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Diseño e Implementación de un Laboratorio Remoto IOT Para Una Planta Térmica Didáctica
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO REMOTO IOT
PARA UNA PLANTA TÉRMICA DIDÁCTICA
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A REMOTE IOT LABORATORY FOR A THERMAL DIDACTIC PLANT
Jhon Alejandro Londoño A.∗ Aldemar Fonseca V.**
Resumen: Según la propuesta del profesor Aldemar F onseca Velásquez la plant a de
trat amiento de agua del grupo (int egra) requerí a una supervisión para el monit oreo de
sus sensores de t emperat ura y un control de sus actuadores remot ament e a través de
int ernet en el contexto IOT. La supervisión de la plant a y su control se maneja por
medo de un archivo .HTML que está alojado en los servidores de carga y descarga,
siendo est a una f orma muy ef icaz ya que no necesit a de dominios ni de
conf iguraciones de puert os para su respect ivo uso. Cuent a con un login de usuario y
contraseña para una mayor seguridad a través de la navegación web, creando un
control y supervisión en t iempo real del estado de un laborat orio de experiment ación
remot a de la planta t érmica de simulación industrial del grupo I nt egra.
Palabras clave: Electrónica, electrónica de potencia, IOT, electrónica industrial, supervisión,
sensores, W ebHooks, control act uadores, IOT, trat amient o de agua t érmica, web servers,
JavaScript, HTML.
∗ Estudiante de tecnología electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Grupo de investigación INTEGRA. [email protected] ** Ingeniero Electrónico Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Profesor adscrito a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital. Grupo de investigación INTEGRA. [email protected]
Abstract: According t o t he proposal of Prof essor Aldemar Fonseca Velásquez, t he
group's wat er treatment plant (int egrat ion) requires supervision f or t he monit oring of
temperat ure sensors and a control of t heir actuat ors remot ely t hrough t he I nt ernet in
the IOT cont ext. The supervision of t he plant and it s control of t he maneuver due t o t he
fear of a .HTML f ile t hat is hosted in t he servers of loading and unloading, t his being a
very eff ect ive f orm and t hat it does not need domains nor of conf igurat ions of ports f or
it s use respect ive. It has a user connect ion and password f or great er security t hrough
web browsing, creat ing a real-t ime control and monit oring of t he st ate of an
experiment al laborat ory removal of t he industrial simulat ion t hermal plant of t he I nt egr a
group.
Key Words: Electronics, power electronics, IOT, industrial electronics, sensor monitoring,
W ebHooks, act uat or control, IOT, thermal wat er treatment, web servers, JavaScript, HTML.
1. Introducción
Con el f in de compart ir conocimient os de nuevas t ecnologí as, se deben diseñar proyectos de
invest igación que permit an aport ar y consolidar result ados t écnicos y t ecnológicos que con
lleven a la creación de incent ivos para los est udiant es electrónicos.
Con base en lo ant erior se desarrolló e implement o una plat aforma de inf ormación web
programada en código HTML JavaScript, con el propósit o de otorgarles a los usuarios la
supervisión y control remot o a través de int ernet de la plant a de simulación industrial ubicada
en el salón del grupo int egra de la universidad Francisco José de Caldas. Donde sus
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Fecha de aceptación: principales f unciones son el control de t emperat uras y control de caudal por medio de
sist emas de control PI D.
Los dat os son t omados de la int erf az del programa labview y enviados a través de int ernet.
Mediant e el uso de un microcontrolador IOT, la inf ormación es visualizada en una segunda
int erf az online; su propósit o es establecer una conexión remot a de manera que un operario
en cualquier part e del mundo pueda acceder al control de las f unciones de esta plant a
industrial, simulando un proceso de control t érmico o un laborat orio remoto en el cont ext o
IOT. En apoyo a est a nueva t ecnologí a se implementa el uso de W eb Servers los cuales
brindan soport e direct ament e a estos microcontroladores sin necesidad de conf iguraciones
de puert os o creaciones de host, llamados W ebhooks Dashboards, de est a manera, se
demuestra que no se necesit a cont ar con un servidor, dominio web o conf iguración de
puert os para transmit ir y visualizar esta inf ormación, a dif erencia de otros microcontroladores
tales como el arduino o la raspberry pi.
2. Descripción Del Problema
Para poder diseñar la int erf az gráf ica remot a, se necesit aba enviar los dat os de los
siguient es sensores y actuadores:
• Sensores de t emperat ura T0, T1, T2, T3, T4.
• Control remoto de encendido y apagado de la plant a.
• Control remoto de st art, st op y online de la plant a.
• Control de botones manual y automát ico de la plant a.
• Control remoto de la resist encia de calef acción.
• Control remoto de la bomba de servicio y producto.
• Control aut omát ico por medio del set point de t emperat ura PID.
3. Objetivos
3.1 General
Diseñar e implement ar un sist ema que permit a supervisar y controlar la planta t érmica del
grupo INTEGRA desde int ernet, creando un laborat orio remot o en el cont exto IOT.
3.2 Específicos
1. Diseñar un programa lógico en un disposit ivo IOT que controle mí nimo 3 sensores y 3
actuadores de la plant a t érmica.
2. Diseñar un procedimient o de experiment ación remot a con la plant a t érmica.
3. Crear en una plat aforma web una int erf az que permit a la supervisión y control de la plant a
al usuario mediant e la t ecnología IOT.
4. Marco Teórico
4.1 Microcontroladores IOT
La IOT represent a una de los punt os de crecimient o más rápido en la hist oria de la
inf ormát ica, con una proyección de 50 mil millones disposit ivos de f inales de 2020[1].
Los microcontroladores IOT son microcontroladores que además de brindar un ent orno
programable al usuario, para llevar a cabo sist emas de control, mediciones, estructuras de
programaciones lógicas, brindan una nueva conexión dada entre el int ernet y el disposit ivo,
creando así un sist ema en donde los dat os recogidos por el micorcontrolador son llevados a
través de servidores web, plat af ormas o páginas web un usuario en concret o, es decir t ienen
construido int ernament e la f uncionalidad de conexión entre la nube web y el disposit ivo,
funcionando por medio de prot ocolos de conexión IPV4/ IPV6.[ 2]
IOT Historia
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Fecha de aceptación: Plant ear el inicio de I nt ernet en un solo punt o de la hist oria es una t area complicada porque
el descubrimient o del I nt ernet f ue gracias al desarrollo de dif erentes invest igaciones en varios
temas que lograran esta revolución de inf ormación llamada I nt ernet, en cada elemento de la
infraestructura de I nt ernet se encuentran precursores que impulsaron los desarrollos, la
infraestructura actual no apareció de la nada f ue necesario el desarrollo de dos temas
independient es por un lado el desarrollo de la conmutación de paquet es, generando la t eorí a
de redes de dat os, la arquit ectura y su implement ación, y el segundo element o la creación de
ARPA esta agencia f ue la inst it ución encargada de f inanciar e implement ar esta t ecnologí a,
la f usión de los dos element os se realizó a mediados de la década de 1960 lo cual condujo a
ARPANET. [ 3]
La primera descripción registrada de int eracción social por medio de la red son una serie de
memorandos escrit os por J. Licklider del MIT, en agosto de 1962, en la que entrega su
concept o de “Red Galáct ica”, imaginando un conjunt o de ordenadores int erconectados
globalment e, a través de los que t odo el mundo podrí a acceder rápidament e a dat os y
programas desde cualquier sit io, un año ant es Kleinrock público el primer documento sobr e
la t eorí a de conmut ación de paquet es y en 1964 el primer libro sobre el t ema, dando
fact ibilidad a la comunicación por paquet es en vez de por circuit os lo que dio un gran avance
a las redes inf ormát icas, otro paso import ante f ue conseguir la comunicación entre dos
ordenadores que se logró en 1965 al conect ar el ordenador TX-2 en Massachusetts con el Q-
32 en Calif ornia por medio de la lí nea t elef ónica conmut ada de baja velocidad logrando crear
la primera red de área amplia del mundo, y evidenciando que se podrí a lograr que los
comput adores pueden int eractuar, ejecut ar t areas al mismo t iempo solo que la red t elef ónica
no era el medio más adecuado para hacerlo.
En 1969 BBN instalo el primer IMP en UCLA y se conect ó el primer host en el Standf ord
Research I nst it ut e (SRI) se t uvo el segundo nodo, un mes después de la conexión del
segundo no se envió el primer mensaje de host a host desde el laborat orio de Kleinrock en
UCLA hast a el SRI, se añadieron dos nodos más en la Universidad de Calif ornia en Sant a
Bárbara y en la Universidad de Ut ah de esta manera a f inales de 1969 se t ení an 4 host s
conectados en la et apa inicial de ARPANET dando inicio a la trayect oria de I nt ernet. [4]
La estructura inicial de ARPANET se muestra en la f ig1.
Figura 1. ARPANET (Cuatro nodos iniciales 1969).
Para los desarrolladores se hizo evident e la necesidad del desarrollo de un protocolo o en
realidad de una manera de poder controlar el sist ema que habí an creado, el primer intent o de
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Fecha de aceptación: esto f ue el desarrollo del prot ocolo NCP (Net work Control Program) el cuál f ue reemplazado
por el T CP/IP que conocemos t odos en la act ualidad.
Después de la evaluación del sist ema inicial de ARPANET de cuatro nodos se fueron
agregando más redes e IMPs en ARPANET en 1971 se crean los TIPs (T erminal int erf ace
processor) en los cuales ya no era necesario conect ar un host para conect arse a la red de
ARPANET lo que genera mayor f acilidad de conexión a la red, este mismo año se crea el
modelo de correo en el cual se puede pasar mensajes entre varios comput adores usando un
programa de int ercambio de archivos experiment al llamado CPYNET, lo que al dif undirse dio
las bases para lo que se conoce hoy en dí a como correo electrónico.
A part ir de la expansión de est a red en el mundo se ha llegado a lo que en la actualidad se
conoce como I nt ernet que es una red mundial que cada día se expande más y t iene mayor
implant ación en el mundo, el servicio más conocido y dif undido de I nt ernet es la WWW
(W orld Wide W eb) que es una colección de sit ios W eb junt o a sus cont enidos W eb, cada día
nuevos sit ios aparecen y otros desaparecen y se realiza una actualización cont inua de
estos.[ 5]
4.2 ¿Qué Es El Internet De Las Cosas (IOT)?
La I nt ernet de las cosas La realización del concept o de ambiente int eligent e es un objet ivo a
largo plazo de la I nt ernet del Futuro. Por un lado se trat a de ut ilizar las posibilidades que
ofrecen la miniat urización de los sensores y actuadores. Los sensores permit en obt ener t odo
tipo de inf ormación del ent orno, desde la t emperatura, la humedad, iluminación, etc. y
transmit ir la a lugares donde est a inf ormación se procesa y se ut iliza para resolver posibles
problemas y para adapt ar los servicios a las personas que están allí. Pero, además, en
relación con la I nt ernet de las redes y los servicios, debe ser capaz de modif icar los servicios
para que estos se adapten, sin int ervención directa a las posibilidades de los t erminales y de
las redes sobre las que se transmit en.
Los objet ivos de diseño y requisit os generales del I nt ernet del f ut uro son: Escalabilidad y
ubicuidad, seguridad y robustez, movilidad, het erogeneidad, calidad de servicio, re-
conf igurabilidad, conciencia del cont ext o, manejabilidad, está centrada en la inf ormación y
aspectos económicos.
Con estos objet ivos y requisit os se espera lograr prestar dif erentes t ipos de servicios sobre la
plat aforma de I nt ernet que buscan f avorecer la ut ilización del t iempo de las personas y el
desarrollo de las dif erentes act ividades diarias del ser humano, con est e desarrollo se
esperan crear servicios en las dif erentes f acet as de la vida de las personas como lo es el
entret enimient o, act ividades del hogar, act ividades de la empresa hasta servicios de salud.
Un aspecto que se hace relevant e con el I nt ernet del F uturo en especial en el entorno del
Int ernet de las cosas es la asignación de direcciones para estos equipos, en la act ualidad ya
se está impulsando el nuevo protocolo de I nt ernet IPv6 debido a que las direcciones del
prot ocolo ant erior (IPv4) ya han sido asignadas en su t ot alidad y eran insuf icientes para las
pot encialidad de I nt ernet en la actualidad y en el f ut uro, gracias al nuevo protocolo de
Int ernet se logran alcanzar un número que sat isf ace las necesidades actuales y f uturas de
Int ernet si su asignación se logra realizar de manera adecuada. [ 6]
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Fecha de aceptación: Una vez que ya conocemos los orí genes de la IOT, el siguient e paso es def inir la y present ar
sus servicios. Aunque carecemos de una def inición est andarizada para este término,
podrí amos decir que se trat a de una red global de inf ormación y comunicación en donde
todos los objet os que nos rodean se encuentran ident if icados y conectados
permanentemente a I nt ernet y que gracias a la f uent e de dat os que proporcionan sensores y
actuadores embebidos, permit en la capt ura, almacenamient o y gest ión de t oda la inf ormación
emit ida por dichos objet os con el propósit o de aut omat izar act ividades y procesos diarios en
nuestra vida cot idiana, así como la de analizar t oda los datos generados aport ándonos
inf ormación út il que nos ayude a la correct a t oma de decisión frente las sit uaciones que se
nos present an diariament e. Es signif icat ivo dest acar que la IOT no sólo radica en conectar
objet os entre ellos y manejarlos desde un disposit ivo remot o, sino que la inf ormación precisa,
aut omat izada y en t iempo real es una caracterí st ica clave de las aplicaciones de la IOT, por
lo t ant o, la int erpretación de estos dat os desde el mundo físico probablement e dará lugar a la
incursión de diversos servicios de nuevos negocios que pueden ofrecer import ant es
benef icios económicos y sociales.[ 7]
4.3 Privacidad y Seguridad En La IOT
Uno de los riesgos que se corre con t oda esta inf ormación que generan los disposit ivos IOT
es que pueden revelar det alles í nt imos personales acerca de nuestras vidas, t ales como
nuestras necesidades médicas, int eracciones con otras personas y los hábit os personales.
En algunos casos estos dat os son ut ilizados o cedidos a t erceros, como pueden ser
desarrolladores de aplicaciones o empresas de market ing para ofrecer publicidad. El
problema es que las normas de prot ección de estos dat os no avanzan al mismo ritmo, y ant e
la expansión social que se producirá en los próximos años de la IOT, se hace necesaria una
normat iva para asegurar la privacidad de los usuarios. En est e sent ido, las leyes de
Protección de Dat os de Carácter Personal (LOPD) regulan ciert os aspect os como la
limit ación explícit a al cruce de datos con el f in de evit ar que una det erminada inf ormación se
pueda relacionar con un det erminado usuario, pero no exist e un apart ado concreto para la
IOT y el Big Dat a. Es por ello que son muchas las empresas están vulnerando la privacidad
de los datos y poniendo en jaque la privacidad del usuario.
4.4 SEGURIDAD
En cuant o a lo que respecta a la seguridad, se evidencia su pat ent e f alt a en este entorno. La
tendencia hacia la conect ividad de t odos los objet os cot idianos increment a los riesgos para la
seguridad de datos y disposit ivos, por lo t ant o, los ciberdelincuent es t endrán muchos más
objet ivos donde poder realizar sus f echorí as bien robando inf ormación concreta de un
usuario o hackeando los disposit ivos de los f abricant es. Según los expert os, hay varios
at aques que se podrí an volver comunes:
La denegación del servicio
La paralización de un servicio se agrava si t odos los disposit ivos están conect ados.
Los ataques de malware
Mediant e un código malicioso, se podrí an inf ectar cient os de ordenadores para controlar una
red de disposit ivos int eligent es o poner en peligro su soft ware. Durant e las pasadas
Navidades, más de 100. 000 disposit ivos de consumo, incluyendo frigoríf icos conectados a
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Fecha de aceptación: Int ernet y t elevisores int eligent es, ayudaron a enviar más de 750. 000 emails con malware en
todo el mundo.
Violaciones de datos
Espiar las comunicaciones y recopilar inf ormación sobre estos disposit ivos (que además
pueden almacenar inf ormación en la nube) se convert irá en otro de los ataques más
frecuent es, compromet iendo nuestra privacidad. Nuestra inf ormación conf idencial no solo
puede sufrir at aques específ icos, sino que t ambién puede perderse o verse expuest a
accident alment e si los disposit ivos no protegen debidament e la privacidad.
Los ataques a la seguridad de nuestro propio hogar
La mayorí a de f abricant es de estos disposit ivos no han t enido en cuent a que la seguridad era
necesaria y muchos carecen de mecanismos para proteger la inf ormación debidament e.
Todo ello pone de relieve la necesidad de que las empresas, f abricant es y usuarios empleen
los mecanismos necesarios para mit igar estos ataques, proporcionado por ejemplo
mecanismos de actualización de f irmware y mét odos de encript ación más robust os por part e
de las compañí as y recurriendo a f uert es polít icas de contraseñas por part e de los
usuarios.[ 31]
4.5 Aplicaciones
Una vez que se han presentado dif erentes plat aformas software, es moment o que hablemos
de los principales ámbit os de aplicación de la I nt ernet de las cosas. La I oT ha evolucionado
tanto en los últ imos años que práct icament e a día de hoy abarca cualquier campo de la vida
que podamos imaginar, sin embargo , aquí describiremos los que mayor evolución y
prot agonismo están alcanzando estos últ imos años.
Smart Home
El Smart Home o Casa int eligentes es sin duda uno de los campos de aplicación, en el que el
int ernet de las cosas más ha apost ado en los últ imos años y en el que más proyectos se
llevan a cabo por empresas y part iculares. Las aplicaciones en esta área son muy variadas
desde control de t emperat ura de la vivienda, subir y bajar persianas remot ament e, pasando
por frigoríf icos int eligent es que nos avisan cuando se nos acaba algún aliment o incluso
puede hacer un pedido por nosotros a la t ienda si así lo deseamos. Muchas son las
empresas que están apost ando por Smart Home. Por ejemplo la empresa guipuzcoana
W att io, ofrece una solución f inal de Smart Home, list a para el usuario f inal la conecte en su
hogar. Pero por supuest o el rey en este t ipo de t ecnologí a es sin duda Zigbee, con una
amplia experiencia y con una red de sensores muy ut ilizada en este ámbit o.
La I oT abre un mont ón de oport unidades para los escrit ores de aplicaciones creat ivas.
Comencemos con un refrigerador int eligent e. Compra sus alimentos en lí nea y son enviados
a su casa. Esto se conviert e en vent ajoso para las t iendas de aliment os y f abricant es de
product os para agregar et iquet as RFID a sus productos. La refrigeradora sabe qué es lo que
tiene dentro, gracias a repisas sensibles al peso y las f echas de expiración. También puede
ayudar a que usted mantenga una list a de aliment os, aut omat ice las órdenes y se le provea
de inf ormación nutricional.
Por ejemplo, digamos que decide t omar una copa de helado del congelador. Cuando eso
sucede, un parlant e inalámbrico conect ado anuncia, en voz alt a: “Por f avor, reconsidere est a
selección. Según lo solicit ado, aquí está su más recient e peso e í ndice de masa corporal”. El
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Fecha de aceptación: parlante inalámbrico est á report ando dat os recogidos de la balanza del baño. La balanza
nunca f ue diseñada para comunicarse con un refrigerador, pero un escrit or de aplicación lo
hizo vinculando los dat os de la báscula y el refrigerador. Esta combinación de balanza –
refrigerador – parlant e puede parecer una t ont erí a, pero aquí está el punt o: En la IoT, los
escrit ores de aplicaciones ahora t ienen la capacidad de conect ar cosas aparentement e
dispares para crear nuevos t ipos de f uncionalidad.
Smart City
Las ciudades int eligent es es otro campo por el que empresas e inst it uciones est án apostando
últ imament e. El concept o es muy simple, t ener la mayor cant idad de dat os para f acilit ar la
vida al ciudadano. Sus aplicaciones van desde el Smart Parking, indicando al conductor
donde hay un hueco libre para poder aparcar, el Smart Traff ic indicando en t iempo real el
tráf ico en la ciudad y rut as alt ernat ivas, pasando por una gest ión ef icient e del alumbrado de
la ciudad. Esto son solo unos ejemplos de lo que se pretende implement ar con est a
tecnologí a, su f ut uro es muy promet edor sobre t odo viendo como muchas comunas y
empresas est án apostando clarament e por convert ir las ciudades en un ecosist ema más
int eligent e y conect ado. Hay empresas están especializándose en esta área, de las que
hemos coment ado anteriorment e destacan Blaulabs y Carriot s, son dos empresas que se el
Smart City es un área en el que se están centrando.
Agricultura Inteligente
A pesar de que le está costando arrancar en este medio, probablement e por ser un área en
el que la evolución t ecnológica nunca ha sido una prioridad, sí que se est á intent ando
revolucionar la f orma en la que trabajan los agricult ores. Por ejemplo t enemos una empresa
Española Libelium, que comercializa las placas W aspmot e que est án apost ando por la
Agricult ura int eligent e. Sus aplicaciones van desde monit orizar los cult ivos, herramient as de
soport e para la t oma de decisiones, controlar aut omát icament e riego, prot ección de heladas,
fert ilización. La agricult ura int eligente se convert irá en el campo de aplicación más import ant e
en los paí ses predominant ement e agrí cola.
Wearables
Son disposit ivos de consumo, en la actualidad están t omando una gran popularidad, debido
al crecimient o del sect or. Encontramos pulseras que nos monit orizan durant e t odo el dí a y
nos dicen los paso que hemos andado y las calorí as consumidas, relojes int eligentes que se
conectan con nuestro Smartphone, en el ámbit o deport ivo t ambién hay un mercado al alza
desde relojes que monit orizan nuestro pulso, hast a nuestra cadencia a la hora de correr..
Empresas como Garmin con su producto Vivof it que es una pulsera que monit oriza los pasos
que damos al cabo del dí a y a través de una web podemos visualizar una gran cant idad de
dat os como dist ancia recorrida, calorí as quemadas.[ 7]
4.6 Como Funciona y Limitancias
Los Gateways proporcionan la infraestructura de enrut amient o para la comunicación a través
de disposit ivo dif erent e subredes, así como entre el disposit ivo redes y la nube. Lo que hace
que las puert as de enlace en el espacio de la IOT dist int a de puert as de enlace tradicionales
en la I nt ernet es la necesidad de cómput o local.
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Fecha de aceptación: Los dat os transmit idos por los disposit ivos de borde son normalment e somet idos a análisis
en la nube; Sin embargo, dada la gran cant idad de datos generados de los sensores es
demasiado caro para transmit ir t odos los dat os en brut o a la nube y realizar analít icas
centralizadas. En consecuencia, las puert as de enlace son responsables de la ident ificación
de inf ormación ut ilizable a part ir de datos en bruto, la realización de análisis locales, y
transmit ir el result ado a la nube cuando necesario; correspondient ement e, t ambién son a
menudo responsable de traducir los result ados de análisis de dat os en las decisiones de
control de los disposit ivos de borde, por ejemplo, si los dat os sensoriales son la t emperatura
Los dat os y la analít ica ident if ica f uego, entonces el mit igación de acción puede ser par a
act ivar los disposit ivos responsable de la lucha contra incendios.
4.7 Los Servidores De La Nube
O también llamados centros de dat os son el principal caballo de batalla de la comput ación en
la IOT ecosist ema. La nube proporciona almacenamient o compart ido, inf ormación, y la
pot encia de cálculo de la IOT ecosist ema. Para aplicaciones tí picas de la IOT, la nube recibe
inf ormación sensorial desde el borden disposit ivos a través de enrut adores y puert as de
enlace, y llevar a cabo extensos análisis para extraer út il inf ormación. La inf ormación
generada puede ser ut ilizada post eriorment e para desarrollar at enuant e acciones, como en el
caso del ejemplo de lucha contra incendios encima.
4.8 Web de las cosas
Como se discut ió ant eriorment e, la estructura de la IOT es una conect ividad infraestructura
para objet os o "cosas" a comunicarse entre sí en el amplio ecosist ema de miles de millones
de disposit ivos. La Rueda del Tiempo se ref iere a las aplicaciones y software est ilos
arquit ectónicos en la part e superior de la IOT: la principal preocupación es la de incorporar
física objet os en la infraestruct ura de la IOT, proporcionando ellos API, y la int egración y
reut ilizarlos en varias aplicaciones de IOT. La f unción de la Rueda del Tiempo en el
infraestructura de la IOT es análoga a la de la solicit ud capa en la pila OSDI de la Int ernet.
Por ejemplo, algunos de los escenarios de la IOT requieren la int eracción en t iempo real
entre las cosas, sino el desarrollo de aplicaciones puede implicar una int eracción muy
compleja de un número de prot ocolos y ambientes; el objet ivo de la Rueda del Tiempo es
proporcionar herramient as y APIs para f acilit ar t al desarrollo. La Rueda del Tiempo se
construye reut ilización. Los estándares web exist ent e, por ejemplo, JSON, HTTP, REST,
W ebsocket s, etc. Tenga en cuent a que est as t ecnologí as f ueron creados principalment e par a
ordenadores de sobremesa; la int egración estas capacidades para disposit ivos embebidos y
finalment e a la virt ualización de los objet os físicos es un import ant e área de extensión.
Terminamos esta sección con una discusión de uno principales limit aciones para la IOT, la
necesidad de una gran red abordar el espacio para manejar el aumento de las conectada
Disposit ivos. Comunicación a través de I nt ernet pasa a través de protocolo de I nt ernet (IP), y
requiere una dirección dist int a para la comunicación disposit ivos. El IP dominant es en la
actualidad es IPv4, que era introducido por ARPANET en 1983. Desaf ort unadamente, IPv4
ut iliza direcciones de 32-b, que permit en solamente 4.3 mil millones de direcciones únicas
que lo hace inadecuado para la IOT. Esto ha llevado al desarrollo y despliegue de un
prot ocolo sucesor, IPv6, que ut iliza direcciones de 128-b. Además, IPv6 permit e jerárquica
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Fecha de aceptación: mét odos de asignación de direcciones, y las instalaciones apoyo a la movilidad y la
seguridad del disposit ivo. En Por otro lado, IPv4 e IPv6 no están diseñados para ser
int eroperables, haciendo una transición suave en la escala de la I nt ernet un ret o. Esto ha
llevado a la creación de varios mecanismos de transición que permit en la comunicación entr e
IPv4 e IPv6 anf it riones. Finalmente, IPv6 es difícil de usar para disposit ivos de baja pot encia,
por ejemplo, se supone que el disposit ivo est ará disponibles permanent ement e, mient ras que
en baja pot encia disposit ivos deben reducir la cant idad de t iempo act ivo para conserva
energía. Para hacer frente a esto, otro prot ocolo llamado IPv6 a través de baja pot encia de
área personal inalámbrica redes (6LoW PAN) est á diseñada para los disposit ivos de baja
pot encia. En part icular, se def ine cabecera mecanismos de compresión y encapsulación par a
Los paquet es IPv6; esto permit e su transmisión a través de IEEE 802. 15. 4 redes que permit e
la conect ividad a I nt ernet a velocidades de dat os bajas adecuadas para baja potencia de los
disposit ivos.[ 8]
Figura 2. Estructura internet de las cosas.
4.9 Software
Mientras que la IOT puede conf iar en la infraestruct ura de hardware exist ent e en gran
medida, el nuevo software debe ser escrit o para apoyar la int eroperabilidad entre numerosos
disposit ivos het erogéneos y la consult a de los dat os generados por ellos.
El middleware IOT incluirá un gran número de het erogénea disposit ivos que generan
enormes cant idades de variables dat os. El middleware de la IOT se encuentra entre el IOT
de hardware y de dat os y las aplicaciones que los desarrolladores crear para explot ar la IOT.
Por lo t anto, la IOT middleware ayuda reunir una mult it ud de disposit ivos y dat os de una
manera que permit e a los desarrolladores crear y desplegar nuevos IOT servicios sin t ener
que escribir código dif erent e para cada t ipo de f ormat o de dat os o disposit ivo. Muchos
invest igadores han propuesto el uso de semánt ica middleware para int erpolar las diferent es
clases de disposit ivos la comunicación a través de dif erent es f ormatos de comunicación.
El modelo semánt ico normalmente ut iliza XML y ont ologí as para establecer los met adat os y
el signif icado necesario para apoyar int eroperabilidad (Aberer et al 2006;. Gómez-Goiri y
López-de-I piña 2010; Huang y Li 2010a; Song et al. (2010).
Al igual que la web semánt ica, middleware semánt ica pret ende crear un marco común que
permit e el int ercambio de datos e int ercambio a través de disposit ivos, aplicaciones
distribuidas y ubicaciones. Buscando navegadores actuales y los motores de búsqueda se
diseñado para mostrar cont enido web y el í ndice relat ivamente estable. Sin embargo, los
objet os de la I oTwill ser móvil, dinámico, y la volunt ad generar cant idades masivas de
inf ormación que cambia frecuent ement e.
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Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación: Por lo t ant o, exist e la necesidad de un navegador de la IO que es capaz la ident if icación de
objet os int eligentes, descubriendo sus servicios y int eractuar con los objetos (García-Mací as
et al. 2011), así como un mot or de búsqueda de la IO que es capaz de buscar la cambiando
rápidament e la inf ormación generada por los objet os habilit ados para la IO (Ostermaier et al.,
2010).[ 9]
4.10 IOT Para Automóviles, Viviendas, Edificios, Cuidados De Salud y Plantas
Industriales
La IOT prevé un aut o-conf iguración, la red de adapt ación y complejo de int erconexiones de
las "cosas" a través de I nt ernet además del uso de la norma prot ocolos de comunicación.
El int erconect ado las cosas t ienen física o represent ación virt ual en el mundo digit al, sensor /
accionamient o capacidad, una capacidad de programación f unción y est amos único de
ident if icación.
La represent ación cont iene inf ormación, incluyendo la cosa de ident idad; estado; ubicación; o
cualquier otro negocio, social o privada inf ormación relevant e. Las cosas ofrecer servicios,
con o sin la int ervención humana, a través de la explot ación de ident if icación única, capt ur a
de dat os y comunicación, y la capacidad de accionamiento. El servicio es explot ado a través
Del uso de int erf aces int eligent es y se pone a disposición en cualquier lugar, en cualquier
moment o, y por t omar a la seguridad en consideración. Estas def iniciones se centran en la
tecnologí a desde la perspect iva de las aplicaciones, la IOT soluciones est án siendo
concebidas e implement adas en t odo el espectro: casas y edif icios, plant as industriales,
aut omoción y otros vehí culos, cuidado de la salud, y ejemplos destacados de infraestructuras
el últ imo se incluyen las redes int eligent es, ciudades int eligent es y sist emas de transport e
int eligent es. Las consideraciones que mot ivan en estos y otros dominios son la ef iciencia
energét ica y la product ividad, la seguridad y la seguridad, y comodidad y conveniencia.[10]
Figura 3. Control industrial IOT.
4.11 Planta De Tratamiento Térmico De Leche
El trat amient o t érmico t iene como propósit o f undament al destruir los microorganismos
pat ógenos present es en la leche a través del calor. Se considera una de las operaciones
básicas puesto que permit e prolongar el t iempo de vida út il de la leche y sus derivados. Es
así que el t rat amient o t érmico es dest inado principalment e a reducir el cont enido microbiano
y en ese sent ido, es import ant e que cumpla con requisit os como:
• El % de microorganismos eliminados debe superar el 99% y si se trat a de pat ógenos
debe alcanzarse el 100%.
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Fecha de aceptación: • El t rat amient o t érmico que se aplique debe ser el más adecuado; de manera, que el
aliment o conserve en la mayor medida posible el valor nutricional de este así como sus
característ icas sensoriales. Así como t ambién en sus característ icas f isicoquímicas.
• La rentabilidad del sist ema debe ser bastant e f avorable y la inversión en equipos lo
más bajo posible.
Según lo ant erior, Spreer et al. (1975) af irma que es import ant e t ener en cuent a los
siguient es parámetros en la leche cuando es somet ida a trat amient o t érmico:
1. Temperat ura y t iempo del calent amient o
2. Tipo y número de microorganismos
3. pH de la leche
4. Movimient o de la leche y velocidad de la transmisión de calor en los equipos.
Se t iene que la relación entre la t emperat ura y el t iempo de calent amient o es logarítmica en
lo ref erent e a la destrucción de microorganismos. En ese sent ido, Spreer et al. (1975)
manif iest a que si la t emperat ura se eleva en 10ºC, la carga microbiana desciende en 1/ 10 del
valor inicial.
Es import ant e considerar que la calidad higiénica de la leche cruda que ingresa a la plant a,
debe ser controlada a través de las pruebas de calidad que se hacen en la recepción de la
leche en plat aforma por medio de recuent o de células somát icas y el t iempo de reducción del
azul de met ileno especialment e. Lo ant erior, garant iza que el t iempo y la t emperatura de
calent amient o seleccionado en la plant a es el más adecuado. En ese sent ido, no es
convenient e modif icar las t emperat uras y t iempos por más alt as o prolongados porque
pueden darse modif icaciones en la estructura y composición de la leche. Estos cambios
provocan especialment e modif icaciones en las sustancias nit rogenadas, sales minerales y
cont enido vit amínico.
A cont inuación se muestran los dif erent es sist emas de calent amient o relacionando la
temperat ura y el t iempo de trat amient o t érmico.
Tabla 1. Temperatura vs tiempo planta de proceso termico (leche).
4.11.1 Sistemas de calentamiento
Es evident e que el sist ema de trat amient o de la leche depende de la calidad higiénica e la
leche cruda y del dest ino que se le dé a la leche. En ese sent ido, por ejemplo es usual que
en la f abricación de quesos frescos en las pequeñas industrias se emplee bajas
temperat uras y largo t iempo (65ºC durant e 30 minut os) ut ilizando una marmit a de doble
camisa y en ese caso es f undament al que se cumpla con una muy buena calidad higiénica
de la leche en el sent ido de que la carga microbiana con que llegue a la plant a sea lo más
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Fecha de aceptación: reducida posible. En las grandes empresas se ut ilizan pasteurizadores de placas por el
menor riesgo de cont aminación y la mayor seguridad que se t iene en el proceso;
ent endiendo que los volúmenes de producción son mayores de 10. 000lt por bache de
producción y los riesgos de cont aminación trabajando en sist emas abiert os son grandes. A
cont inuación se present an los sist emas de calent amient o exist entes más adelant e se
det allara el f uncionamient o de los equipos ut ilizados para este propósit o.
4.11.2 Pasterización baja o lenta
Este sist ema responde de mejor manera a la conservación nutricional de la leche pero el
ef ect o germicida no es muy ef icaz cuando la leche llega con una carga microbiana alt a a la
plant a. De otra part e, las instalaciones ocupan bast ant e espacio con limit ada capacidad de
pasterización por bache lo que hace que se considere un sist ema no t an rent able. La
temperat ura de trat amient o t érmico es de 63 a 65ºC durant e 30 minut os. Se ut ilizan tanques
de doble camisa provist os de agit ador y t ermómetro. Por el int erior de la doble camisa circula
el f luido calef actor y el refrigerant e.
4.11.3 Pasterización Rápida
Es el sist ema que se emplea con mayor frecuencia pues los cambios en las estructuras de
las prot eínas no son t an not ables así como la precipit ación reducida de sales y la f osfatasa
alcalina son inact ivada. Este sist ema es uno de los más económicos por cuant o no requier e
de grandes espacios y el calor se recupera en una proporción del 80 al 90%. La t emperat ura
de trat amient o t érmico es de 71 a 74ºC durant e 40 a 45 segundos. La pasterización rápida se
realiza en un pasteurizador de placas.
4.11.4 Pasterización alta
Este sist ema es preferent e por su elevado efecto germicida; entonces, es ideal ut ilizarlo
cuando la calidad higiénica de la leche cruda es def icient e. Sin embargo, las modif icaciones
fisicoquímicas en la leche t ienen un mayor ef ecto. En ese sent ido, Spreer et al. (1975) dice
que es posible que se dé la coagulación del 20% de la albumina y globulina. La capac idad de
formación de grasa en la leche t ambién se ve disminuida por cuanto hay desnat uralización
de la euglobulina de los glóbulos grasos. De otra part e, se t iene que la caseí na no se af ect a
por encima de t emperat uras del orden de los 120ºC; sin embargo, la t emperat ura de la
pasterización alt a af ecta el t iempo de coagulación de la leche en los procesos de queserí a,
también se t iene una mayor precipit ación de sales como el f osfato cálcico que increment an la
cant idad de residuos sólidos en las superf icies de las placas de los int ercambiadores de
calor. La t emperat ura de trabajo en la past erización alt a es de 85ºC durant e un t iempo de 8
segundos.
Uno de los controles que se llevan en plant a con el f in de verif icar el manejo adecuado de
temperat uras y t iempos de trabajo corresponde a la valoración de la enzima peroxidasa la
cual se inact iva a 85ºC. En ese sent ido, en los sist emas de past erización alt a la prueba par a
la det ección de la enzima peroxidasa debe ser negat iva. Por su part e la presencia de enzima
fosfatasa alcalina es sí nt oma de que se t uvieron def iciencias en el manejo de t emperatura y
tiempo de trabajo para la past erización rápida.
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Fecha de aceptación: 4.11.5 Ultra pasterización
También denominada UHT. La reducción de la carga microbiana es bastant e elevada por la
acción de una alt a t emperat ura en un breve espacio de t iempo. Siendo la t emperat ura entre
135 hasta 150ºC por un t iempo de 2 a 8 segundos. Se t iene que las modif icaciones
fisicoquímicas se suceden en igual proporción a las que se dan en la pasterización alt a. La
ult ra past erización se emplea en la producción de leche como bebida y de leches
saborizadas; los costos de instalación son más elevados que para los sist emas de
pasterización rápida y alt a por el consumo de energí a y el grado de aut omat ización. La
siguient e imagen muestra un sist ema de ultra past erización [ 11]
Figura 4. Pasteurizador de flujo continuo leche.
4.12 Planta Térmica De Integra
En la actualidad la educación en ingenierí a lleva al estudiant e a t ener bases teóricas
import ant es para su desempeño profesional. pero a la hora de su ubicación laboral, muchos
de ellos no han t enido ningún t ipo de cont acto con la industria o por lo menos un
acercamient o con esta. Algunos habrán observado un proceso industrial en una visit a
técnica, pero sin la realización de alguna práct ica, ya que serí a muy costoso para la empresa
tener un proceso para que los estudiant es puedan int eract uar con los equipos e
instrumentos, por lo que hace f alt a algo que los acerque un poco a los sist emas de control
con los cuales van a t ener cont acto. Exist en equipos didáct icos en el mercado,
especializados en alguna part e del proceso industrial, pero algunos carecen de un enf oque
cercano a la realidad, además de no involucrar t odo el proceso, o la mayor part e de él, desde
los instrument os y actuadores, hasta el control y sist ema de supervisión.
La necesidad de los est udiant es de t ener algún cont acto con los sist emas de control en la
industria durant e su proceso educat ivo, antes de entrar en el ámbit o laboral par a
familiarizarse con la realidad, hace que se requieran sist emas didáct icos de procesos de
control industrial, que involucren desde la instrument ación, el control, hasta el sistema de
supervisión, para poder int eractuar con un proceso real de ingenierí a a través de prácticas de
laboratorio.
El diseño de este proyect o brinda una nueva herramient a a los docentes en el área de
Control e I nstrument ación para acercar a los estudiant es en las implement aciones de
sist emas automát icos, mejorando las compet encias en dichos campos y mostrando una
panorámicas más clara de los procesos industriales.
El desarrollo de una solución educat iva para sist emas SCADA permit irí a que los estudiant es
se vean más f amiliarizados con los procesos industriales reales durant e su proceso
educat ivo, al t ener conocimient os sobre dif erent es sist emas el sector laboral reconoce la
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Fecha de aceptación: idoneidad t écnica de los estudiant es, lo que les permit e una mejor ubicación en un ent orno
laboral. [ 12]
Figura 5. Actuadores planta térmica integra.
Figura 6. Sensores de temperatura planta térmica integra.
5. Metodología
Se propuso un sist ema que permit ió monit orear las variables de la plant a desde int ernet,
este sist ema muestra mediante una int erf az gráf ica, las variables de t emperat uras de la
plant a. Con ayuda de una W ebhook las variables se visualizaron por medio de slides y
graf icas de comparación entre T0 vs set point y una gráf ica por T3.
En segundo lugar, se diseñó un SCADA en donde f uera posible la act ivación y
desact ivación de los actuadores de la plant a remot amente.
En t ercer lugar, se creó una advert encia que nos det alla si las órdenes dadas por el operario
llegaron a la plant a o si por el contrario se perdieron en el intercambio de dat os, est o se logr a
mediant e la t ecnologia IOT del part icle phot on.
Se emplearon programas de grabación por macros, que se act ivan después de recibir una
orden dada por el usuario.
Los dat os de int ernet f ueron entregados por medio de un celular que result o muy út il ya que
si exist e una pérdida de conexión podremos obt ener el control remot o del celular (bajo
crit erios de seguridad por perdida de conexión).
Se implement ó un relé para el prendido y apagado del PLC, dando a conocer un ejemplo
análogo del int ernet de las cosas.
Finalment e se instaló una cámara con el f in de mostrar mediant e streaming el proceso del
control y las circunstancias en que se encuentra físicament e la plant a y la operación de la
int erf az gráf ica de labview, aunque f ue reemplazado por la aplicación t eam viewer. .
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Figura 7. Interfaz gráfica remota (HTML).
6 Montaje experimental
6.1 Planta Térm ica de Integra
Es una plant a de simulación industrial, su objet ivo es la supervisión y el control de las
variables de Temperat uras y caudal, mediant e un sist ema de control (proporcional, int egral
derivat ivo o PID).
En conjunt o con el programa de supervisión graf ica de labview se obt iene un cont rol par a
hacer dif erent es práct icas en un ambient e industrial, pues cuent a con un PLC como base
central del proceso, que se comunica por protocolo modbus RS232.
6.2 Instrumentación
6.2.1 Termocuplas PT100 y PT1000
La PT100 es un sensor de t emperat ura que a 0 °C t iene 100 ohms y que al aument ar la
temperat ura aument a su resist encia eléctrica. Este sensor PT 100 es el corazón sensible a la
temperat ura de cualquier t ermómetro de resist encia. Apart e de la f orma de mont aje, son sus
característ icas las que básicament e determinan las propiedades t écnicas de medida del
sensor. El increment o de la resist encia de la PT 100 no es lineal pero si crecient e y
característ ico del plat ino de t al f orma que mediant e t ablas es posible encontrar la
temperat ura exacta a la que corresponde. Normalment e las sondas PT 100 industriales se
fabrican encapsuladas en la misma f orma que los t ermopares, es decir dentro de un tubo de
acero inoxidable u otro mat erial (vaina). En un extremo est á el element o sensible (Sensor
RTD) y en el otro está el t erminal eléctrico de los cables prot egido dentro de una caja
redonda de aluminio (cabezal).
Dependiendo de la f orma de construcción, la part e bobinada de las PT 100 en f orma de hilo o
cint a de plat ino, sensible a la t emperat ura, va encapsulada en un cuerpo cerámico o de
vidrio, o bien se encuentra como f ina capa sobre una plaquit a cerámica. Los t erminales del
element o de medida están unidos a la part e resist iva act iva de f orma que resist an a las
vibraciones. En el caso de las PT100 múlt iples, las bobinas respect ivas se ident if ican por el
dif erent e largo de los pares de t erminales. El principio act ivo de las PT 100 es la modificación
de su resist encia eléctrica, que varí a según la t emperat ura a la que son somet idas. Como
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Fecha de aceptación: element o ext endido, la PT100 recoge el valor medio de la t emperat ura exist ent e a toda su
longit ud [ 13].
Figura 8. Sensor termocupla Pt100.
6.2.2 Bombas Hidráulicas
Una bomba hidráulica es un medio para convert ir energí a mecánica en energí a fluida o
hidráulica. Es decir las bombas añaden energía al agua.
Bombas de engranaje int erno
En una bomba de engranaje int erno hay un espacio mí nimo entre los dient es de engranaje
de la part e superior y la part e del f ondo de la caja entre los dient es que se int ercalan. El agua
entra y es atrapada entre los dient es de engranajes llevando el f luido hacia el lado de alt a
presión, donde es comprimida y enviada hacia af uera a través del espacio entre los
engranajes [ 14].
Figura 9. Bomba hidráulica engranajes.
6.2.3 Rele industria l 11 pines
Un relé es un disposit ivo electromecánico que nos permit e la conmut ación de una lí nea
eléctrica de media o alt a pot encia a través de un circuit o electrónico de baja pot encia. La
principal vent aja y el mot ivo por el que se usa bast ant e en electrónica es que la lí nea
eléctrica está complet ament e aislada de la part e electrónica que controla el relé. Es decir,
podemos construir un circuit o electrónico (un t emporizador, una f ot océlula, et c.) y, a través
de un relé, controlar cualquier t ipo de aparat o conect ado a la red eléctrica.
Un relé está compuest o por una bobina, una armadura met álica y un grupo de cont actos que
pueden ser conmut ados a través de un campo magnét ico generado por la bobina.
Cuando el pulsador hace cont acto, pasa corriente eléctrica por la bobina y por lo tant o se
crea un campo magnét ico. Este campo magnét ico atrae la armadura que, acercándose al
núcleo de la bobina, mueve los contactos del relé ef ectuando la conmutación [ 15].
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Figura 10. Relé industrial 11 pines.
6.2.4 PLC Delta Electronics DVP-12SA
El PLC de Delt a Electronics DVP-12SA, que cuenta con 8 entradas digit ales y 4 salidas
digit ales, comunicación RS232 y RS485 para programación y comunicación (es compat ible
con MODBUS); para las variables análogas se ut ilizó el módulo de expansión DVP-06XA el
cual cuent a con 4 entradas análogas 4-20mA ó 0-10V y 2 salidas análogas 4-20mA ó 0-10V
[4].
Figura 11. PLC.
6.2.5 Tablero de control
La planta t érmica de int egra cuent a t ambién con instrumentos como la resist encia de
calef acción, dos t anques de almacenamiento de agua, int ercambiador de calor, f uent e de
poder, variador SEW, f uent e de 24V DC tablero de control, enfriador radiador, además de
muchos otros, los cuales se pueden ver det alles de su calibración control y manejo en la
monografí a Carol [ 12].
Figura 12. Tablero de control.
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Figura 13. Planta térmica del grupo (integra).
6.3 Interfaz Grafica Labview
Su int erf az gráf ica, está programada en labview. En ella muestra t odos sus parámetros
controlables, t emperaturas, caudal, presión, variaciones, alert as, mediciones de nivel del
agua en el t anque de calef acción, velocidad del variador, gráf icas y control PID. Además de
fórmulas que permit en la modif icación de las const ant es PID que han sido probadas en
laboratorios ant eriores junt o al complement o mat lab.
Figura 14. Interfaz gráfica labview.
Figura 15. Código labview.
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Fecha de aceptación: 7. IOT Laboratorio Remoto
En el IOT laborat orio remot o se reprogramaron los programas de control, programación del
PLC y de int erf az gráf ica labview, Además de programación del microcontrolador IOT, código
HT ML JavaScript y software de macros de programación.
Con el f in de poner una expansión de esta plant a a int ernet, se creó un mini-scada en HTML.
Su propósit o es mostrar una int erf az en donde el operador pueda monit orear las diferent es
temperat uras e int eractuar con los dif erent es actuadores, manualment e como
aut omat icament e, creando así un laborat orio remot o en el cont exto IOT.
Está diseñada para que t odas sus visualizaciones sean accesibles de f orma inmediata y t odo
en una misma pant alla, ot orgando asi el control y supervision en una int erf az amigable par a
el usuario.
Figura 16. Diagrama de bloques IOT.
7.1 Programación En Labview
El programa se diseñó en el siguient e orden:
• Programación del puert o serie visa RS232
• Export ación de las variables.
• Lectura de los dat os de envió del microcontrolador part icle phot on (rangos).
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Fecha de aceptación: 7.1.1 Programación Del Puerto Serie Visa RS232
El part icle phot on (microcontrolador IOT) es conectado al comput ador por medio del puert o
USB, protocolo RS232, de est a ref orma se export o t odos los dat os de los sensores de la
plant a a int ernet. Se ut ilizó la herramient a visa y se conf iguro el puert o COM, velocidades,
paridad, puert o, así se pudo hacer el reconocimient o del part icle phot on desde labview.
7.1.2 exportación de variables
La herramient a Format I nt o String es una f unción de labview que permit e dar f ormato a una
cadena de caracteres agrupados, de est a f orma se conf iguro el f ormat o de la cadena string a
ser mandada por el puert o de comunicaciones RS232.
7.1.3 Lectura de los datos de envió del microcontrolador particle photon (rangos)
Este es el punt o clave del proyect o. Cuando el part icle phot on, recibe una orden de int ernet,
la t ransforma en un carácter ASCII (números) que son enviados por el puert o serie, labview
se encarga de reconocerlo y dependiendo de la conf iguración de la herramienta I n Range
and Coerce reconoce este número que envía a la herramienta Match True/False String.
La combinación lógica se act iva después de que la f unción Match True/F alse String
reconozca el número, como result ado obt enemos el control, desde el encendido de la plant a
hasta el prendido y apagado de dos actuadores al mismo t iempo sin errores de combinación.
Tiene además bot ones boléanos que indican al usuario si la señal de int ernet llego o si por el
contrario se perdió, además de mostrar los números ASCII recibido del part icle phot on.
Muchas otras f unciones f ueron necesarias para construir la estruct ura de programación bajo
la ventana labview.
Figura 17. New interface labview.
Figura 18. Range code.
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Fecha de aceptación: 7.2 Programación particle photon (IOT microcontroller)
El part icle phot on es un microcontrolador IOT, quiere decir que brinda conexión directa a
int ernet. Está diseñado explí cit ament e para conectarse a int ernet sin necesidad de módulos
WIFI o algún otro t ipo de módulos de expansión. A dif erencia de la gran cant idad de
microcontroladores del mercado, el part icle photon int egra de f ábrica una t arjet a WIFI ya
conf igurada que le permit e conect arse a cualquier modem con protección W EP, WPA,
WPA2, WPA2/ PSK, mediant e comandos enviados a través del puert o de comunicaciones
COM.
Los punt os f uert es y f avorables de este microcontrolador es que no necesariamente se t iene
que crear un dominio o host en int ernet para transmit ir y mostrar la inf ormación recogida por
el part icle phot on. De igual manera, no se t ienen que conf igurar los puert os del modem que
provee su conexión, pues posee un servidor que brinda soport e directo a sus conexiones en
la red.
Por últ imo, este microcontrolador brinda la ut ilidad de poder conect arse a otras páginas
secundarias llamadas webhooks dashboards, que t ienen como f inalidad mostrar de una
manera amigable al usuario, los dat os que se reciben desde su part icle photon. Por esto se
llama t ecnologí a IOT.
Nuestro part icle phot on se programa bajo el lenguaje C y C++ muy similar al arduino, de est a
forma t iene la posibilidad de int egrar librerí as ya hechas para su f uncionalidad [ 16, 17].
En el código del part icle photon se programó 2 cosas principales, la primera leer el puert o
serie y la segunda mandar un número carácter ASCII. para que esto f uncione se conf iguran
de la siguient e manera:
• Lectura del puert o COM (recibiendo los dat os de labview y enviándolos a int ernet)
• Escrit ura de caract eres en el puert o COM dependiendo de la señal dada desde
int ernet.
7.2.1 Lectura del puerto COM (recibiendo los datos de labview y enviándolos a
internet)
Esta programación t iene como f in, recibir los dat os de labview, son 5 sensores de
temperat uras puestos en dif erent es posiciones de la planta. El código se encarga de separar
el string de caracteres que enví a labview en 5 variables doubles o f loat, de est a forma se
obt iene tres números ent eros separados por comas para cada variable, con el f in de obt ener
una mejor precisión de t oma de t emperat uras. Una vez t omada los datos de lectura se deja
pasar un t iempo de aproximadamente 2 segundos haciendo referencia al refresh de la página
de int ernet, es decir cada 2 seg después de t omar la lect ura del puert o COM refresque la
página de int ernet a la cual se est án enviando los dat os..
7.2.2 Escritura de caracteres en el puerto COM dependiendo de la señal dada desde
internet
La int erf az web t iene varios botones, al oprimir alguno de ellos, se envía una señal, est a
señal es realment e una palabra que se conect a a la ID única y acces t oken del part icle
phot on. Cuando el part icle phot on est á conect ado a int ernet, este se encarga de entender la
palabra y mediant e una f unción creada conviert e esta palabra a un carácter que se envía por
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Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación: el puert o COM mediante RS232. Cada bot ón t iene una palabra al igual que t odas sus
combinaciones posibles.
Además de estas conversiones, t ambién t iene la programación de modif icar diferent es
parámetros de la página o webhooks a la cual se est á llevando los dat os de lecturas.
Figura 19. Codigo estructura de programacion particle photon.
7.3 Programación página web HTML
El código se diseñó en block de not as, sin ningún programa de edición de código HTML o
diseño web. En él se incluyen librerí as o comandos de JavaScript que ayudan a visualizar de
manera más gráf ica y dinámica la int erf az, ayudando al usuario a t ener más dominio, tiempo
respuesta y supervisión de lo que está pasando con la plant a en t iempo real.
La página WEB es bastant e segura. Para su acceso, es necesario t ener el archivo HTML
(que se encuentra alojado en los servidores de carga y descarga). De igual manera, se
necesit a t ambién, un usuario y contraseña (login) para poder acceder a la supervisión
remot a de la planta.
Las t emperat uras más import ant es como lo son T 3 y T0, set point, se visualizan de diferent es
formas, además de cont ar con un video t ut orial incluido de su manejo y los programas de
control del laborat orio remoto manual/ aut omát ico, en el cual el usuario puede seguir par a
hacer un laborat orio remot o.
Nos brinda un control t ot al, amigable y dinámico de las t emperat uras a supervisar y los
actuadores a controlar.
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Fecha de aceptación: Figura 20. Página web HTML.
Figura 21. Programación HTML JavaScript.
7.4 procedimientos de experimentación
Es un diagrama de f lujo en donde el usuario puede seguir los programas de control, en
conjunt o con la amigabilidad de la int erf az gráf ica, se alert a al usuario en t iempo real del
estado de la plant a gracias a su dinamismo de imágenes. Con esto se cumple t ambién uno
de los objet ivos de este proyecto.
Figura 22. Procedimientos de experimentación, diagrama de flujo.
7.5 Programación software macros
Las macros son trucos de programación, o explí cit ament e, programas que ayudan a la
int erf az gráf ica de labview al moment o de accionar una orden determinada desde int ernet.
Fue necesaria su implement ación debido a que al moment o de colocar un relé para el
prendido y apagado remoto de la plant a más explí cit ament e el PLC, causaba una
desconexión al comput ador que controla la plant a y no se reconocí an las señales del
prot ocolo modbus, pues se generaba un error y para poder reparar ese error, era necesario
el reinicio del pc y la re inicialización de los programas.
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Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación: Los programas macros suprimen est e problema ya que int eractúan directament e con la
int erf az de Windows y como no están sujet os a labview, reconocen la orden desde el puert o
serial de un carácter ASCII, y lo transf orman en una orden de int erf az o seguimient o de
punt ero y clicks, previamente grabados.
El objet ivo de los programas macros, es frenar el programa labview justo ant es de apagar el
PLC remot amente, y act ivar el Start de labview, justo después de prender el PLC.
7.6 Implementación de un rele encendido y apagado remoto del PLC, planta y añadido
cámara web (teamviewer)
Finalment e se diseñó un sist ema que permit iera prender t oda la planta, con bombas, fuent es
y variadores con un solo bot ón, pero est o requerí a un cont actor que por f alt a de presupuest o
no se pudo implement ar, así que en lugar de él se colocó un rele de act ivación de 5V 220A C
10A cuyo propósit o es simular el encendido y apagado de la plant a pero solo mediant e el
encendido y apagado del PLC, mediante la int errupción de su volt aje de aliment ación en la
fuent e de 24V DC.
Se colocó una cámara al frente del comput ador maestro y se creó una sesión por
videollamada, de est a f orma se superviso y verif ico si ef ect ivament e las ordenes y datos son
los correctos con los que se están enviando y observando remot ament e. Se puede verif icar
también si la orden llego a la plant a o si por el contrario se perdió, por alguna desconexión o
fallo. Esto últ imo se cambió, f inalmente, por el control de la pant alla remot a del programa
team viewer.
8. Cronología y Sucesos
Se comprendió el manejo de la plant a de int egra, cuidados y precauciones, pruebas y
result ados que se obt ení an al moment o de manejarla localment e.
Se desarrollaron programas f áciles para la comprensión de las f unciones y programación del
micrcocontrolador IOT. De esta f orma se desarrolló un programa que me mostrara una
lectura de datos para el envió remoto a int ernet, así como un control remot o.
Se reconf iguro el programa previament e creado en labview y se creó un nuevo programa
que me diera soport e a mi micro para poder recibir y mandar los dat os necesarios.
Mientras se probaba el f uncionamient o del part icle, se diseñó un esquema web programado
en código HTML, se acomodaron imágenes, bot ones y números HT ML (Part iendo de
ejemplos pequeños se f ue creando uno más grande poco a poco).
Culminando est e proyect o, se hicieron pruebas de errores, correcciones y la implement ación
final de un módulo rele que me daba el encendido y apagado remot o de la plant a o más
exact ament e del PLC.
Se probaron dist int os programas de grabación por macros, sin la int errupción del estado
prendido o apagado de la plant a, además se implement ó una web cam, para la videollamada,
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Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación: pero f inalment e se ut ilizó el programa t eam viewer que f ue más rápido en la comunicación de
streaming, pero que solo trasmit e la pant alla del monit or (int erf az gráf ica de labview).
9. Inconvenientes o Retrasos
Se tuvieron que hacer varias cosas que no estaban pretendidas dentro de este proyecto.
Fueron diversos errores al momento del desarrollo de este proyecto.
• No funcionamiento del enfriador (no sol).
• Algunas variables no coincidían con la programación de labview (sol).
• Error de conexión al modbus (sol).
• Reprogramación del PLC (wplsoft) (sol).
• Mantenimiento de la planta de integra (cambio de agua, destrabarla) (sol).
• Error del sistema PID de temperaturas (sol).
• Error del sistema PID del caudal (no sol).
• Planta en mal estado interno (oxidación) (no sol).
• Planta muerta por conexión de una línea en el tablero de control (sol).
• Primer servidor IOT (fathym server) muerto (sol) [17].
10. Instrucciones de uso
Para ver su manejo det allado, botones de encendido, apagado, act ivaciones de act uadores y
visibilidad de las t emperat uras y valores por f avor consular el videot utorial:
ht t ps://www.youtube. com/ watch?v=-YwuzQ933JU&t
11. Conclusiones
A est a f echa la nueva t ecnologia IOT t iene muchos alcances aplicaciones, t ant o de
negocios como seguridades y monit oreo, es f ácil saber que se t iene que t omar
muchas precauciones de seguridad al moment o en que se somet en a int ernet.
En el moment o en que se juntan una t ecnologia IOT y un sist ema electrónico industrial
se abren dif erent es puert as de como la supervisión, agilidad, mant enimient o, control,
fiabilidad y amigabilidad al operador.
Aunque f ueron varios daños que retrasaron el proyect o, se pudieron reparar los
dif erent es problemas y culminar apropiadament e el proyecto, cumpliendo con los
objet ivos mencionados.
Se pretendí a conectar físicament e los sensores y actuadores al part icle photon sin
estar present e un comput ador, pero no f ue posible su conexión, debido a que el
sist ema está bajo un lazo de corrient e cerrado y los sensores están conectados por
medio conversores de 4-20mA al PLC, al colocar el part icle phot on se creaba un
acople de impedancias que f inalment e t erminaba en una medida f alsa o un error.
Los programas de control por macros, son programas de alt a ef iciencia que grabados
para que reconozcan ordenes seriales, pueden abrir grandes opciones de
opt imización o control, además de muchos alcances en un mundo electrónico o
sist emat izado, donde la imaginación es el único límit e al moment o de int eractuar con
ellos.
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Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación:
El part icle photon es un microcontrolador muy ef iciente a la hora de transmit ir
inf ormación a int ernet, t iene varias vent ajas respecto a otros microcontroladores o
tarjet as de desarrollo anteriores, además ofrece f unciones específ icas para distribuir
estos dat os.
Las velocidades de transmisión son alt ament e rápidas, debido al protocolo IOT
manejado y no int erf ieren con la cant idad de dat os mandar o recibir, no exist e
conf lict o por perdidas de dat os o desconexión y los retrasos de inf ormación se le
deben atribuir en gran medida a la conexión de int ernet con que se le est á
aliment ando.
Un punt o desf avorable de las webhooks es que si en algún moment o el servidor se
cae por algún problema, es imposible supervisar los sensores o los dat os que enví a el
part icle a no ser que se ut ilice el servidor primario del part icle phot on, mediant e el uso
de la herramient a part icle consolé build.
Con base a la conclusión ant erior, la primera int erf ace creada bajo HT ML y usando
fat hym server como webhook se estropeo t ot alment e, f unciono alrededor de 3 meses
pero al f inal no pudo seguir con su monit oreo remot o y por esto se diseñó el program a
y se ut ilizó una segunda int erf az bajo la webhook dashboard de ubidot s.
Referencias
[1] D. Evans, “The I nt ernet of Things—How the next evolut ion of t he int ernet is changing everything,”Cisco I nt ernet Business Solut ions Group (IBSG),whit e paper, 2011.
[2] industriaembebida, “Microcontrolador IOT,” 2016. [Online]. Available: ht t p://www. industriaembebidahoy. com/modulo-wi-f i-con-microcontrolador-para-iot/. [Accessed: 14-Sep-2016].
[3] D. D. C. Barry M. Leiner, Vint on G. Cerf, D. C. L. Robert E. Kahn, Leonard Kleinrock, and S. W. Jon Postel, Larry G. Robert s, “Breve hist oria de int ernet | I nt ernet Societ y,” 2014. [Online]. Available: htt p://www. int ernet societ y. org/es/breve-hist oria-de-int ernet ?gclid= CKT4rrXm4r0CFe9QOgodal8AZA. [Accessed: 10-Sep-2016].
[4] Kleinrock, “An early hist ory of t he I nt ernet,” 2010.
[5] L. C. Luis y J. E. Ort iz, “Tecnologí as involucradas en el I nt ernet del Fut uro.” 2013, pp. 115–127, 2014.
[6] F. A, “I nt erne t Clean - Slat e Design: W hat and W hy?,” 2014.
[7] evaluandosoftware, “Campos de a pli cación de I nt ernet of Things o I nt ernet de las cosas - Evaluando Soft ware,” diciembre, 2015. [Online]. Available: ht t p://www. evaluandosoftware. com/campos-de-aplicacion-de-int ernet-of-t hings-o-int ernet-de-las-cosas/. [Accessed: 10-Sep-2016].
[8] S. Ray, Y. Jin, and A. Raychowdhury, “T he Changing Comput ing Paradigm wit h Int ernet of Things: A Tutorial I ntroduct ion,” IEEE Des. Test, vol. 33, no. 2, pp. 76–96, 2016.
[9] A. W hitmore, A. Agarwal, and L. Da Xu, “The I nt ernet of Things???A survey of t opics and trends,” I nf. Syst. Front., vol. 17, no. 2, pp. 261–274, 2015.
[10] T. Samad, “Control Systems and t he I nt ernet of Things [Technical Act ivit ies],” Control Syst. IEEE, no. f ebruary, pp. 13–16, 2016.
[11] UNAD, “Tratamient o t érmico,” 2016. [Online]. Available: ht t p:// dat ateca. unad. edu. co/ cont enidos/ 211613/Modulo_zip/ leccin_19_tratamient o_trmico.html. [Accessed: 10-Sep-2016].
[12] A. C. R. DIAZ and H. G. V. CRUZ, “plant a int egra Monograf ia_Carol,” p. 75, 2010.
[13] srcsl, “¿Qué es un sensor PT100?,” [ online]. Disponible en: htt p://srcsl. com/ que-es-un-sensor-pt100/.
[14] prezi, “t ipos de bombas hidráulicas” [ online]. 2014 Disponible en: ht t ps:// prezi. com/sw1o3xhgbwvw/t ipos-de-bombas-hidraulicas/.
[15] invent able, “I ntroducción a los relés” [ online]. Disponible en: ht t ps://www. invent able. eu/ introduccion-a-los-reles/.
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Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación: [16] Part icle docs, “part icle photon dat asheet” [ online]. Disponible en:
ht t ps:// docs. part icle. io/ dat asheet s/ phot on-dat asheet/.
[17] faht ym web server dashboards, “f at hym.io_Phot on_Plant _Monit or” [ online]. Disponible en: htt ps:// git hub. com/fathym/fathym.io_Phot on_Plant _Monit or