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Índice de contenido Resumen 4
Introducción 5
Objetivos 5
CAPITULO I – LAS PLATAFORMAS BASE
I.I Arduino 6
I.II Android 7
CAPITULO II – LOS SENSORES
II.I Sensor de luz 8
II.II Sensor de proximidad infrarrojo 11
II.III Sensor de gas 13
II.IV Sensor de movimiento 15
CAPITULO III – LA APLICACIÓN ANDROID
III.I Conceptos básicos
III.I.I La Plataforma de Desarrollo de Android 17
III.I.II Tipos de componentes de una aplicación 17
III.I.III Recursos en una aplicación 18
III.II Desarrollando la aplicación
III.II.I Etapa 1: Obteniendo todo lo necesario para la programación 19
III.II.II Etapa 2: Desarrollando la interfaz 20
III.II.III Etapa 3: Conexión con Arduino 28
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CAPITULO IV – EL PROYECTO APLICADO
IV.I El Internet de las cosas 29
CONCLUSIONES 30
APÉNDICES
APENDICE A – La tarjeta Arduino UNO 32
APENDICE B – El Tiristor 34
APENDICE C – El Triac 36
APENDICE D – El Optoacoplador 37
BIBLIOGRAFÍA 39
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RESUMEN
En el presente reporte se hablará sobre el desarrollo de una casa inteligente, es decir, una casa que pueda enviar y recibir información sobre lo que sucede dentro de ella. La idea es crear una aplicación para Android que pueda obtener y mostrar esta información, y además poder controlar eventos como la apertura de alguna puerta o el cierre de una ventana. Para esto nos basamos principalmente en las plataformas Arduino (hardware) y Android (software), sobre los cuales mencionamos algunos elementos básicos. Para el monitoreo de la casa utilizamos sensores de luz, de movimiento, de gas y de proximidad. La forma de utilizar estos sensores es en conjunto con tarjetas Arduino. La manera de programarlos y utilizarlos también se incluye en el presente reporte. Con estos sensores es posible conocer los niveles de gas en un tanque, si hay movimiento en cualquier parte de la casa, o qué tan iluminada está. Para obtener estos datos es necesario que Arduino y sus shields (o módulos) funcionen como intermediarios para poder transmitir señales entre la aplicación Android y los sensores. En cuanto a la parte de control, utilizaremos motores para la apertura y cierre de los elementos ya mencionados, y además, utilizando triacs y optoacopladores, podemos controlar la el encendido de las luces. Para que la aplicación se comunique con estos dispositivos también se auxilia de Arduino. El desarrollo de cada etapa de este proyecto se describe y detalla en este reporte.
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INTRODUCCIÓN
Desde el principio de nuestra carrera hemos creído que todo lo que desarrolla un ingeniero siempre debe tener como objetivo facilitar en algún aspecto la vida de las personas, por lo que para nuestro Proyecto Terminal tratamos de realizar algo que cumpliera lo mejor posible con este propósito. Después de analizar una gran cantidad de ideas, elegimos diseñar una casa inteligente que hiciera uso de varios sensores distintos para controlar elementos como la apertura de puertas, la intensidad de las luces o incluso la cantidad de gas en un tanque. Decidimos también desarrollar una aplicación para Android que pudiera controlar todos estos movimientos y a la vez mantenernos notificados de lo que ocurriera en la casa.
Para manejar los sensores y los sistemas de control (por ejemplo motores para la apertura de puertas) utilizamos tarjetas Arduino UNO (información sobre esta tarjeta en el Apéndice A), y mediante shields o módulos enviamos y recibimos información hacia y desde la aplicación Android. Los sensores que utilizamos fueron de movimiento, de luz, de proximidad y de gas.
Para desarrollar la aplicación Android utilizamos el software de desarrollo que Google brinda gratuita y libremente a los programadores, así como todos sus manuales y guías de desarrollo.
A continuación presentaremos toda la información relacionada a este emocionante y útil Proyecto Terminal.
OBJETIVO
Desarrollar una casa inteligente que pueda, por medio de sensores y la tarjeta Arduino UNO, enviar y recibir información hacia una aplicación Android con el fin de mantener informado al usuario sobre el estado de la casa, y que además con dicha aplicación pueda controlar elementos como la apertura y el cierre de puertas y ventanas o el encendido o apagado de las luces.
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CAPITULO I – LAS PLATAFORMAS BASE
I.I Arduino
Arduino es una plataforma de desarrollo abierta que incluye tanto software como hardware, y cuya principal característica es que se creó para desarrollar prototipos de proyectos de una manera extraordinariamente sencilla.
Arduino fue creado en 2005 por un grupo de 5 estudiantes (David Cuartielles, Gianluca Martino, Tom Igoe, David Mellis, y Massimo Banzi) del Interaction Design Institute Ivrea que se encuentra en Ivrea, una comuna de Italia. El nombre viene del bar favorito de Massimo Barsi, el Bar di Re Arduino, llamado así en honor al rey de Italia que gobernó en el año 1002.
La historia de Arduino comienza en 2002, año en el que Massimo Banzi conoce a un profesor que solía alentar a sus alumnos a crear nuevas formas de diseño interactivo, cosa que se le complicaba a Banzi por falta de recursos. En ese tiempo se acostumbraba usar la tarjeta BASIC Stamp desarrollada por la compañía Parallax, pero Banzi encontró dos problemas con ella: no tenía el poder de procesamiento computacional que requerían algunos de sus proyectos, y además era muy cara. Fue entonces cuando se le ocurrió hacer una tarjeta que cumpliera con sus necesidades.
Banzi tenía un amigo del MIT que había desarrollado un lenguaje de programación llamado Processing, el cual era sumamente sencillo de manejar y que contaba con un ambiente de programación propio igualmente fácil de dominar. Banzi se propuso hacer un lenguaje de programación y un ambiente de desarrollo similarmente sencillos para su tarjeta, y para esto le pidió ayuda a otro estudiante, Hernando Barragán, quien logró crear la plataforma de desarrollo Wiring (la cual era igual de sencilla que la de Processing) y además armó una tarjeta simple pero muy fácil de usar.
A Banzi no le bastó lo que ya se había logrado, él quería algo incluso más simple, más barato y sobre todo más fácil de usar. Fue entonces cuando Banzi reunió a un equipo de estudiantes de élite, quienes decidieron abrir su proyecto de manera que mucha gente pudiera ayudar en el desarrollo, es decir, lo hicieron de código abierto.
Después de meses de desarrollo, finalmente pudieron armar una tarjeta barata, muy fácil de usar y con un diseño que destacaba frente a las demás, por lo que rápidamente se convirtió en la favorita de los estudiantes de su escuela.
Las tarjetas seguían mejorando con el paso del tiempo y por ende ganando fama, lo cual permitió una rápida difusión incluso fuera de Italia, al tal grado de que hoy es la plataforma de código abierto número uno, ésta se comercializa a una gran cantidad de países gracias a sus más de 200 distribuidores oficiales.
Actualmente Arduino cuenta con su propio lenguaje de programación, su propio ambiente de programación, 20 diferentes diseños de tarjetas, 7 diferentes módulos para comunicación inalámbrica, accesorios extra como pantallas LCD y un sinfín de proyectos basados en esta plataforma.
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I.II Android
Android es un sistema operativo de código abierto enfocado en dispositivos móviles. Es propiedad de Google y actualmente es el sistema operativo más utilizado por Smartphones y tablets, pues su amigable diseño y únicas y prácticas características, lo hacen un sistema muy poderoso y fácil de manejar.
Este proyecto empezó en octubre de 2003, año en que se fundó ANDROID INC, empresa fundada por Andy Rubin, Rich Miner, Nick Sears y Chris White. El nombre de la empresa se debe a que a Andy Rubin le llamaban Android, por su fascinación con los robots. El objetivo original de ANDROID INC era el desarrollo de cámaras digitales e interfaces y aplicaciones para ellas, pero cuando se dieron cuenta de que el mercado de las cámaras digitales no era suficientemente grande, decidieron cambiar su enfoque al desarrollo de Smartphones.
El 17 de agosto de 2005, en un esfuerzo por ganar terreno en el mercado móvil, Google se fija en ellos y decide comprar ANDROID INC por 50 millones de dólares. Al respecto, un vocero de Google declara: “Adquirimos Android porque tiene ingenieros con mucho talento y poseen gran tecnología. Estábamos ansiosos por tenerlos con nosotros”.
El 5 de noviembre Google anuncia el desarrollo del sistema operativo Android por parte de ANDROID INC. También declaran que Android OS sería software 100% libre y abierto, a diferencia del iOS de Apple.
El 22 de octubre de 2008 Google lanza al mercado el T‐MOBILE G1, Smartphone en donde debuta el Sistema Operativo Android en su versión 1.0. Este dispositivo, a pesar de su feo diseño y la pequeña cantidad de aplicaciones que ofrecía, logró hacer despegar el Andriod OS.
A partir de su lanzamiento, se han publicado nuevas versiones con sus respectivas mejoras. En febrero de 2009 se publicó Android 1.1, versión que principalmente corregía algunos bugs de su versión anterior. En abril de 2009 sale la versión 1.5, también llamada “Cupcake”; en septiembre de 2009, la 1.6, “Donut”. En octubre de 2009 sale a la venta el MOTOROLA DROID con Android 2.0 (Eclair), tratando de competir con el entonces líder iPhone. Este Smartphone logra vender 525,000 unidades en su primer mes de ventas. La versión 2.2, Froyo, se lanza al mercado en mayo de 2010; la versión 2.3, Gingerbread, se lanzó en diciembre de 2010; en febrero de 2011 sale la versión 3.0, Honeycomb; en octubre de 2011 sale Ice Cream Sándwich, la versión 4.0. En julio de 2012 se publica la versión 4.1, llamada Jelly Bean; y en octubre de 2013, se lanza Android 4.4, también llamada KitKat. Con cada versión el sistema mejora en gran medida y el número de dispositivos que lo utilizan crece, al igual que el aprecio de los usuarios.
En 2014, Google anunció que la nueva versión, llamada tentativamente Android L, estará disponible para usarse no sólo en Smartphones y tablets, sino también en relojes, televisiones y carros.
Actualmente Android está presente en millones de dispositivos móviles en más de 190 países alrededor del mundo. Es la base más utilizada de cualquier plataforma móvil y tiene la capacidad de evolucionar rápidamente. Android brinda una plataforma de clase mundial para crear aplicaciones y juegos para usuarios de cualquier parte del mundo, además es una plataforma libre y abierta en la que es relativamente fácil diseñar y publicar, pues cuenta con mucho material de apoyo para el programador.
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CAPITULO II – LOS SENSORES
II.I Sensor de luz
Se utilizó un sensor LDR (Light Dependant Resistor) o resistencia dependiente de la luz), el cual tiene una resistencia cuyo valor varía en función de la luz recibida, pues cuanta más luz recibe, menor es su resistencia.
Un sensor LDR está fabricado con un semiconductor de alta resistencia como puede ser el sulfuro de cadmio. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.
Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide la célula. Cuanta más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).
Figura 2.1 Sensor de luz (Visto desde arriba) Figura 2.2 Sensor de luz (Visto desde abajo)
Programa de prueba para el sensor LDR
int sense01 = 0;//Pin analógico 0
int led01 = 13;//Pin digital 13
int val01 = 0;//Valor del sensor de luz
int light=150;//Intervalo de luz.
void setup(){
Serial.begin(9600);//Iniciamos el puerto serie
pinMode(led01,OUTPUT);//Definimos el led 13 como salida
}
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void loop(){
val01 = analogRead(sense01);
if (val01<=45){
Serial.println(val01);
Serial.println("ENCENDIDA");
Serial.println("LED APAGADO");
digitalWrite(13, LOW);
}
else{
Serial.println(val01);
Serial.println("LUZ APAGADA");
Serial.println("LED ENCENDIDO");
digitalWrite(13, HIGH);
}
delay(100);
}
Conexiones para probar el sensor LDR con la tarjeta Arduino UNO
El sensor sólo tiene tres terminales, tal como se puede observar en la imagen 2 la terminal etiquetada como VCC se conectó a la terminal de 5V de la tarjeta Arduino, la terminal etiquetada como GND se conectó a una de las terminales de la tarjeta Arduino etiquetada como GND y por último la terminal del sensor LDR etiquetada como DO se conectó a la terminal de la tarjeta Arduino etiquetada como A0.
Además de conectar el sensor LDR a la tarjeta Arduino, conectamos un LED con su terminal positiva en la terminal etiquetada como 13 de la tarjeta Arduino y la terminal negativa del LED fue conectada a otra terminal GND de la tarjeta Arduino.
Resultados con el sensor LDR
Con la conexión anterior y con la tarjeta Arduino conectada mediante un cable USB a una computadora, abrimos en el monitor serial y mientras había luz en donde se encontraba el sensor LDR el LED se mantenía apagado y en el monitor serial se podía leer “ENCENDIDA LED APAGADO”. Una vez que apagábamos la luz de
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donde se encontraba el sensor LDR el LED encendía y en el monitor serial se leía “LUZ APAGADA LED ENCENDIDO”.
Circuito para encender una lámpara utilizando el sensor de luz
Anteriormente se mostró cómo funcionaba el programa y se pudo observar que a la salida de la tarjeta Arduino UNO teníamos 0V cuando había luz en la habitación en donde se había colocado el sensor de luz, y teníamos 5V a la salida de la tarjeta cuando el nivel de luz era menor al que se había estipulado en el programa para este sensor.
Utilizando el voltaje a la salida de la tarjeta podemos controlar el encendido de un foco conectado a la conexión eléctrica de una casa, esto por medio de un circuito que contiene un optoacoplador y un triac (información sobre estos dispositivos en los apéndices D y C respectivamente).
Este circuito es una interface entre la etapa digital que en nuestro caso es la tarjeta Arduino UNO y la etapa de potencia, o alto voltaje que será en donde estará conectado el foco.
Figura 2.3 Circuito completo para el control del encendido de una lámpara con un sensor de luz
En la imagen la señal que está del lado izquierdo es el voltaje a la salida de la tarjeta Arduino UNO y la entrada AC es la conexión eléctrica de la casa.
Entonces por medio del circuito anterior cuando hay presencia de luz y el voltaje a la salida de la tarjeta Arduino UNO es 0V el optoacoplador actúa como un interruptor abierto y entonces el foco se encuentra apagado, y cuando el voltaje a la salida de la tarjeta Arduino UNO es de 5V el optoacoplador es un interruptor cerrado y el foco se enciende mientras la señal esté en 5V.
Este circuito es muy útil si se coloca el sensor en el exterior de una casa, ya que cuando empieza a oscurecer las luces del jardín y del exterior de la casa se prenderán y mientras la luz esté por debajo del nivel programado las luces estarán encendidas. Al otro día cuando empieza a amanecer y el nivel de luz supera al programado las luces se apagarán y así se mantendrán hasta que de nuevo empiece a oscurecer y se repita el proceso.
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II.II Sensor de proximidad infrarrojo
El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender.
Figura 2.4 Sensor de proximidad infrarrojo
Programa de prueba para el sensor de proximidad infrarrojo
int sense01 = 0; //Pin analógico 0
int led01 = 13; //Pin digital 13
int val01 = 0; //Valor del sensor de proximidad
int light=150; //Intervalo de proximidad
void setup(){
Serial.begin(9600);//Iniciamos el puerto serie
pinMode(led01,OUTPUT);//Definimos el led 13 como salida
}
void loop(){
val01 = analogRead(sense01);
if (val01>=40){
Serial.println(val01);
Serial.println("LEJOS");
Serial.println("PUERTA CERRADA");
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digitalWrite(13, LOW);
}
else{
Serial.println(val01);
Serial.println("CERCA");
Serial.println("PUERTA ABIERTA");
digitalWrite(13, HIGH);
}
delay(100);
}
Conexiones para probar el sensor de proximidad infrarrojo con la tarjeta Arduino UNO
El sensor sólo tiene tres terminales, tal como se puede observar en la imagen 3 la terminal roja es VCC y se conectó a la terminal de 5V de la tarjeta Arduino, la terminal verde es GND se conectó a una de las terminales de la tarjeta Arduino etiquetada como GND y por último la terminal amarilla del sensor es la salida de la señal y se conectó a la terminal de la tarjeta Arduino etiquetada como A0.
Además de conectar el sensor a la tarjeta Arduino, conectamos un LED con su terminal positiva en la terminal etiquetada como 13 de la tarjeta Arduino y la terminal negativa del LED fue conectada a otra terminal GND de la tarjeta Arduino.
Resultados con el sensor de proximidad infrarrojo
Con la conexión anterior y con la tarjeta Arduino conectada mediante un cable USB a una computadora, abrimos en el monitor serial y mientras estaba alguien parado a más de un metro de distancia del sensor el LED se mantenía apagado y en el monitor serial se podía leer “LEJOS PUERTA CERRADA”. Una vez que se acercaba a un metro o menos de donde se encontraba el sensor el LED encendía y en el monitor serial se leía “CERCA PUERTA ABIERTA”.
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II.III Sensor de gas
El módulo está formado por un sensor MQ‐2 montado en pcb de 32 x 22 x 24 mm con conexión de 4 pines macho acodados para su fácil integración en Arduino. Esta conexión proporciona tanto la alimentación para el módulo como 2 salidas, analógica y digital.
El módulo consta de un CI operacional LM393 y ajuste de sensibilidad mediante potenciómetro.
El sensor es útil para la detección de fugas o concentraciones de i‐butano, metano, alcohol, hidrógeno y humo entre otros, lo que permite utilizarlo como sensor de amplio espectro para detectar la presencia de estos gases.
Figura 2.5 Sensor de gas (Visto desde arriba) Figura 2.6 Sensor de gas (Visto desde abajo)
Programa de prueba para el módulo MQ‐2, sensor de gas para Arduino
void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
int val;
val=analogRead(0);
Serial.println(val,DEC);
delay(100);
}
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Conexiones para probar el módulo MQ‐2 sensor de gas para Arduino con la tarjeta Arduino UNO El sensor sólo tiene cuatro terminales, de las cuales sólo utilizamos tres. En la imagen 4 la terminal etiquetada como VCC se conectó a la terminal de 5V de la tarjeta Arduino, la terminal etiquetada como GND se conectó a una de las terminales de la tarjeta Arduino etiquetada como GND y por último la terminal del sensor LDR etiquetada como DO se conectó a la terminal de la tarjeta Arduino etiquetada como A0.
Resultados con el sensor LDR Con la conexión anterior y con la tarjeta Arduino conectada mediante un cable USB a una computadora, abrimos en el monitor serial y nos mostraba el nivel de gas que detectaba y eran números de valor muy bajos, pero cuando acercábamos un encendedor y dejábamos salir el gas del encendedor cerca del módulo el valor del nivel de gas incrementaba y al quitar el encendedor del módulo el nivel de gas iba disminuyendo poco a poco.
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II.IV Sensor de movimiento
Se utilizó un sensor PIR (Passive Infra Red o Infrarrojo Pasivo), el cual funciona gracias a unos materiales cristalinos capaces de generar carga eléctrica cuando son estimulados por luz infrarroja, por lo que dependiendo de la luz infrarroja recibida, se produce un determinado voltaje. Cuando se detecta un cambio de voltaje repentino (es decir, cuando la luz infrarroja cambia rápidamente) se produce un cambio en el pin de salida del sensor, ya sea de alto a bajo y viceversa.
Figura 2.7 Sensor de movimiento (Visto desde arriba)
Programa de prueba para el módulo MQ‐2 sensor de gas para Arduino
const int interruptor = 12; //Pin 12 para que se conecte el LED que indica si el código funciona (LED A)
const int sensorPIR = 4; //Pin 4 a donde se conecta la salida del sensor
long tiempoEncendido = 120000; // Tiempo en milisegundos (2 minutos)
int PIRactivo=0; //Variable para indicar si el pin 4 es HIGH o LOW
long contador = 0; //Entero long que indica
void setup (){
pinMode(interruptor, OUTPUT); //pin 12 declarado como salida
pinMode(sensorPIR, INPUT); //pin 4 declarado como entrada
}
void loop (){
PIRactivo=digitalRead(sensorPIR); // Lee el sensor PIR
if (PIRactivo==HIGH){ // Si está activo reinicia el contador de tiempo
contador=tiempoEncendido; // al tiempo de encendido total.
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}
if (contador > 0) { // Si el contador de tiempo es positivo, mantiene encendido el LED A
contador = contador ‐ 200; // Si no hay movimiento, puede entrar 600 veces antes de apagar el LED A
digitalWrite(interruptor,HIGH); //REVISAR SI DEBE SER HIGH O LOW
} else {
digitalWrite(interruptor,LOW); //El LED A se queda apagado mientras no haya movimiento
}
delay (200); //pausa de 200 milisegundos
}
Conexiones para probar el sensor de movimiento con la tarjeta Arduino UNO Similarmente a los sensores anteriores, el objetivo es simplemente detectar el cambio en la terminal de salida del sensor. El pin de voltaje Vcc se conectó a los 5V de la tarjeta Arduino y la tierra a la tierra de la tarjeta. El pin de salida del sensor se conectó en el pin 4 de la tarjeta. También se agregó un LED a la tarjeta para indicar que ésta estaba funcionando correctamente (este LED se conectó en los pines 12 y tierra de la tarjeta). También se agregó un LED que prende cuando se detecta movimiento, este LED se conectó en la salida del sensor y a la tierra de la tarjeta.
Resultados con el sensor de movimiento El sensor funciona adecuadamente, es decir, el LED enciende cuando hay movimiento dentro de su rango, pero a veces lo hace con un notable retraso entre el movimiento y el encendido del LED; aún se debe trabajar en eso. Otro problema es que el LED que señala el correcto funcionamiento del código, no hace lo que debe, lo cual es quedarse encendido por un tiempo después de haber detectado movimiento y después, si ya no detectó movimiento, se apaga. Esto también hay que revisarlo con cuidado.
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CAPITULO III – LA APLICACIÓN ANDROID
III.I Conceptos básicos
III.I.I La Plataforma de Desarrollo de Android
La API (Application Programming Interface) de Android está enfocada en brindar un ambiente amigable y muy práctico para el programador. Esta plataforma se puede descargar sin ningún costo desde internet, y contiene una gran cantidad de herramientas de apoyo para el desarrollador. También tiene acceso a un gran número de proyectos que pueden servir como ejemplos o como base para proyectos más grandes. Todo esto es de libre acceso, y cualquier información necesaria se encuentra en la página http://developer.android.com/
También aquí se puede descargar el entorno de desarrollo o SDK (Software Development Kit) de Android, necesario para crear la aplicación, junto con una versión del entorno de desarrollo Eclipse personalizada para Android y emuladores para poder probar la aplicación. También debemos mencionar que para desarrollar aplicaciones en Android se necesitan conocimientos del lenguaje de programación orientado a objetos, Java.
También es conveniente mencionar que ésta no es la única forma de crear aplicaciones para Android, pues actualmente hay muchas páginas web especializadas para este fin, en las que no es necesario descargar ningún programa. Todo el desarrollo se lleva a cabo por internet, pero esto tiene la gran desventaja de ser muy limitado en cuanto a las funciones que puede desempeñar la aplicación.
III.I.II Tipos de componentes de una aplicación
Una aplicación de Android puede contener los siguientes tipos de componentes:
a) Activity: Se refiere a una sola pantalla con interfaz de usuario. Es posible conectar varias pantallas entre sí y pasar información entre ellas.
Este es el principal tipo de componente que usaremos en nuestra aplicación, como se verá más adelante.
b) Service: Este tipo de elementos se ejecutan en segundo plano para hacer operaciones de larga duración o trabajo en procesos remotos. No disponen de una interfaz gráfica.
c) Content Provider: Son datos que se pueden compartir entre varias aplicaciones, por ejemplo, los contactos guardados en el teléfono.
d) Broadcast Receiver: Con estos recursos podemos controlar los “anuncios broadcast” del dispositivo, es decir, notificaciones generales del sistema como el aviso de que la batería está baja.
También es posible hacer que una aplicación acceda a ciertos componentes de otra.
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III.I.III Recursos en una aplicación
Una aplicación puede utilizar imágenes, fotos, música, archivos de audio o de video, textos, entre muchos otros recursos. También, desde Eclipse, se puede especificar y cambiar muy fácilmente el formato de lo que se mostrará en pantalla dependiendo del tipo o modelo del dispositivo que correrá la aplicación.
También es posible definir versiones específicas de cada recurso dependiendo de cierta configuración de la aplicación, como la resolución o su idioma.
Algunos de los recursos principales que se usan en aplicaciones Android son:
a) Layouts: Es la estructura visual de una interfaz de usuario. Es la zona en donde pueden agregarse cuadros de texto, botones, gráficas, etc.
En nuestra aplicación utilizamos un layout para cada pantalla que utilizamos.
b) Menús: Se utilizan para mostrar una serie de opciones entre las cuales se realizarán ciertas acciones.
c) Estilos: Son formatos que se pueden utilizar en otros recursos.
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III.II Desarrollando la aplicación
El objetivo de nuestra aplicación es recibir información sobre el estado de la casa utilizando los datos obtenidos por los sensores y usando material de Arduino como intermediario. También queremos que sea posible enviar señales a motores y demás dispositivos que nos permitan, por medio de comandos en la aplicación, controlar elementos como el cierre de puertas o ventanas, o el encendido y apagado de las luces.
III.II.I Etapa 1: Obteniendo todo lo necesario para la programación
Lo primero que se debe hacer para desarrollar una aplicación desde 0 es descargar el SDK de Android y todos sus componentes directamente desde la página web ya mencionada. El entorno Eclipse en su versión para Android tiene la interfaz que se muestra en la Figura 3.1.
También se pueden descargar complementos como las herramientas para desarrollar aplicaciones para cualquier versión Android. Éstas se pueden obtener desde el Android SDK Manager, también incluido en la descarga.
Para probar la aplicación mientras la desarrollamos, es posible conectar un dispositivo Android a la computadora por medio de USB y correr la aplicación en desarrollo en ese dispositivo, tal como se muestra en la Figura 3.4.
Figura 3.1 Interfaz de la plataforma Eclipse en su versión para Android
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III.II.II Etapa 2: Desarrollando la interfaz
Al crear un nuevo proyecto, Eclipse nos mostrará cómo se programa el básico “Hello world“, tanto en forma gráfica como con líneas de comandos, tal como se muestra en las Figuras 3.2 y 3.3 respectivamente. Como se puede suponer al ver estas imágenes, la programación en Android se puede llevar a cabo de dos formas: de forma gráfica, es decir, agregando elementos y seleccionando y modificando sus características utilizando menús. La segunda, utilizando líneas de comando, lo cual es más recomendable porque cuando se tiene experiencia, es más fácil establecer qué queremos incluir o cambiar, y de qué manera.
Figura 3.2 El programa “Hello world” en su versión gráfica
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Figura 3.3 El programa “Hello world” en líneas de comando
Figura 3.4 El programa “Hello world” visto en un Smartphone Android
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Para nuestra interfaz decidimos empezar con un menú en donde se eligiera entre controlar elementos de la casa o recibir información de ella. Para eso primero debemos agregar un layout en donde pudiéramos agregar dos botones para acceder a dichas opciones. Para esto debemos crear un documento en formato xml con los comandos necesarios para esto.
Primero, creamos el layout en un documento que llamaremos fragment_main.xml, que debe estar guardado en la carpeta res/ de nuestro proyecto. Las siguientes líneas de comando crean un layout:
Los atributos android:layout_width y android:layout_height definen el tamaño del layout, en este caso se especificaron como “match_parent”, lo que quiere decir que va a ocupar toda la pantalla del dispositivo. El atributo android:orientation establece que cada elemento que se agregue al layout se acomodará de forma horizontal, uno al lado del otro. Aunque debemos mencionar que para esta primera organización de botones, nos decidimos por un layout vertical.
Para agregar los dos botones hay que anidar al layout los siguientes comandos:
En este caso, los atributos android:layout_width y android:layout_height están definidos para que entre los dos botones, ocupen casi toda la pantalla. El atributo android:text especifica el nombre de cada botón. En la versión final decidimos cambiar el nombre del botón “Sensores” por “Estado”. El resultado, ya visto en el teléfono, se muestra en la Figura 3.4.
Ahora debemos hacer que dependiendo del botón que toquemos, nos envíe a otra pantalla, de manera que se cumpla el esquema de la Figura 3.5.
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Figura 3.5 Mapa de las pantallas de la aplicación. Los cuadros con borde anaranjado representan los botones, los demás cuadros muestran hacia qué pantalla dirige el tocar el respectivo botón.
Para esto hay que agregar a cada botón el comando:
Seguido del nombre del método a implementar para cada botón. Ya con sus respectivos comandos, el xml que define el primer layout queda así:
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Los métodos a_menu_control y a_menu_estado se deben definir en la clase principal de la aplicación. Estos métodos quedan así:
En las primeras líneas de estos métodos se crea un objeto de la clase Intent, el cual sirve para hacer enlaces entre actividades. El segundo de sus parámetros establece la actividad con la que se enlazará. La segunda línea de cada método inicia la actividad utilizando el intent creado.
Ahora debemos crear las nuevas actividades con sus respectivos layouts y hacer que se enlacen cada una con la que debe. Para esto simplemente, al crearlas, definimos su actividad padre y establecemos que se debe obtener un intent de ella, con el comando:
Se debe seguir el mismo procedimiento para crear todas las pantallas necesarias y enlazarlas de acuerdo al esquema anterior. Para las pantallas finales, a continuación se describe lo muestran y para lo que deben de funcionar:
a) Pantalla Puertas: Se muestra un plano de la casa y al tocar una puerta, se envía una señal a un motor para abrirla o cerrarla. Esta pantalla se muestra en la Figura 3.9
b) Pantalla Ventanas: Se utiliza un plano de la casa para que cuando el usuario toque una de las ventanas, se envíe una señal a un motor que la abra o la cierre. Esta pantalla se muestra en la Figura 3.10
c) Pantalla Luces: Se muestra un plano de la casa y al tocar un lugar donde haya una lámpara, se puede elegir su intensidad de luz. Esta pantalla se muestra en la figura Figura 3.11
d) Pantalla Luz: Esta pantalla muestra los niveles de luz en cada punto de la casa, también con ayuda de un plano. Esta pantalla se muestra en la Figura 3.12
e) Pantalla Seguridad: Se pude enviar un mensaje de alerta al teléfono cuando alguien se acerque a un área privada de la casa o a algún objeto que el usuario quiere mantener fuera del alcance de ciertos individuos. En esta pantalla se mostrará el lugar de dicho evento. Esta pantalla se muestra en la Figura 3.13
f) Pantalla Gas: Muestra los niveles de gas en un tanque o en algún área de la casa. Esta pantalla se muestra en la Figura 3.14
g) Pantalla Movimiento: Puede funcionar como la pantalla de Seguridad, y además para hacer un monitoreo continuo de cualquier movimiento en la casa. Esta pantalla se muestra en la Figura 3.15
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Para poner el plano como una imagen, debemos tenerla guardada en una de las carpetas res/drawable… Y utilizar el siguiente comando, anidado al correspondiente layout:
A continuación se presentan las imágenes que muestran, ya en el teléfono, todas las diferentes pantallas de la aplicación.
Figura 3.6 Menú principal de la aplicación
Figura 3.7 Imagen del Menú de Control Figura 3.8 Imagen del Menú de Estado
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Figura 3.9 Imagen de la Pantalla Puertas Figura 3.10 Imagen de la Pantalla Ventanas
Figura 3.11 Imagen de la Pantalla Luces Figura 3.12 Imagen de la Pantalla Luz
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Figura 3.13 Imagen de la Pantalla Seguridad Figura 3.14 Imagen de la Pantalla Gas
Figura 3.15 Imagen de la Pantalla Movimiento
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I.II.I Etapa 3: Conexión con Arduino
Como ya se mencionó anteriormente, para recibir información de los sensores y enviar señales hacia los motores y demás dispositivos, debemos utilizar las tarjetas Arduino como intermediarios. Para que la aplicación se conecte con Arduino se necesitan “shields”, que son tarjetas con la capacidad de recibir y enviar información usando diferentes tecnologías como Wi‐Fi o Bluetooth, y que se conectan a las tarjetas básicas de Arduino.
Para nuestra aplicación lo ideal sería utilizar el sistema de envío de mensajes de la red telefónica para transmitir las señales necesarias sin necesidad de estar conectados permanentemente a internet, pero esto probablemente sería muy complicado y costoso, por lo que decidimos utilizar Wi‐Fi, utilizando un shield de Wi‐Fi de Arduino.
Por falta de tiempo no pudimos realizar esta etapa del proyecto, pero sabemos que éste es un punto clave de nuestra aplicación, así que seguramente la desarrollaremos próximamente.
Figura 3.16 La Arduino GSM Shield, utilizada para transmisión de señales con GSM, para telefonía celular
Figura 3.17 La Arduino Wi‐Fi Shield, utilizada para transmisión de señales en Wi‐Fi
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CAPITULO IV – EL PROYECTO APLICADO
IV.I El Internet de las Cosas
El término “El Internet de las Cosas” se refiere a la conexión a una red global de cada aparato de la vida cotidiana, empresarial, médica o industrial, creando un mega sistema de interconexión en la nube en el que se pueden controlar todo tipo de mecanismos con ayuda de sensores, así como conocer el estado de cierto ambiente e incluso poder cooperar entre dispositivos para, en base al análisis de toda la información recopilada, se tomen decisiones inteligentes.
Esta red podría ser aplicada en casas inteligentes, en monitoreo médico en casa, en la mejora de la administración de recursos en una oficina, en ventas por internet y en un sin fin de diversas áreas. El potencial que tiene el conectar todo tipo de dispositivos a la red es enorme y muy prometedor.
Se pretende que este tipo de red esté funcionando dentro de 5 o 7 años, pues aún existen problemas importantes que deben resolverse como riesgos en cuanto a la seguridad, pues actualmente es relativamente fácil interceptar señales y con ello accesar a información privada o controlar sistemas.
Otro problema es la energía necesaria para hacer trabajar cada elemento de la red, pues cada uno necesita cierta energía que individualmente podría ser poca, pero el gran número de componentes que pueden formar el sistema puede, en conjunto, requerir enormes cantidades de energía. El reto es lograr un consumo de energía lo más bajo posible pero sin perder eficiencia. Como fácilmente se puede apreciar, nuestro proyecto se basa en esta idea, pues lo que hicimos tiene el mismo objetivo de interconexión para obtener control e información sobre cierto ambiente (en nuestro caso sólo una casa). Lo único que haría falta para que nuestro proyecto formara parte de “El internet de las Cosas” sería enlazar a internet todos los sensores (que podría ser con ayuda de una tarjeta Arduino Wi‐Fi Shield) y adaptar la aplicación Android para que también se pueda conectar a Internet. De esta manera se podría controlar la casa y conocer su estado desde cualquier parte del mundo.
Figura 4.1 “El Internet de las Cosas”, una red global en la que se interconectan toda clase de dispositivos
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CONCLUSIONES Lo que nosotros pudimos lograr al término de este proyecto se divide en tres secciones principales:
1. Utilizar sensores para obtener información sobre ciertos elementos de una casa. Específicamente utilizamos sensores de luz para conocer el nivel de iluminación en algún área; sensores de movimiento para detectar cuando alguien esté en alguna habitación; sensores de gas para medir los niveles de gas en un tanque, y sensores de proximidad para saber cuando una persona se está acercando a una zona prohibida.
Respecto a este punto, nos dimos cuenta de que utilizar estos sensores es muy sencillo porque la idea de todos es mostrar cierta salida cuando se detecta para lo que fueron hechos (cierta cantidad de luz, movimiento, gas, presencia), y otra salida para cuando no se detecta nada, es decir, son digitales. El único con un funcionamiento un poco diferente fue el sensor de gas, pues éste era capaz de brindar una salida continua (analógica) que señalaba la cantidad de gas detectada. La forma de programarlos y utilizarlos es muy similar entre sí, por lo que al saber cómo hacerlo con uno, prácticamente se sabe hacerlo con todos.
2. Aprender a utilizar el software y hardware de Arduino, pues para usar y hacer funcionar los sensores nos auxiliamos de la tarjeta Arduino UNO. Aprender a utilizar esta tarjeta fue extremadamente sencillo. Hacerlo nos demostró porqué Arduino está ganando tanto terreno y tan buena fama en el campo de la electrónica, pues su principal atractivo (aparte de su gran variedad de productos, lo bien que funcionan, lo visualmente atractivos que son y su costo relativamente bajo) es que funciona con software abierto muy fácil de dominar y con grandes posibilidades de desarrollo. Sólo basta con bajar el entorno de desarrollo (gratis desde su página web) y aprender algunos comandos para ya empezar a desarrollar. Otra gran ventaja de Arduino es que por ser una plataforma abierta, en Internet se pueden encontrar una gran cantidad de manuales y proyectos muy bien explicados que pueden ser referencia y una gran ayuda para el desarrollador.
3. Desarrollar una aplicación en Android para poder recibir la información de los sensores y poder enviar señales a los motores con el fin de abrir o cerrar puertas y ventanas. Desarrollar esta aplicación (hasta donde se pudo llegar) no fue tan difícil como pensamos, pues Android es parecido a Arduino en que por ser software libre y abierto, la información sobre ellas es abundante. Nosotros utilizamos casi exclusivamente la página de Android como guía, ya que ahí se explica todo paso a paso de una manera muy clara, y empezando desde lo más básico.
Android es sin duda una plataforma poderosísima por la facilidad de desarrollar y publicar y el gran número de fieles seguidores que ha logrado obtener, por lo que aprender a desarrollar bien en ella es extremadamente conveniente y provechoso.
El proyecto es sin duda muy prometedor. Aunque nosotros hayamos apenas tocado la superficie de lo que esto puede llegar a ser, nos damos cuenta de la gran utilidad que puede alcanzar. Ahora sólo falta seguir introduciendo sensores para poder detectar otras cosas como la cantidad de agua en algún contenedor, el nivel de temperatura en alguna zona, o si hay humo en una habitación. Y también añadir más sistemas de control a la casa como algún sistema de riego o de apertura de llaves de agua o gas. También la aplicación debe ser mejorada para poder controlar todo esto, y como ya se mencionó, agregarle la posibilidad de conectarse a internet.
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Este fue un proyecto terminal en el que aplicamos muchos de los conocimientos que adquirimos durante toda la carrera, no sólo de electrónica digital sino también de electrónica analógica y un poco de comunicaciones. También con este proyecto logramos adentrarnos un poco en plataformas grandes como Arduino y Android, las cuales gozan de muy buena fama en estas áreas, y aunque sabemos que no son las únicas, son muy buenas para ya adentrarnos en cosas más serias y con mayores posibilidades de aplicación en el mundo real y profesional, y que seguramente serán un excelente y entretenido reto para estos nuevos Ingenieros en Electrónica.
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APÉNDICES
APÉNDICE A – LA TARJETA ARDUINO UNO
Figura A1. La tarjeta Arduino UNO (Vista desde arriba)
Figura A2. La tarjeta Arduino UNO (Vista desde abajo)
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Especificaciones
Microcontrolador ATmega328 Voltaje de operación 5V Voltaje de entrada (recomendado) 7 – 12V Voltaje de entrada (límite) 6 – 20V Pins digitales de entrada/salida 14 Pins digitales PWM de entrada/salida 6 Pins análogos de entrada 6 Corriente DC por pin de entrada/salida 40 mA Corriente DC por pin de 3.3V 50 mA Memoria Flash 32 KB Memoria Flash para el cargador de arranque 0.5 KB SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Velocidad de reloj 16 MHz Largo 68.6 mm Ancho 53.4 mm
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APÉNDICE B – EL TIRISTOR El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores, es decir, dependiendo de la temperatura actúa como conductor o aislante. Posee tres terminales: Ánodo (A), Cátodo(K) y Compuerta (G).
Figura B1. Símbolo del tiristor
Como se mencionó anteriormente el tiristor está compuesto por elementos semiconductores, distribuidos de la siguiente manera.
Figura B2. Estructura interna del tiristor
La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por la terminal de puerta. Se dice que es un dispositivo unidireccional, debido a que el sentido de la corriente es único.
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Figura B3. Curva característica del tiristor
La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es. Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara. Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente.
Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de este.
Este sería el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto sólo ocurre en el primer cuadrante de la curva.
Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.
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APÉNDICE C – EL TRIAC
El triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control: los tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.
Figura C1. Símbolo del triac
A1: Ánodo 1, A2: Ánodo 2, G: Compuerta.
El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa.
La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo).
De igual manera, la parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba)
Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma pata (la puerta o compuerta).
Lo interesante es que se puede controlar el momento de disparo de esta pata, y así controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. Debemos recordar que un tiristor sólo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor.
Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.
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APÉNDICE D – EL OPTOACOPLADOR
Un optoacoplador es un componente electrónico que se utiliza como transmisor y receptor óptico (de luz), es decir, pueden transmitir de un punto a otro una señal eléctrica sin necesidad de conexión física ni cables (por el aire), mediante una señal luminosa. Por eso también se llaman optointerruptores.
Activamos una luz y esta luz llega a un detector que genera una tensión de salida y actúa como interruptor cerrado. Si no se activa la luz o no le llega la luz al detector, este no genera ninguna tensión de salida, es decir interruptor abierto.
Si combinamos una fuente óptica (generalmente un LED) con algún tipo de detector óptico (generalmente un semiconductor de silicio llamado fototransistor) en un sólo encapsulado, el dispositivo resultante es un optoacoplador o interruptor óptico.
Suelen ser elementos que sustituyen a los relés tradicionales. Se suelen utilizar para aislar dos circuitos, uno que trabaja a poco tensión (el del LED), llamado de control y otro a mucha tensión o a una tensión diferente (el del detector) llamado de potencia.
Imagina que con una pequeña tensión activamos el LED del optoacoplador (por ejemplo a 5V) y la luz que emite el LED llega al detector del optoacoplador y activa el detector creando una tensión de salida a 220V. Podemos activar a la salida motores, lámparas, etc. a 220V desde otro sitio en el que solo tenemos 5V, sin riesgo apenas para el que lo activa.
La aplicación principal es en aislamiento entre los circuitos de control y los de potencia. Esto evita que la parte de trabajo (la del LED) no tenga casi riesgos para el que opera en ella, al no tener que trabajar con la parte de alta tensión o intensidad, que estaría separada.
El funcionamiento de estos dispositivos es el siguiente:
Tiene una salida de luz (LED) y una entrada de luz, que detecta cuando recibe la luz del LED, cuando esta rebota contra alguna superficie (fotodetector). Como se puede mirar es similar al transistor, pero en lugar de corriente con luz.
Cuando le llega una señal eléctrica a los dos extremos del LED (emisor) este emite una señal luminosa, que recibe el receptor o detector. Este al recibir esta señal luminosa genera en sus bornes (patillas) una tensión eléctrica, que será la tensión de salida.
Como se observa cuando le llega una tensión a la entrada se genera una luz y al recibirla el detector este genera una tensión de salida, es como un interruptor. Si no llega luz al detector el interruptor estará abierto, si le llega luz del LED el interruptor sería cerrado.
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Figura D.1 Esquema eléctrico de un optoacoplador
Figura D2. Encapsulado más común de un optoacoplador
Como se puede observar, las patas 1 y 2 son el emisor de luz y la 6 y 4 el receptor de la luz para que se active.
Hay muchos tipos diferentes de optoacopladores, pero todos tienen un foco emisor de luz LED. Lo que pueden cambiar es el receptor de luz que puede ser un fotodiodo, fototransistor, LASCR, etc.
Un parámetro muy importante en estos elementos es la eficiencia, este parámetro define qué cantidad de corriente necesitamos en el LED para obtener la salida deseada. En el transistor y en el darlington esto se llama Radio de transferencia de corriente (CTR), esto se calcula simplemente dividiendo la corriente de salida entre la corriente de entrada requerida. La mayoría de los optoacopladores trabajan a un CTR entre 10 y 50 por ciento.
El otro parámetro importante en optoacopladores es el voltaje de aislamiento el cual es de 7500 Volts durante 1 segundo.
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EL INTERNET DE LAS COSAS
• http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?code=INTERNET_OF_THINGS&tid=elq_cam1097&elq_mid=3312&elq_cid=1130905
• http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/white_paper/INTOTHNGSWP.pdf?elq_mid=3312&elq_cid=1130905&tid=elq_cam1097&elq=832c0e82431843a0a73d8297a9c46ba3&elqCampaignId=1369
