos indicando que se envíe una corriente de 5V para el relé y permita el paso de corriente para que nuestro radiador eléctrico se encienda.

 

Al asignarle el estado “BAJO”, estamos indicando que no se envíe corriente al módulo relé para que no permita el paso de corriente y el radiador eléctrico se apague.

Paso 3 - Subir el código a la placa Arduino

 

Para subir el código de nuestro programa a la placa Arduino, necesitamos:

  1. Conectar la placa Arduino a la entrada USB.
  2. Chequear que en el menú “Placas” esté seleccionado “Arduino Uno”.
  3. Seleccionar el puerto serie al que está conectada la placa.

 

 

4. Clickear el botón  

 

Al terminar de subir nuestro código, veremos este mensaje:

 

 

Paso 4 - Programar el tiempo de encendido y apagado

 

Para poder ahorrar energía, es necesario calcular el tiempo que el radiador permanecerá encendido. Esto va a depender de muchos factores, como el tamaño de la habitación y la temperatura exterior.

 

A modo de ejemplo, dejaremos el radiador encendido durante 10 minutos (600 segundos) y lo apagaremos durante 15 minutos (900 segundos). Los bloques nos quedarán de la siguiente manera.

 

 

Veremos que a la derecha se muestra el código escrito que corresponde a este programa.

#include
#include
#include

double angle_rad = PI/180.0;
double angle_deg = 180.0/PI;

void setup(){
    pinMode(
3,OUTPUT);
}


void loop(){
    digitalWrite(
3,1);
    _delay(
600);
    digitalWrite(
3,0);
    _delay(
900);
    _loop();
}


void _delay(float seconds){
   
long endTime = millis() + seconds * 1000;
   
while(millis() < endTime)_loop();
}


void _loop(){
}

 

Temas


Paso 1: Conectar el sensor de temperatura y humedad    ¡Error! Marcador no definido
Paso 2: Instalar la extensión del sensor de temperatura y humedad    
Paso 3: Obtener la temperatura    
Paso 4: Activar el envío de datos a la consola    
Paso 5: Encender el radiador según la temperatura    
Paso 6: Conectar el módulo del display LCD    
Paso 7: Instalar la extensión del display LCD    
Paso 8: Hacer una prueba del display LCD con un programa de saludo    
Paso 9: Escribir la temperatura en el display
Paso 10: Incorporar un texto en el display    
Paso 11: Conectar un potenciómetro    
Paso 12: Crear variables    
Paso 13: Adaptar los valores    
Paso 14: Visualizar la temperatura ideal

Martina descubrió que existe un modo para hacer aún más eficiente el uso del calefactor en términos energéticos y mantener la habitación dentro de un rango de temperaturas confortable: tiene que desarrollar un sistema para que el funcionamiento dispositivo se regule automáticamente en función de la temperatura ambiente. Necesita, también, agregarle un display donde se muestre la temperatura actual, así ella puede visualizar y configurar de forma sencilla la temperatura deseada y contar con que el sistema la mantendrá más o menos constante. En este nivel se propone agregar un sensor de temperatura y, en función de sus mediciones, se prenderá y se apagará el relé. Las temperaturas que determinarán si el sistema debe encenderse o apagarse serán controladas mediante un potenciómetro y visualizadas en un display LCD. 

Paso 1: Conectar el sensor de temperatura y humedad

Conectamos el sensor DHT11 como indica el siguiente esquema.

 

La señal de nuestro sensor de temperatura estará conectada al pin 2 de la placa Arduino y también su respectiva alimentación (GND y 5V).
 

El DHT11 es un sensor que mide humedad y temperatura del aire. Este modelo de sensor posee electrónica interna que digitaliza los datos registrados y los reporta a el Arduino mediante una comunicación digital, por eso es que se conecta a un pin digital de la placa.

 

 

Paso 2: Instalar la extensión del sensor de temperatura y humedad

Para poder utilizar el sensor de temperatura y humedad, necesitamos instalar una extensión de mBlock3. Esto lo hacemos desde el menú.

 

 

El sensor de temperatura y humedad que usaremos es el DHT11. Si en el buscador tipeamos “dht”,  veremos dentro de los resultados el que nos interesa: “DHT Extensions”.

 

 

Bajamos la extensión, y tendremos nuevos bloques disponibles dentro de la categoría “Robots”

 

Paso 3: Obtener la temperatura

Para utilizar el sensor, es necesario colocar el bloque “DHT No _, Pin _, Version _” debajo de “Programa de Arduino”.

 

En función del enunciado del problema, solamente nos interesa el valor de la temperatura (aunque el sensor también mide la humedad).

 

Utilizaremos la consola para visualizar los datos que mide el sensor. La consola se encuentra en la esquina inferior derecha. Es importante seleccionar “modo de caracteres” para el modo de recepción de los datos, como se muestra en la imagen.

 

Para enviar los datos a la consola se utiliza el bloque “Escribir en el serial el texto”, al cual le agregamos el bloque que obtiene la temperatura. Es importante que este bloque se encuentre contenido dentro del bloque “Por siempre” ya que necesitamos actualizar todo el tiempo el valor de lectura.

Paso 4: Activar el envío de datos a la consola

 

Una vez que está cargado nuestro programa debemos volver a conectar nuestra placa para que se envíen los datos a la consola.

Finalmente veremos la temperatura que mide el sensor.

 

Paso 5: Encender el radiador según la temperatura

 

Ahora modificaremos nuestro programa para que el relé se active solamente si la temperatura es menor a 22ºC, si no, desactivaremos el relé. A modo de ejemplo, se ha elegido esta temperatura, pero podría ser otro valor.

 

Nuestro programa quedará como el siguiente.

 

Veremos que a la derecha se muestra el código escrito que corresponde a este programa.

#include
#include
#include

#include "DHT.h"

double angle_rad = PI/180.0;
double angle_deg = 180.0/PI;
DHT
dht_1(2,11);

void setup(){
    pinMode(
3,OUTPUT);
}


void loop(){
   
if((dht_1.readTemperature()) < (22)){
        digitalWrite(
3,1);
    }
else{
        digitalWrite(
3,0);
    }
    _loop();
}


void _delay(float seconds){
   
long endTime = millis() + seconds * 1000;
   
while(millis() < endTime)_loop();
}


void _loop(){
}

 

Paso 6: Conectar el módulo del display LCD    
 

Para poder visualizar la temperatura, conectamos el módulo del display LCD (shield LCD) sobre la placa Arduino. Es importante manejar con cuidado las piezas para no forzarlas y asegurarse de que todos los pines estén bien conectados en el lugar que le corresponde a cada uno.

 

Los shields son placas de circuitos modulares que se montan unas encima de otras para agregar nuevas funcionalidades a la placa Arduino. Existen los que agregan funciones tales como comunicación, pantallas, sensores, interconexión, etc.


Paso 7: Instalar la extensión del display LCD

Para programar el display, necesitamos instalar otra extensión como se realizó antes. En este caso, buscaremos en el administrador de extensiones la palabra clave “lcd”. La extensión que necesitamos es la que lleva el nombre “LCD”.

 

Bajamos la extensión. Notaremos nuevos bloques disponibles dentro de la categoría “Robots”

 

        
Paso 8: Hacer una prueba del display LCD con un programa de saludo

 

Para aproximarnos al funcionamiento del display LCD, escribiremos un programa que nos muestre un saludo en el mismo. Este programa debería ser similar al siguiente:

Nota: no utilizar tildes ni la letra Ñ con el display LCD

 

Veremos que a la derecha se muestra el código escrito que corresponde a este programa.

#include
#include
#include

#include
double angle_rad = PI/180.0;
double angle_deg = 180.0/PI;
LiquidCrystal
lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);

void setup(){
    lcd.begin(
16, 2);
    lcd.clear();
    lcd.print(
"Buen dia");
}


void loop(){
    _loop();
}


void _delay(float seconds){
   
long endTime = millis() + seconds * 1000;
   
while(millis() < endTime)_loop();
}


void _loop(){
}


 

 

 

En este momento, deberíamos ver el saludo “Buen dia” en nuestro display. Si no se llegara a leer el texto, es necesario ajustar el contraste del mismo con el potenciómetro azul (preset) que se encuentra en la esquina superior izquierda del shield y tiene la referencia RP1. Para ajustarlo podemos utilizar un destornillador.

 

Paso 9: Escribir la temperatura en el display

Ahora, volveremos al programa anterior, conectamos nuevamente el sensor de temperatura y humedad al pin digital 2 y el relé al pin digital 3.

 

Debería quedarnos como indica el siguiente esquema.

 

 

Agregaremos al código anterior (que encendía y apagaba el radiador) el bloque que permite visualizar la temperatura en el display. Quedaría de la siguiente manera.

 


Paso 10: Incorporar un texto en el display

En el display, mostraremos un texto antes de la temperatura actual que nos permite identificar a qué corresponde ese número. Para esto, utilizamos el bloque “Unir” que se encuentra en la categoría “Operadores”. En el primer espacio escribimos “Temp Act: ” y en el otro colocamos el bloque de la temperatura.

 

Los bloques nos quedarán de la siguiente manera.

 

 

Veremos que a la derecha se muestra el código escrito que corresponde a este programa.

 

#include
#include
#include

#include "DHT.h"
#include
double angle_rad = PI/180.0;
double angle_deg = 180.0/PI;
LiquidCrystal
lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);
DHT
dht_1(2,11);

void setup(){
    lcd.begin(
16, 2);
    lcd.clear();
    pinMode(
3,OUTPUT);
}


void loop(){
   
if((dht_1.readTemperature()) < (22)){
        digitalWrite(
3,1);
    }
else{
        digitalWrite(
3,0);
    }
    lcd.setCursor(
0,0);
    lcd.print(String(
"Temp Act: ")+dht_1.readTemperature());
    _delay(
1);
    _loop();
}


void _delay(float seconds){
   
long endTime = millis() + seconds * 1000;
   
while(millis() < endTime)_loop();
}


void _loop(){
}

 

Paso 11: Conectar un potenciómetro

Para cambiar la temperatura a la que se prenderá el radiador, incorporaremos un potenciómetro al pin analógico 1. Con el potenciómetro estableceremos de manera manual la temperatura que deseamos para la habitación.

 

 

 

Las entradas analógicas de la placa Arduino que van desde el pin A0 al A5 nos permiten saber el voltaje de la entrada con una resolución que va de 0 cuando hay 0V a 1023 cuando hay 5V. Si, por ejemplo, el voltaje en la entrada es de 1.25V, estos pines leen un valor intermedio de 255V.

Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia se puede modificar y controlar de forma manual. En muchos dispositivos eléctricos los potenciómetros son utilizados para regular el nivel de tensión. Por ejemplo, en un parlante el potenciómetro se puede utilizar para ajustar el volumen; así como en un monitor se puede utilizar para controlar el brillo.

 

 

Paso 12: Crear variables

 

En primer lugar, debemos obtener el valor de lectura del pin analógico en el cual conectamos el potenciómetro. Para obtener y guardar este dato, creamos una nueva variable.

Nombramos esta variable como “Temperatura”. Se puede elegir otro nombre pero hay que recordar que en las líneas de código las palabras no pueden llevar tilde ni usar la letra Ñ.

Una variable es un espacio en la memoria que nos permite guardar un dato para luego ser leído en otra instancia del programa. Es importante tener en cuenta, al momento de crear una variable, que su nombre no puede comenzar con un número ni contener espacios.

 

A esta variable le asignaremos el valor del pin analógico que corresponda.


Paso 13: Adaptar los valores    

Hay que tener en cuenta que la lectura del pin arroja valores entre 0 y 1023, pero la temperatura debe estar, por ejemplo, a 0°C cuando el potenciómetro valga 0 y a 30°C cuando el potenciómetro valga 1023. Por lo tanto, necesitamos adaptar el valor leído a una escala que varíe entre 0 y 30. Esto puede resolverse con una “regla de tres simple” desde la programación. Para esto, debemos programar nuestro sistema para que multiplique el valor que arroja el pin por 30 y luego lo divida por 1023.

A continuación, reemplazamos el número 22 (que correspondía a la temperatura de encendido y apagado anterior) por la variable “Temperatura” que es controlada manualmente por el potenciómetro. Los bloques nos quedarían de la siguiente manera:

 

 

Paso 14: Visualizar la temperatura ideal

Es necesario que el display LCD muestre el valor de la variable “Temperatura” para que sepamos a qué temperatura estamos configurando nuestra calefacción. Entonces, agregamos los siguientes bloques.

 

 

Finalmente, el código completo nos quedará de la siguiente manera.

 

 

Veremos que el código escrito que corresponde a este programa es el siguiente:

 

#include
#include
#include

#include "DHT.h"
#include
double angle_rad = PI/180.0;
double angle_deg = 180.0/PI;
double Temperatura;
LiquidCrystal
lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);
DHT
dht_1(2,11);

void setup(){
    lcd.begin(
16, 2);
    lcd.clear();
    pinMode(A0+
1,INPUT);
    pinMode(
3,OUTPUT);
}


void loop(){
    Temperatura = analogRead(A0+
1);
    Temperatura = ((Temperatura) * (
30)) / (1023);
   
if((dht_1.readTemperature()) < (Temperatura)){
        digitalWrite(
3,1);
    }
else{
        digitalWrite(
3,0);
    }
    lcd.setCursor(
0,0);
    lcd.print(String(
"Temp Act: ")+dht_1.readTemperature());
    lcd.setCursor(
0,1);
    lcd.print(String(
"Temp Set: ")+Temperatura);
    _delay(
1);
    _loop();
}


void _delay(float seconds){
   
long endTime = millis() + seconds * 1000;
   
while(millis() < endTime)_loop();
}


void _loop(){
}

 

 

Temas


Paso 1 - Introducción a Internet de las Cosas (IoT)    
Paso 2 - Crear un Panel de Control
Paso 3 - Conectar módulo OBLOQ    
Paso 4 - Arduino IDE    
Paso 5 - Programar sin código bloqueante    
Paso 6 - Programación IoT
 

La ciudad donde vive Martina tiene temperaturas muy frías en invierno. Por esta razón, en algunas ocasiones, debe dejar el calefactor encendido incluso cuando no se encuentra en su casa. Ella desea monitorear el funcionamiento del calefactor en estos momentos para asegurarse de que no esté consumiendo más energía de la necesaria. Para poder hacerlo, necesita instalar un sistema que le informe, utilizando internet, la temperatura del ambiente en todo momento. Se propone agregar IoT para relevar los datos del estado actual de la temperatura. La información recopilada nos permite, por ejemplo, monitorear el funcionamiento del sistema de calefacción y el ahorro de energía, y elaborar estadísticas. Aprovechando que el sensor utilizado también mide la humedad, agregaremos este dato a nuestro registro. 

Paso 1 - Introducción a Internet de las Cosas (IoT)

 

Internet de las Cosas (en inglés Internet of Things, abreviado IoT) es un concepto que refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet. Esta interconexión puede tener diversas funciones. Por ejemplo, puede utilizarse para monitorear la temperatura de un ambiente, enviando los datos obtenidos por un sensor a una central donde se recopile la información. De esta manera podría visualizarse en un dispositivo móvil la temperatura de un laboratorio, de un invernadero o de una sala de un hospital.

 

Para poder incorporar IoT a nuestro proyecto es necesario:

 

  1. Un dispositivo capaz de conectarse a internet.
  2. Un servidor que reciba y aloje los datos.

 

Existen diversas formas de lograr el cometido de registrar y almacenar los datos del sistema de tanques construido. En este caso, se detallará cómo hacerlo con un módulo OBloq de DFRobot, y con los servidores de Adafruit.

 

El módulo UART OBLOQ es un dispositivo WiFi a serie pensado para desarrolladores no profesionales. Permite enviar y recibir datos mediante los protocolos HTTP y MQTT.

Paso 2 - Crear un Panel de Control

En primer lugar, se explicará cómo crear un Panel de Control en Adafruit. Luego, se verá cómo vincular los controles del Panel con los datos que se intercambian con el dispositivo.

Debemos crear una cuenta de usuario en io.adafruit.com. Una vez que ingresamos con nuestro usuario, creamos un nuevo panel haciendo click en “Create a New Dashboard”.

 

Creamos un nombre y una descripción.

 

 

Hacemos click en el nuevo panel creado y veremos una pantalla vacía. Podemos comenzar a agregar bloques haciendo click en .

 

Veremos una serie de controles posibles como en la siguiente imagen.

 

 

Para nuestro sistema de calefacción, podríamos ubicar dos Line Chart (gráficos de línea) aprovechando que nuestro sensor DHT11 también mide la humedad. De esta forma podremos visualizar el historial de cambios de temperatura y humedad de nuestro ambiente.

 

Cuando agregamos un control al panel debemos asociarlo a un “feed”.

 

Un feed es una fuente de datos en la que uno puede publicar así como también se puede suscribir para recibir los datos de cierto feed.

En las líneas de código las palabras no pueden llevar tilde ni usar la letra Ñ.

 

Llamamos al primer feed “temperatura”. En este feed publicaremos, desde nuestro dispositivo, la temperatura que lea el sensor DHT11.

 

 

Luego de crearlo, hacemos click en “Next step” (paso siguiente) para configurar nuestro control y completamos los campos como se ve en la imagen a continuación.

Hacemos click en “Create block” (crear bloque) para completar la operación.

 

 

Podemos modificar el tamaño y la ubicación de los bloques haciendo click en la “rueda de configuración”.

Repetimos este procedimiento para el feed “humedad”. Deberíamos visualizar algo similar a lo siguiente ya que aún no hay datos publicados.

 

 

 

 

Una vez realizado el Panel, publicaremos los datos obtenidos con los sensores para poder monitorearlos de manera remota.

Antes de salir, debemos copiar las credenciales de acceso para poder publicar en nuestros feeds “temperatura” y “humedad”. Para ver nuestras credenciales, hacemos click en el ícono de la “llave”.

 

Copiamos el código que nos ofrece para Arduino, con nuestro usuario y key. Más adelante se verá que estos datos aparecen en el código de la siguiente manera:

#define IO_USERNAME    "usuario_adafruit"

#define IO_KEY         "key_adafruit"

 

Se deberán reemplazar en esas dos líneas el usuario y key por los que se hayan obtenido en Adafruit. Por ejemplo:

#define IO_USERNAME  "usuario_aio"
#define IO_KEY       "1234cfdd29a244b6b049abb07727c117"

 


Paso 3 - Conectar módulo OBLOQ    

A continuación se muestra el diagrama de conexión de Arduino UNO y OBLOQ.

Reemplazamos el relé por un LED conectado al pin 13 para probar que nuestro programa funciona correctamente y evitarnos el conexionado a 220v. La programación del LED es exactamente la misma que la del relé, por lo que una vez que corroboramos que funciona de forma correcta podremos conectar el relé como se mostraba en el circuito anterior.


Paso 4 - Arduino IDE    

La programación por bloques tiene sus ventajas desde un punto de vista didáctico pero cuando el programa crece en complejidad puede resultar poco práctico. A menudo podemos encontrarnos con el hecho de que ciertas operaciones no pueden resolverse utilizando bloques o que hacerlo con este método resulta más engorroso y difícil de interpretar que si se utilizara el código escrito.

Hasta ahora hemos visto cómo al realizar nuestra programación en bloques se generaba simultáneamente un código escrito en el área lateral derecha. Para esta sección de la actividad se propone trabajar directamente sobre el código, para ello vamos a recurrir a el entorno nativo de Arduino que llamamos “Arduino IDE” (IDE proviene la siga entorno de desarrollo integrado).

Para ello descarga el Arduino IDE desde el siguiente enlace y luego procede con la instalación del mismo: www.enfoco.net.ar/sd

 

A continuación, se presenta una estructura mínima de un sketch (un programa) de Arduino:

 

void setup() {
 
// Código de inicialización. Se ejecuta una sola vez.
}

void loop() {
 
// Código principal. Se ejecuta repetidamente.
}

 

En líneas generales, un programa de Arduino es:

 

  1. Un bloque de código que se ejecuta por única vez al inicializarse el dispositivo. Este bloque de código está contenido dentro de la función “setup” (se coloca dentro de void setup() { y } ).
  2. Un bloque de código que se ejecuta repetidamente luego de la función “setup”. Este bloque de código está contenido dentro de la función “loop” (se coloca dentro de void loop() { y } ).

 

Después de   //  se incluyen comentarios para el lector que no tienen ningún efecto en el programa. Estos comentarios sirven para clarificar el código y que sea más fácil de interpretar para otras personas.

Los pasos para subir el código a través del Arduino IDE son similares a los que hemos visto para mBlock3:

  1. Conectar la placa a la entrada USB.
  2. Chequear que estén seleccionados la placa “Arduino/Genuino Uno” y el puerto serie al que está conectada la placa.


  1. Clickear el botón de “Subir” .

Sabremos que nuestro código subió correctamente si en la barra de estado se escribe “Subido”.

 

Paso 5 - Programar sin código bloqueante


Antes de comenzar a utilizar IoT debemos hacer una aclaración con respecto a la función _delay() que figura en el código que usamos hasta ahora. Esta función brinda un tiempo de espera al sistema que puede utilizarse con varios fines. Suele utilizarse bastante en las primeras aproximaciones a la programación, ya que su comportamiento resulta fácil de comprender y su programación no requiere más que una línea de código. Sin embargo, esta función tiene una complicación, dado que genera un “código bloqueante”.  Esto significa que, cuando el programa entra en esa función, se detiene todo el procesamiento hasta que se cumpla el tiempo indicado. En otras palabras, cuando el programa entra al delay queda “colgado” por el período de tiempo establecido.

Al utilizar IoT, es conflictivo utilizar código “bloqueante”, ya que al detenerse el procesamiento se impide también que el sistema realice otras operaciones que funcionan en simultáneo. Por ejemplo, las tareas de publicación y el mantenimiento constante de la conexión a internet.

Para evitar estos problemas, se puede utilizar una alternativa de código “no bloqueante”, como la función  millis(). Esta función arroja un valor sobre un conteo de tiempo, que se realiza desde el momento en que se inicia el sistema. Es decir, funciona como un cronómetro (en milisegundos) que, cada vez que es consultada desde el código, “devuelve” el valor en el que se encuentra. De esta manera podemos pedirle al sistema que informe cuánto tiempo transcurrió desde el inicio de las operaciones para dar indicaciones temporales sobre una tarea, sin detener todas las demás.

A continuación se presenta un ejemplo de cómo se puede programar la intermitencia de un LED que se prenda y apague cada un segundo (expresado en 1000 milisegundos) sin utilizar código bloqueante. Lo haremos utilizando la función millis para consultar cuánto tiempo pasó.

 

int estado = LOW;

// Se declara "millisAnterior" con valor inicial igual a cero.
long millisAnterior = 0;

void setup() {
 
// Inicializa el pin digital 13 como una salida.
  pinMode(13, OUTPUT);
}


void loop() {
 
 
long millisActual = millis();

 
if (millisActual - millisAnterior >= 1000) {
   
// Conmuta el estado del LED.
    if (estado == LOW) {
      estado =
HIGH;
    }
else {
      estado =
LOW;
    }


    // Setea el estado del LED.
    digitalWrite(13, estado);
   
   
// Guarda la última vez que conmutamos el LED.
    millisAnterior = millisActual;
  }

 
// Y en este punto nuestro procesador queda libre
  // para realizar otras tareas.
 
}

 


En el ejemplo se puede observar que para tomar el valor de millis se define un valor inicial, al  que llamamos “millisAnterior”, que es igual a cero. Luego, para consultar el tiempo transcurrido desde el inicio del sistema, se calcula la diferencia entre el valor de “millisActual” y el de “millisAnterior”. En el caso de nuestro ejemplo, como queremos generar una intermitencia de 1 segundo, necesitamos evaluar si esta diferencia es mayor o igual a 1000. En caso de que haya transcurrido más de un segundo, el sistema modificará el estado de la luz. Si ha transcurrido menos tiempo, el estado se mantendrá estable.

En última instancia se establece que, si esta diferencia es mayor o igual a 1000, se le asigne a “millisAnterior” el valor de “millisActual”. De esta manera, la diferencia entre  “millisActual” y “millisAnterior” vuelve a ser cero hasta que vuelva a transcurrir otro segundo.

Vamos a modificar nuestro programa para evitar el “código bloqueante”. Para simplificar un poco la programación, el LED se mantendrá encendido cuando la temperatura supere los 22ºC en lugar de parpadear. Nuestro programa queda como sigue.

 

 

// Incluimos las librerias necesarias.
#include "DHT.h"
#include

// Declaramos nuestros objetos de LCD y DHT11.
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);
DHT
dht(2,11);


// Se declara "millisAnterior" con valor inicial igual a cero.
long millisAnterior = 0;

void setup() {
 
// Inicializa el pin digital 13 como una salida.
  pinMode(13,OUTPUT);
 
// Inicializamos el display LCD de 16 columnas y 2 filas.
  lcd.begin(16, 2);
 
// Borramos el display LCD.
  lcd.clear();

}


void loop() {
 
 
long millisActual = millis();

 
// Realizamos lo siguiente cada un segundo.
  if (millisActual - millisAnterior >= 1000) {

   
// Si la temperatura es mayor a 22°C,
    if(dht.readTemperature() > 22){
     
// encendemos el LED.
      digitalWrite(13,1);
    }
else{
     
// Si no, apagamos el LED.
      digitalWrite(13,0);
    }

   
// Imprimimos la temperatura.
    lcd.setCursor(0,0);
    lcd.print(
"Temp Act: ");
    lcd.print(dht.readTemperature());
     
   
// Guardamos la última vez que conmutamos el LED.
    millisAnterior = millisActual;
  }

 
// Y en este punto, nuestro procesador queda libre
  // para realizar otras tareas.
 
}

 

 

Ahora que tenemos un programa con un código “no bloqueante” (es decir, sin usar la función delay) estamos en condiciones de incorporar IoT a nuestro proyecto.

 

Paso 6 - Programación IoT
 

Utilizaremos la librería ObloqAdafruit para informar a Adafruit cada vez que cambie el estado del semáforo. Podremos monitorear este estado desde el Panel de Control que hemos creado.

 

En primer lugar debemos instalar la librería en el Arduino IDE. Para esto debemos ingresar al menú Programa > Incluir Librería > Gestionar Librerías.

 

 

 

Se abrirá una ventana con un buscador en margen superior. Debemos escribir Obloq, seleccionar la librería ObloqAdafruit y apretar el botón Instalar.

 

 

 

En general las librerías traen códigos de ejemplo como referencia. Abrimos el ejemplo “Publicar” ubicado en Archivo > Ejemplos > ObloqAdafruit > Publicar.

 

Debemos reemplazar el SSID de la WiFi, su password, el IO_USERNAME e IO_KEY por los que copiamos de Adafruit. También modificaremos softSerial(10,11) por softSerial(11,12) ya que así es como lo conectamos en nuestra placa.

 

#include "SoftwareSerial.h"
#include "ObloqAdafruit.h"

// Indicamos conexión de wifi.

#define WIFI_SSID      "SSID_de_Wifi"
#define WIFI_PASSWORD  "PWD_de_WIFI"

 

// Copiamos las credenciales obtenidas anteriormente en Adafruit.
#define IO_USERNAME    "usuario_adafruit"

#define IO_KEY         "key_adafruit"

SoftwareSerial softSerial(11,12);
ObloqAdafruit
olq(&softSerial,WIFI_SSID,WIFI_PASSWORD,IO_USERNAME,IO_KEY);

 

 

El setup debe incluir la línea de inicialización del softwareSerial:

 

void setup()
{
    softSerial.
begin(9600);
}

 

Se debe agregar también la función de actualización o “update”: olq.update().  Por esto, es importante que nuestro código no sea bloqueante.

 

void loop()
{
    olq.update();
  
// ..
   // ..
}

 

Para publicar un feed, utilizaremos la función publish del objeto olq :

 

olq.publish("temperatura", 22); // Informar que la temperatura es de 22°C

 

Vamos a modificar nuestro programa para incorporar el envío de datos de temperatura y humedad a Adafruit. Nuestro programa con IoT queda como sigue.

 

// Incluimos las librerias necesarias.
#include "DHT.h"
#include
#include "SoftwareSerial.h"
#include "ObloqAdafruit.h"

// Indicamos conexión de wifi.
#define WIFI_SSID      "SSID_de_Wifi"
#define WIFI_PASSWORD  "PWD_de_WIFI"

// Copiamos las credenciales obtenidas anteriormente en Adafruit.
#define IO_USERNAME    "usuario_adafruit"
#define IO_KEY         "key_adafruit"


// Declaramos nuestros objetos de LCD, DHT11 y obloq.
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);
DHT
dht(2,11);
SoftwareSerial
softSerial(11,12);
ObloqAdafruit
olq(&softSerial,WIFI_SSID,WIFI_PASSWORD,IO_USERNAME,IO_KEY);

// Se declara "millisAnterior" con valor inicial igual a cero.
long millisAnterior = 0;

void setup() {
 
// Inicializa el pin digital 13 como una salida.
  pinMode(13,OUTPUT);
 
// Inicializamos el display LCD de 16 columnas y 2 filas.
  lcd.begin(16, 2);
 
// Borramos el display LCD.
  lcd.clear();

 
//  Inicializamos la comunicación con el módulo OBloq.
  softSerial.begin(9600);
}



void loop() {
 
 
long millisActual = millis();

 
// Realizamos lo siguiente cada un segundo.
  if (millisActual - millisAnterior >= 1000) {

   
// Guardamos en la variable temperatura 
    // lo que lee el sensor DHT11.
    int temperatura = dht.readTemperature();
   
   
// Si la temperatura es mayor a 22°C,
    if(temperatura > 22){
     
// encendemos el LED,
      digitalWrite(13,1);
    }
else{
     
// si no, apagamos el LED.
      digitalWrite(13,0);
    }

   
// Imprimimos temperatura y humedad
    lcd.setCursor(0,0);
    lcd.print(
"Temp Act: ");
    lcd.print(temperatura);

   
// Publicar en Adafruit temperatura y humedad.
    olq.publish("temperatura", temperatura); 
    olq.publish(
"humedad", humedad);

   
// Guarda la última vez que conmutamos el LED.
    millisAnterior = millisActual;
  }

 
// Llamamos a que la librería actualice lo que necesite.
  olq.update();
 
}

 

Cierre - Glosario


Cierre

Una vez finalizado este proyecto, es posible extenderlo si se quiere continuar. Estas son algunas opciones sugeridas:

 

  • Controlar el encendido y apagado del radiador a través de IoT.
  • Programar un sistema de humidificación o deshumidificación del ambiente según la variación de la humedad.
  • Este proyecto se puede realizar junto con “Sistema lumínico automático” ya que los dos proyectos proponen la construcción de dispositivos para el uso eficiente de la energía. 

 

El proceso de resolución de problemas como los que se han planteado aquí permite la movilización y la integración de distintos saberes en la búsqueda de soluciones posibles a una situación dada. Si bien la información aquí fue presentada a modo de instructivo, se espera que sean los estudiantes organizados en pequeños grupos quienes vayan encontrando las mejores formas para construir los dispositivos.

 

Esto implica preparar los materiales para que cada grupo cuente con todo lo necesario para la construcción del proyecto. Además, al interior de cada grupo, los estudiantes deben distribuirse los roles y las tareas de acuerdo a las demandas que van teniendo en las actividades. Es importante que los docentes acompañen las producciones de cada grupo monitoreando los avances de todos los estudiantes y presentando la información que se considere necesaria para continuar la tarea. Pero, al mismo tiempo, es necesario que habiliten espacios para que los alumnos realicen hipótesis, planteen interrogantes, indaguen, prueben y realicen ajustes de acuerdo a lo que ellos mismo van pensando sobre cómo llevar a cabo el proyecto. 

 

En este sentido, registrar lo que se va haciendo, las preguntas de los alumnos, las pruebas, los errores y cómo se fueron construyendo los dispositivos, permite reflexionar sobre la propia práctica, reforzar los aprendizajes construidos a lo largo de este proceso y poder volver a ese material disponible para próximos proyectos que se realicen.

 

Una vez terminado el proyecto, se sugiere reunir y organizar con el grupo el registro que se hizo del proceso realizado. Esta instancia de sistematización también permite movilizar capacidades vinculadas a la comunicación porque implica tomar decisiones respecto a cómo se quiere mostrar el proyecto a otros (otros grupos, otras escuelas, otros docentes, a la comunidad, etc.).

 

Glosario

 

Electrónica y Arduino

 

Arduino: Placa electrónica que contiene un microcontrolador programable y sistema de comunicación (USB y serial) que permite al usuario cargarle diversos programas así como también comunicarse con la misma. Del lado de la computadora se utiliza un IDE de programación para generar el código, compilarlo y quemarlo en la placa. Existen múltiples IDE compatibles con las placas Arduino.

 

El microcontrolador posee entradas analógicas y digitales así como salidas digitales, PWM y servo. Las entradas y salidas digitales son las que permiten leer o escribir estados del tipo binarios. Pueden adoptar la forma de 0 ó 1, alto o bajo, verdadero o falso. Para prender y apagar los LED del semáforo utilizamos salidas digitales, las mismas están nomencladas con números desde el 0 al 13.

 

Las entradas analógicas permiten leer información que puede adoptar diferentes niveles de tensión, tal como la lectura de un termómetro analógico, la posición de un potenciómetro, etc. Las mismas están identificadas en la placa como A0 a A5.

 

Shield: Placas de circuitos que se monta encima de la placa Arduino para expandir sus funcionalidades. Existen shields para otros tipos de microcontroladores y computadoras embebidas (Arduino Micro, RaspberryPi, etc). En general un shield sirve para ser utilizado con un único modelo de placa, en este caso para Arduino UNO. El shield suele tener la misma forma que la placa Arduino y tienen pines de conexión que encastran perfectamente con los pines de esta.

Los shields poseen diferentes usos como: comunicaciones, sensores, actuadores, interconexión con otros sistemas, sonido ,protoboard y una larga lista de etcéteras.

 

Puerto COM: Es el puerto de comunicaciones a través del cual un sistema operativo informático se comunica con un dispositivo externo tal como una placa Arduino. La asignación de los mismos suele realizarse de forma automática al conectar la placa via USB. Dicha asignación suele ser dinámica, lo que significa que a veces cambia el número al conectar una misma placa en otro puerto USB o al conectar varias placas. En todos los IDE de programación es necesario especificar el puerto COM a través del cual nos comunicaremos con la placa Arduino.

 

Protoboard: Es una placa experimental que permite el prototipado rápido de circuitos electrónicos. Tiene orificios para insertar las patas de los componentes permitiendo que se conecten sin tener que recurrir a la soldadura.

 

El mismo posee una grilla de orificios que se encuentran conectados entre sí siguiendo el esquema de la imágen. Las líneas de conexión superior e inferior recorren la placa de punta a punta y suelen utilizarse para la alimentación del circuito, mientras que las líneas verdes se suelen utilizar para interconectar componentes. Tomar en cuenta que las líneas verdes se interrumpen en el centro de la placa. Generalmente se utilizan cables del tipo dupont para realizar conexiones en la protoboard

 

.

LED: Componente electrónico tipo diodo que emite luz. Es necesario tomar en cuenta la polaridad del mismo para ponerlo en funcionamiento. Conectándolo con la polaridad invertida generalmente no va a traer mayores consecuencias que la imposibilidad de hacer que encienda. Existen dos formas de distinguir la polaridad del mismo: podemos identificar la pata negativa como la pata más corta u observando el lado plano en el encapsulado del mismo.

 

 

Resistencia: La resistencia eléctrica es una característica de todo material conductor eléctrico de hacer oposición al paso de la corriente eléctrica, es uno de los componentes más utilizados en la electrónica. El valor resistivo se mide en ohm y se representa con el símbolo Ω. Existen resistencias de valores que van desde menos de 1 ohm hasta varios millones. Se suelen utilizar para determinar la cantidad de corriente de una rama de circuito, por ejemplo para evitar que se queme el LED por exceso de corriente.

 

Relé: Dispositivo electromagnético que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico. Por medio de un electroimán se acciona uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Se utiliza comúnmente para aislar eléctricamente dos circuitos así como también permitir controlar con bajo voltaje a dispositivos que utilizan mayor voltaje. Arduino trabaja con señales de 5 V que mediante un relé permiten controlar la activación o desactivación de dispositivos de 220 V.

 

Sensor DHT11: Se utiliza para medir humedad y temperatura. El sensor de temperatura consiste en un termistor, un dispositivo que cambia su resistencia en función de la temperatura que percibe. El sensor de humedad consta de un sustrato higroscópico (un dispositivo que atrae vapor de agua) conectado a dos electrodos que miden su resistencia. Cuanto mayor es la humedad del ambiente, mayor es también la conductividad del sustrato. El DHT11 combina el sensado de ambas variables, integra también un circuito electrónico digital encargado de digitalizar la información y transmitirla al arduino mediante un pin digital a modo de paquete de información.

 

Por este motivo es que para realizar un programa que utilice este sensor es necesario utilizar una librería que se encarga de gestionar la comunicación entre el Arduino y DHT11. El sensor posee 4 pines de conexión, dos de ellos son alimentación eléctrica (VCC y GND), mientras que un pin se utiliza para la comunicación. Hay un pin que no tiene uso. En algunos casos podremos encontrar el sensor montado en una pequeña placa de interconexión que solamente tiene 3 pines, descartando el pin que no tiene uso.

 

Potenciómetro: Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia variable que se controlar de forma manual o mecánica. Sirven para trabajar con bajos niveles de potencia, a modo de señal de control.

Los potenciómetros suelen tener una resistencia fija del valor especificado y un cursor que permite pararse en algún punto intermedio de esta resistencia. Para leer la posición del potenciómetro generalmente conectaremos las dos patas de la resistencia fija (los extremos) a VCC y GND. De esta forma tendremos en la pata central (cursor) un valor de tensión que representa la posición actual de la perilla.

 

Internet de las cosas

Panel de Control Adafruit: Los sistemas IoT trabajan apoyándose en un servidor que se encarga de centralizar y gestionar la información que reportan los diversos sensores así como responder a las consultas de los dispositivos que buscan acceder a dicha información (mostrarla en pantalla, tomar decisiones, etc). Adafruit es una plataforma online con posibilidad de uso gratuito que ofrece el servicio de gestión de esta información. La misma ofrece un alto grado de compatibilidad con diversos estándares de trabajo IoT y se encuentra principalmente orientada al uso educativo.

Feed: fuente de datos en la que uno puede publicar y a la que puede suscribirse. Es decir, permite enviar datos, para que estos sean almacenados en el tiempo así como también leerlos, recibiendo las actualizaciones de quienes estén publicando allí. Es una forma de almacenar información en una gran base de datos de forma ordenada, utilizando el concepto de etiquetas tanto al momento de escribirla como el de leerla.