ADMINISTRADOR DE REGISTROS DE INFORMACIÓN DE CONDICIONES TÉRMICAS

A. Cortés Mánica1, S. Narváez Samuel1, E. Uicab Santos1, O. Carvajal Espinoza1, R. Atoche Enseñat1, O. Sánchez Siordia1, O. Moreno Franco1

1. CIESD – Instituto Tecnológico de Mérida Dir: Av. Tecnológico km. 4.5, C.P. 97118, Mérida, Yucatán, México.

Teléfono (9999) 44-81-13 Fax (9999) 44-81-81 E-mail: {acmanica, nassam10, lossehelin, ozzcarbajal, oskrsasi}@hotmail.com, jatoche@itmerida.mx, kingalo@ciesd.net

Resumen –– En este artículo muestra un sistema de adquisición de datos inalámbrico para la medición de temperatura llamado Datalogger SAX-06, con el cual el operador tiene la posibilidad de descargar la información del registro a su computadora personal de manera inalámbrica para realizar su estudio correspondiente. El aparato es escalable y permite el crecimiento del mismo a través de módulos de sensores configurables y compatibles con el sistema de adquisición. La transferencia inalámbrica de información se realiza de manera segura y rápida, aprovechando su alta velocidad de transferencia de datos. Cuenta con una interfaz visual para PC con la cual el operador podrá controlar las diversas funciones del administrador de registros, utilizando un layer amigable para su operación. Abstract –– This paper shows a wireless data acquisition system for measuring temperature conditions named Datalogger SAX-06, the operator is able to download the information to a notebook or a desktop computer for analyze it in back off. The device can expand its functions using sensors slots, witch must be compatible with the hardware interface. Wireless data transfer its made on quick and safe mode, getting advantage in the high speed data transfer. The system links with a computer software where the operator is able to control, manage, and restart the different functions of the wireless data acquisition system, through a friendly computer layer.

1. INTRODUCCIÓN

Automatizar una aplicación es un

proceso complejo, involucra diferentes usos de técnicas, metodologías y tecnologías para realizarlo. El estudio de las diferentes variables que afectan a la aplicación consiste en el uso del método científico para su estudio, y existen pocas herramientas

autómatas que apoyen en la búsqueda de resultados. Las comunidades científicas necesitan de herramientas que proporcionen de una solución a los diferentes problemas que encuentran el los objetos de estudio [1].

Los instrumentos de medición de condiciones ambientales son una herramienta útil para el registro y estadística de un proyecto. Un Sistema de Adquisición de Datos no es mas que un equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables de un proceso cualquiera. El sistema debe tener una estructura y organización muy equilibrada que le permita su buen funcionamiento de ello depende de que éste mismo rinda al máximo y sin ningún defecto [2].

El objetivo básico de estos sistemas de adquisición de datos es la integración de los diferentes recursos que lo componen : tranductores de diferentes tipos y naturaleza, multiplexores, amplificadores, conversores A/D y D/A, además el uso de microcontroladores, utilizando todas sus prestaciones: interrupciones, temporizadores, comunicación serie así como hacer uso de memorias y puertos externos y creando con todo ello un sistema que se encargue de una aplicación especifica para verificar diferentes variables (PH, humedad relativa, temperatura, iluminación, concentración, etc.) para un posterior uso de la información en la generación de estadística [3].

2. EL ADMINISTRADOR DE

REGISTROS

La arquitectura del sistema Datalogger SAX-06 se compone por cuatro etapas esenciales: los sensores de temperatura, el sistema de adquisición y acoplamiento de señales, la etapa de procesamiento y control digital, y el módulo de transmisión inalámbrica de información.

La etapa de sensores de temperatura esta formada por un dispositivo semiconductor que varía su voltaje de salida con respecto a la temperatura que se encuentra midiendo, este sensor es el LM35 [4].

La etapa de adquisición de señales contiene circuitos de comparación analógica, así como de muestreo y retención. A través de un convertidor analógico- digital, se acopla la señal adquirida a la etapa de procesamiento digital. Se utiliza el conversor análogo digital para obtener muestras periódicas de las condiciones térmicas del ambiente con el termómetro. Dichas muestras son almacenadas en una unidad de memoria para completar el registro.

La etapa de procesamiento digital contiene un microcontrolador PIC16F877A [5], con el cual se procesa la información obtenida para almacenarla en unidades de memoria. El sistema cuenta con un reloj en tiempo real, el cual contiene la información completa de la fecha y la hora actual, que es proporcionado al microcontrolador para tomar las muestras en un periodo de tiempo seleccionado por el usuario. Además incluye una pantalla de cristal líquido para desplegar información.

Finalmente la etapa de transmisión de datos es controlada por el microcontrolador, contiene una transmisión vía serial que es conectada directa al puerto RS232 de la PC, y una transmisión de información inalámbrica a través de un transceiver. Existe el módulo de transmisión del lado del sistema de adquisición y un módulo de recepción del lado de la PC, con un total de dos transceivers.

2.1. Sistema de Adquisición en Tiempo Real

Cuando se trata del manejo de mediciones y estadísticas resulta necesario llevar un control sobre las fechas de los muestreos utilizando un reloj en tiempo real. La funcionalidad del DS1302 provee de una útil herramienta para la estadística del tiempo.

Este dispositivo contiene un reloj/calendario y una RAM estática de 31 Bytes, se comunica con un microprocesador a través de una interfase serial SPI. Posee una característica importante la cual permite conectar una fuente de alimentación secundaria como lo es una batería, esto con el fin de no perder los datos de configuración. El DS1302 provee información de segundos, minutos, horas, días, meses, años. El fin de mes es ajustado de forma automática así como las correcciones para los años bisiestos. El reloj opera en formato de 24 y 12 horas ya que posee un indicador interno de AM/PM. Sólo se requiere de 3 cables para conectar el RTC a un microcontrolador CE(chip enable), I/O (data line), y SCLK (serial clock) [6].

2.2. Almacenamiento de Información

El dispositivo de almacenamiento del registrador de datos lo componen tres memorias 24AA1025 del fabricante Microchip las cuales se comunicaban a través de un bus I2C (Ver Figura 2) se trata de memorias EEPROM que a su vez pueden trabajar en rangos de voltaje que van desde los 1.8 a 5.5V orientadas a aplicaciones de bajo consumo. El sistema se vuelve escalable hasta para 4 memorias por cada par de cables de comunicación. Posee lecturas de acceso aleatorio o secuencial. La memoria se encuentra dividida en dos paginas, la primera va de la dirección 0000h a la FFFFh y la segunda va de la dirección 10000h a la dirección 1FFFFh [7].

2.3. Comunicación Inalámbrica: Transceiver

El transceiver es un simple chip de radio,

transmisor-receptor cuyo modelo es nRF2401, trabaja en la banda frecuencia mundial ISM 2.4 - 2.5 GHz. El nRF2401

consiste de un sintetizador de frecuencia totalmente integrado, un amplificador de

poder, un oscilador de cristal y un modulador-demodulador. La potencia de salida y los

Fig. 1. Diagrama a Bloques del Sistema de Adquisición de Datos Dtalogger SAX-06.

canales de frecuencia son fácilmentebloques programables mediante el uso de una interfaz serial de 3 vías. Su consumo actual es muy bajo, sólo 10.5mA con una potencia de -5dBm en el modo de transmisión y 18mA en el modo de recepción [8].

3. SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE

DATOS

Para poder descargar los datos

adquiridos con el Sistema fue necesario desarrollar un software visual para configurar el Administrador de Registro en modo de configuración o adquisición (Administrador del Datalogger SAX-06), configurar su reloj interno y descargar los datos. De igual manera se desarrolló el un programa servidor llamado Appserv 2.4.5 entre sus características importantes contiene una base de datos en MYSQL, el servidor Web llamado Apache que se utilizó con la finalidad de manipular, guardar, y mostrar la información vía Web respectivamente (Sistema de Consulta del Datalogger “SAX-06).

3.1. Software Administrador del Datalogger SAX-06

El software visual Administrador del

Datalogger SAX-06 sirve para poder Administrar los datos adquiridos del sistema de adquisición de datos. Los datos son

enviados vía serial por el PIC16f877A al módulo de radiofrecuencia transceiver y recibidos en el puerto serial de la computadora por otro módulo transceiver. Contiene una pantalla principal en modo de menú para poder acceder a cada función correspondiente (Ver Figura 2).

Fig. 2. Pantalla Principal del Software Administrador del

Datalogger SAX-06.

El software tiene 4 pantallas diferentes

en las que se pueden hacer las siguientes funciones:

Configuración del reloj interno.

Descarga de datos.

Visualización en tiempo real de la temperatura Ambiente.

Configuración del dispositivo en modo de Adquisición.

Sensor de Temperatura PIC16F877A Transceiver

REAL TIME CLOCK

MEMORY

BLOCK

3.1.1. Configuración del Reloj Interno

En la figura 3 se muestra la pantalla de configuración de reloj en la que básicamente el programa de la PC manda la hora y fecha del sistema al PIC16f877A para poder configurar el reloj interno del Datalogger “SAX-06” a una hora establecida vía inalámbrica.

Fig. 3. Pantalla de configuración del reloj interno.

3.1.2. Descarga de datos

En esta opción del menú y parte del

programa es donde se reciben los datos directamente del Datalogger “SAX-06” y los guarda en una base de datos para su futura visualización en este mismo programa. La figura 4 muestra el contenido de esta pantalla.

Fig. 4. Pantalla de descarga de Datos.

3.1.3. Visualización en tiempo real de la

temperatura Ambiente

Con esta pantalla se puede visualizar la temperatura que esta muestreando en tiempo real el Datalogger “SAX-06”, este a su vez tiene que estar enviando información al

puerto serial de la computadora de manera inalámbrica. La figura 5 muestra el contenido de esta pantalla.

Fig. 5 Pantalla redescarga de Visualización de

Temperatura.

4. Configuración del dispositivo en modo de Adquisición

La principal función de esta parte del

software es la de configurar al Datalogger “SAX-06” en modo de Adquisición; esto con la finalidad de que el dispositivo empiece a medir la temperatura a un tiempo deseado. En esta pantalla se selecciona de igual manera el tiempo de muestreo. La figura 6 muestra la pantalla completa.

Fig. 6. Pantalla de Modo de Adquisición.

3.2. Sistema de Consulta del Datalogger

“SAX-06” Para poder visualizar las temperaturas

registradas con sus respectivas fechas y horas se realiza una conexión a una base datos para habilitar la opción de almacenar y

manipular en tablas los datos de la memoria que han sido descargados, de la misma forma, se despliega la información en una pagina de Web en la que se muestran las temperaturas con sus respectivas fechas y horas. Se realizó la integración de diversos programas de cómputo para crear una plataforma software en la PC que funcione como servidor de información, utilizando los siguientes lenguajes:

Lenguaje PHP: Usado para crear paginas web dinámicas.

Lenguaje HTML, JAVA SCRIPT: Usados para crear páginas Web.

Sentencias SQL: Usado para crear comunicación entre las bases de datos.

El Sistema de Consulta del Datalogger

“SAX-06” se divide en las siguientes etapas:

Acceso al Sistema.

Manejo del Sistema.

3.2.1. Acceso al Sistema

Para consultar los datos es necesario

entrar al Sistema de Consulta del Datalogger “SAX-06” se introduce el nombre de Usuario y el Password y se siguen las instrucciones que indica la página.

La figura 7 muestra la pantalla de acceso al Sistema de Consulta del Datalogger “SAX-06”; aquí es necesario que el operador ingrese el nombre de usuario y contraseña para poder acceder.

Fig. 7. Pantalla de inicio del Sistema de Consulta del Datalogger “SAX-06”.

3.2.2. Manejo del Sistema

En esta pantalla de la figura 8 se muestra información sobre el manejo del sistema, donde el operador puede ingresar las palabras clave de búsqueda.

Fig. 8. Pantalla de autentificación del Sistema de Consulta del Datalogger “SAX-06”

En la figura 9 se muestra la pantalla de

consulta de una hora y fecha específica de los datos descargados del sistema de adquisición de datos.

Fig. 9. Pantalla de inicio del Sistema de Consulta del

Datalogger “SAX-06”.

4. FUNCIONAMIENTO

El Datalogger “SAX-06” tiene dos modos de operación el de Configuración y Adquisición. Para el Modo Configuración el dispositivo está listo para ser conectado a la computadora a través del transceiver para configurar sus funciones. En el Modo Adquisición el dispositivo esta listo para empezar a Adquirir datos y almacenarlos

El Datalogger “SAX-06” está configurado para que se cargue en modo de Configuración al momento de encenderlo, esto con la finalidad de poder cargar la hora actual.

4.1. Modo Configuración

Para la Configuración del Reloj Interno se selecciona el botón de la

pantalla del Menú Principal esto hará que el software muestre la pantalla de Configurar Reloj interno, una vez abierta la pantalla se

selecciona el botón para preparar al Datalogger “SAX-06” en modo de recibir datos; Después de seleccionar este botón se activara en la parte superior izquierda el

siguiente Botón este le mandará al Microcontrolador PIC 16f877A del Datalogger la rutina de inicio_CLK que es la encargada de configurar y desplegar en el LCD la hora que ha sido enviada desde la computadora, una vez realizado esta operación se

selecciona el botón de cerrar y pondrá al microcontrolador PIC16f877A en la rutina de modo de espera.

4.2. Modo Adquisición

Para entrar a este modo se selecciona el

botón , se abrirá la ventana de Modo De Adquisición, aquí se selecciona cuanto tiempo de muestreo se desea, esto pondrá al microcontrolador PIC16f877A en la rutina donde espera el valor de muestreo y luego activa el ADC, para tomar la temperatura, después guarda la temperatura, hora, fecha en las memorias, regresa de nuevo y espera el tiempo de muestreo que se selecciono para repetir la función.

4.3. Descarga de Datos

Para descargar los datos del Datalogger “SAX-06” se selecciona el siguiente botón

del menú principal, se abrirá una nueva ventana que será la de Descarga de

datos , se selecciona el botón para informar al microcontrolador PIC16f877A que prepare los datos a enviar hacia la PC, inmediatamente se activará un botón en el

lado superior izquierdo ; cuando se presiona mandará al microcontrolador PIC16f877A a ejecutar la rutina encargada de

leer las primeras 100 direcciones de las tres memorias y mandarlas a la PC. Cada dato es procesado y guardado en un tabla de la base de datos; todo eso se hace con el evento que se dispara en el “Administrador del Datalogger SAX-06”. Una vez que termina el Datalogger “SAX-06” de transmitir los datos de al memorias dentro del programa “Administrador del Datalogger SAX-06” se crea una nueva tabla en la base de datos con todos los datos descargados (Ver Tabla 1). Temperatura Horas Minutos Segundos

26.3 19 00 5

26.3 19 10 5

27.8 19 20 5

26.9 19 30 5

31.1 19 40 5

30.5 19 50 5

30.2 20 00 5

29.9 20 10 5

28.2 20 20 5 Tabla 1. Muestra de base de datos en el software

“Administrador del Datalogger SAX-06”.

Integrando las etapas anteriores se

obtiene el sistema de Administrador Inalámbrico de Registros de Información de Condiciones Térmicas, con lo que el usuario podrá introducir los sensores de temperatura a los contenedores donde desee obtener la medición de temperatura, el sistema cuenta con una pantalla de cristal líquido para visualizar en el lugar donde se toma la medición el valor de la temperatura actual, el operador si lo desea podrá llevar su computadora al lugar de las mediciones para descargar los valores obtenidos en un periodo de tiempo, ó descargarlos de manera remota a través de la transmisión inalámbrica.

5. CONCLUSIONES

El sistema de adquisición de datos

inalámbrico Datalogger SAX-06, ofrece un

comportamiento estable al momento de realizar las muestras de temperatura. El uso de tecnología inalámbrica provee al operador la comodidad de colocar el sistema en algún lugar deseado para realizar la medición y de manera remota descargar la información a una base de datos, sin tener que llevar todo el equipo hasta el punto donde se toman las muestras, esto para evitar que se dañe el equipo de cómputo en el trayecto.

Una vez descargada la información el

operador podrá compartir la base de datos con cualquier persona que tenga acceso a la Internet, utilizando el software de acceso. Así los operadores remotos pondrán obtener la información de las muestras y actualizar sus bases de datos para generar la estadística que necesiten.

El sistema ofrece escalabilidad por lo que en futuras implementaciones es posible añadir mayor número de sensores para incrementar las funciones del sistema de adquisición de datos, siendo estos módulos nuevos configurables y compatibles en diseño y adaptación con el sistema base.

6. REFERENCIAS

[1] G. Bucci, F. Ciancetta, and E. Fiorucci,

“A DSP-Based Wireless and Modular Data Acquisition Unit for Real-Time

Measurement”, Universita di L'Aquila, March 16, 2005.

[2] MAXIM Semiconductor, “Electrical

Engineering Glossary Definition for Data Acquisition System”, USA, 2007.

[3] B. Griffith, “Essential Components of Data Acquisition Systems”, Agilent

Technologies, January 11, 2002.

[4] National Semiconductor, “LM35 -

Precision Centigrade Temperature Sensor Data Sheet”, USA, 2007.

[5] Microchip, “8 Bit Microcontroller

PICMICRO 16F877A Data Sheet”, USA, 2007.

[6] Maxim Integrated Circuits, “Trickle-

Charge Timekeeping Chip Data Sheet”,

USA, 2007. [7] Microchip, “24AA1025 1024K I2C CMOS

Serial EEPROM Data Sheet”, USA, 2007. [8] Nordic Semiconductor, “2.5 GHz

nRF2401 Transceiver Data Sheet”, USA,

2007.