Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos

Documento: Memoria Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 2 Resumen El uso de los ultrasonidos abarca un rango de utilidades muy amplio. Es por eso que se pueden utilizar en tantos campos y de tantas formas distintas. En este caso, el proyecto se centrará en un sistema de balizas basadas en ultrasonidos. La principal funcionalidad que se le busca al proyecto, es el hecho de poder comunicar dos dispositivos, que denominaremos balizas, con los que poder determinar la distancia a la que se encuentra uno del otro en un plano de una dimensión. Esta comunicación será posible mediante dos módulos de radiofrecuencia, uno para la transmisión y otro para la recepción. Lo que se quiere conseguir con la comunicación mediante radiofrecuencia, es determinar el momento en el que el transmisor empezará a emitir la señal de ultrasonidos para, en el proceso final, poder calcular la distancia a la que se encuentra una baliza de la otra. A la baliza transmisora se le conocerá como la baliza principal y a la receptora como sonda. Este sistema se podría ampliar con balizas secundarias. Para poder llegar a un resultado óptimo donde se puedan interpretar correctamente las señales de ultrasonidos, están los dos circuitos correspondientes cada uno a la transmisión de la señal de ultrasonidos y otro para la recepción. En la recepción, necesitaremos etapas de amplificación de la señal con filtraje de corriente continua y ruido para diferenciar claramente entre los pulsos recibidos. Y en la de transmisión, de la misma manera, amplificación de la señal para que sea clara y con suficiente energía para el caso en el que tenga que abarcar distancias más largas. Por último, para el funcionamiento del sistema se necesitan utilizar dos módulos Arduino UNO para la parte en la que se define el comportamiento de las dos balizas. De esta forma, podremos definir correctamente: la frecuencia a la que se emitirá la señal, cuándo se emitirá cada tipo de señal, y cada cuánto se repetirán las transmisiones. De la misma manera, mediante el software de Arduino, veremos que en el monitor serie del programa de la baliza receptora, se mostrarán los valores calculados por el mismo programa diseñado previamente. Estos, corresponden a la distancia entre las dos balizas. 3 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Abstract The use of ultrasound covers a very wide range of uses. That is why they can be used in so many fields and in so many different ways. In this case, the project will focus on a beacon system based on ultrasound. The main functionality that is sought for the project is the fact of being able to communicate two devices, which we will call beacons, with which to be able to determine the distance at which one is from the other in a one-dimensional plane. This communication will be possible through two radiofrequency modules, one for transmission and one for reception. What you want to achieve with radiofrequency communication is to determine the moment in which the transmitter will begin to emit the ultrasound signal so that, in the final process, you can calculate the distance between one beacon and the other. The transmitting beacon will be known as the main beacon and the receiving beacon as the sonar. This system could be expanded with secondary beacons. In order to reach an optimal result where the ultrasound signals can be correctly interpreted, there are two circuits each corresponding to the transmission of the ultrasound signal and another for reception. On reception, we will need signal amplification stages with DC and noise filtering to clearly differentiate between the received pulses. And in transmission, in the same way, amplification of the signal so that it is clear and with enough energy for the case in which it has to cover longer distances. Finally, for the operation of the system it is necessary to use two Arduino UNO modules for the part in which the behavior of the two beacons is defined. In this way, we will be able to correctly define: the frequency at which the signal will be broadcast, when each type of signal will be broadcast, and how often the transmissions will be repeated. In the same way, using the Arduino software, we will see that the values calculated by the same program previously designed will be displayed on the serial monitor of the receiving beacon program. These correspond to the distance between the two beacons. 4 Sumario Resumen 3 Abstract 4 Sumario 5 Índice de tablas 7 Índice de figuras 8 Glosario 9 Acrónimos 9 Símbolos 9 1. Introducción 10 1.1 Justificación 10 1.2 Antecedentes 11 1.2.1 Historia de los ultrasonidos 11 1.2.2 Teoría física de los ultrasonidos 12 1.2.2.1 Movimiento de la onda 12 1.2.3 Historia de la radiofrecuencia 13 1.2.4 UHF o Ultra High Frequency 13 1.2.5 Modulación ASK o Amplitude-Shift Keying 13 1.3 Requisitos 14 1.4 Alcance del proyecto 15 1.5 Diseños preliminares 17 2. Diseños 18 2.1 Metodología utilizada 18 2.1.1 Ventajas de la metodología Waterfall 19 2.1.2 Desventajas de la metodología Waterfall 19 2.2 Recursos utilizados 20 2.3 Investigación de funcionamiento general 21 2.4 Descripción del diseño del receptor 22 2.4.1 Hardware 22 2.4.1.1 Diseño de la recepción por ultrasonidos 23 2.4.1.2 Diseño de la recepción por radiofrecuencia 27 2.4.1.3 Diseño del hat receptor 28 2.4.1.3.1 Soldadura 29 2.4.2 Software 31 5 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 2.5 Descripción del diseño del transmisor 33 2.5.1 Hardware 33 2.5.1.1 Diseño de la transmisión por ultrasonidos 33 2.5.1.2 Diseño de la transmisión por radiofrecuencia 35 2.5.1.3 Diseño del hat transmisor 36 2.5.1.3.1 Soldadura 37 2.5.2 Software 39 2.6 Diseño de las antenas de radiofrecuencia 41 2.6.1 Antena Receptora 42 2.6.2 Antena Transmisora 43 3. Resultados 44 3.1 Ámbito de utilización 44 3.2 Validación de los diseños 45 3.3 Descripción del funcionamiento 47 3.4 Aplicaciones del proyecto 47 4. Comentarios finales 48 4.1 Plan de trabajo 48 4.2 Listado de materiales 49 4.2.1 Listado de materiales necesarios 49 4.2.2 Listado de materiales complementarios 49 4.3 Presupuesto 50 4.4 Análisis y valoración de las implicaciones ambientales y sociales 52 4.5 Hitos conseguidos 52 4.6 Conclusiones 53 4.7 Mejoras futuras 54 5. Bibliografía 55 5.1 Recursos web 55 5.2 Vídeos 58 5.3 Datasheets 58 5.4 Esquemáticos 59 5.5 Manuales de instrucciones 59 5.6 Listado de componentes 60 5.7 Listado de programas 62 6 Índice de tablas Tabla 1. Listado de materiales necesarios. 49 Tabla 2. Listado de materiales complementarios. 49 Tabla 3. Factura de los componentes utilizados. 50 Tabla 4. Factura de los materiales complementarios. 51 Tabla 5. Factura total del proyecto. 51 Tabla 6. Listado de componentes necesarios para el “hat” receptor. 60 Tabla 7. Listado de componentes necesarios para el “hat” transmisor. 61 7 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Índice de figuras Figura 1. Silbato Galton. (Fuente: Wikipedia) 12 Figura 2. Guillermo Marconi. (Fuente: Historia National Geographic) 13 Figura 3. Distintos tipos de modulaciones digitales. (Fuente: Google Sites) 14 Figura 4. Esquema general. 17 Figura 5. Grove Ultrasonic Ranger. (Fuente: Gizmojo) 21 Figura 6. Conexionado entre Grove Ultrasonic Ranger y Arduino UNO R3. 21 Figura 7. Circuito de recepción de ultrasonidos. (kerrywong.com) 23 Figura 8. Fórmula de la reactancia capacitiva. 23 Figura 9. Gráfica de la reactancia capacitiva. 24 Figura 10. Reactancia capacitiva a altas y bajas frecuencias. 24 Figura 11. Cálculo de la ganancia. 24 Figura 12. Cálculo de las frecuencias del sistema. 25 Figura 13. Curva característica de un diodo. (Fuente: sensoricx.com) 25 Figura 14. Detector de envolvente. (Fuente: unican.es) 26 Figura 15. Receptor de radiofrecuencia XY-MK-5V. (Fuente: programarfacil.com) 27 Figura 16. Conexionado del módulo receptor de radiofrecuencia. 28 Figura 17. Placa de topos. 28 Figura 18. Diseño del “hat” receptor. 29 Figura 19. Parte superior del “hat” receptor. 30 Figura 20. Parte inferior del “hat” receptor. 30 Figura 21. Diagrama de flujo del programa receptor. 32 Figura 22. Circuito de emisión de ultrasonidos. 34 Figura 23. Transmisor de radiofrecuencia fs1000A. (Fuente: programarfacil.com) 35 Figura 24. Conexionado del módulo transmisor de radiofrecuencia. 36 Figura 25. Diseño del “hat” transmisor. 37 Figura 26. Parte superior del “hat” transmisor. 37 Figura 27. Parte inferior del “hat” transmisor. 38 Figura 28. Estructura de soportes para la bobina. 38 Figura 29. Diagrama de flujo del programa transmisor. 40 Figura 30. Diagrama de radiación de una antena monopolo de cuarto de onda. 41 Figura 31. Cálculo de la longitud de onda y lambda cuartos. 42 Figura 32. Diseño de antena monopolo rizada receptora de radiofrecuencia. 42 Figura 33. Diseño de antena monopolo transmisora de radiofrecuencia. 43 Figura 34. Sistema de balizas basadas en ultrasonidos. 44 Figura 35. Regresión lineal. 46 Figura 36. Diagrama de Gantt. 48 8 Glosario Acrónimos US: Ultrasonidos. Son aquellos sonidos cuya frecuencia está por encima de la capacidad de audición del oído humano, es decir, por encima de los 20 kHz. RF: Radiofrecuencia. Son la porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre los 3 Hz y los 300 GHz. OpAmp: Operational Amplifier en inglés, Amplificador Operacional en español. ASK: Amplitude-Shift Keying en inglés, Modulación por desplazamiento de amplitud UHF: Ultra High Frequency en inglés, Frecuencia ultra alta en español. Es la banda de radiofrecuencia que va desde los 300 a los 3000 MHz. Tx: Transmisor o transmisión. Rx: Receptor o recepción. LNA: Low Noise Amplifier en inglés, Amplificador de bajo ruido en español. Es un amplificador el cual garantiza una gran ganancia en la señal sin amplificar el ruido generado. AC: Corriente Alterna. DC: Corriente Contínua. Símbolos : Velocidad de la luz, con un valor de 3·108m/s. 𝑐 : Longitud de onda, expresada en [cm]. λ : Frecuencia, expresada en [Hz], [kHz] o en [MHz]. 𝑓 : Frecuencia de corte. 𝑓𝑐 T : Periodo, expresado en [s], [ms] o en [µs]. : Tensión o voltaje, expresado en [V]. 𝑉 : Tensión umbral, de codo o de partida. 𝑉𝑦 : Tensión de ruptura. 𝑉𝑟 : Corriente, expresada en [A]. 𝐼 : Corriente máxima. 𝐼𝑚𝑎𝑥 : Corriente inversa de saturación. 𝐼𝑠 9 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 4. Fase de montaje: Montaje de todos los circuitos electrónicos y estructura general del proyecto. a. Montaje de los circuitos electrónicos en placa protoboard para el “testing”. b. Soldadura de componentes en “hats”. c. Soldadura de circuitos de interconexión en “hats”. d. Montaje de las antenas emisoras y receptoras de radiofrecuencia. 5. Fase de comprobación: Comprobación y verificación del funcionamiento del sistema. a. Comprobación del funcionamiento de componentes y correcto estado. b. Verificación del funcionamiento de los circuitos en protoboard. c. Correcta soldadura en los componentes y pistas de los “hats”. d. Test de continuidad de los “hats”. e. Correcto funcionamiento de los “hats” ya soldados. f. Comprobación del funcionamiento del sistema de radiofrecuencia. g. Comprobación del funcionamiento del sistema de ultrasonidos. h. Comprobación del funcionamiento del sistema conjunto. (radiofrecuencia y ultrasonidos) i. Rediseño en caso de un mal funcionamiento de cualquier sistema. (en este caso volveremos a aplicar las comprobaciones necesarias una vez arreglado el mal funcionamiento) 16 1.5 Diseños preliminares Antes de realizar los diseños de la baliza principal y la sonda, se realizó un esquemático preliminar para aclarar la funcionalidad general del proyecto. Con esto conseguimos definir de una forma más gráfica cómo será el funcionamiento final con los diseños pensados para ello. Figura 4. Esquema general. Como se puede observar en la Figura 4, el sistema final tendría la forma esquematizada. Principalmente, tendríamos las dos balizas encaradas la una con la otra, de manera que se pueda recibir la señal de radiofrecuencia y la de ultrasonidos correctamente. También se deberán tener las dos balizas alimentadas. La baliza principal por una fuente de alimentación de 12V, y la baliza sonda por el mismo USB de conexión con el PC. Para su correcto funcionamiento las dos placas Arduino UNO R3 deberán tener sus programas previamente cargados para que hagan su funcionalidad. A su vez, el “hat” principal como el “hat” sonda deberán estar conectados a sus respectivas placas arduino para la comunicación y transmisión de datos, teniendo en cuenta que estos tienen acoplados consigo el módulo de transmisión y recepción de radiofrecuencia cada uno con su antena monopolo. 17 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos El inicio de la transmisión, el punto de partida de la comunicación, iniciará en el arduino de la baliza principal. Desde aquí, tal y como se le indicará desde el programa arduino cargado, se enviará principalmente una señal de radiofrecuencia para sincronizarse con la baliza sonda. Seguidamente, se transmitirán los pulsos de señal de ultrasonidos para que, en el momento en el que reciba la señal la baliza sonda, esta misma guarde un registro del momento en el que le han llegado las dos señales, tanto la de radiofrecuencia como la de ultrasonidos. Con estas dos marcas de tiempo, se podrá calcular la distancia a la que se ubica la baliza sonda ya que sabemos que la velocidad del sonido es de 343 m/s suponiendo que hay una temperatura aproximada de 20ºC. Una vez hecho el cálculo de la distancia a la que se encuentra, a órdenes del programa del arduino de la baliza sonda, se mostrará la distancia calculada por pantalla con una frecuencia de un segundo y en el orden de centímetros. 2. Diseños En este apartado, se verá todo el proceso realizado en el proyecto de una forma más profunda, desde la metodología utilizada a la hora de trabajar semanalmente hasta los procesos más detallados del funcionamiento del sistema diseñado. Se explicará todo el desarrollo del sistema diseñado tanto por la parte del hardware como por la parte del software, dividiendo estas dos en radiofrecuencia y ultrasonidos. También se explicará el proceso de montaje y la lógica que se ha aplicado al programa diseñado para el funcionamiento del resultado final del proyecto. 2.1 Metodología utilizada A lo largo de la realización del proyecto, se ha ido siguiendo una metodología de trabajo basada en la metodología en cascada o “waterfall”. Esta metodología es la más tradicional en proyectos de desarrollo de software, siendo así la más utilizada en los últimos 30 años. Consiste básicamente en desarrollar un proyecto dividiéndolo en diferentes procesos que se ejecutan de forma secuencial, es decir, inicialmente se define un objetivo a conseguir y se planifica cómo llegar hasta este. Principalmente se empezará con una fase de investigación, análisis y diseño y finalmente, se acabará con una fase de testeo y puesta en producción. Las diferentes fases de esta metodología se podrían dividir en las siguientes: 1. Captura y documentación de requisitos. 2. Diseño. 3. Desarrollo. 4. Test. 5. UAT (User Acceptance Testing). 6. Corrección de errores y ajustes finales. 7. Puesta en producción. 18 Cada una de estas fases representa una etapa diferenciada en el desarrollo del producto final. Deben darse cada una de ellas por concluida antes de pasar a la siguiente fase y por lo general, entre cada una de ellas se tiene un hito bloqueante que nos impide avanzar a la siguiente si es que este no se libera adecuadamente. Por ejemplo, si seguimos teniendo errores en el funcionamiento del proyecto, no podemos avanzar a ponerlo en producción porque funcionará de una forma no deseada y que no cumple con los objetivos marcados al inicio del proyecto. Cabe destacar que utilizar este tipo de metodología tiene sus ventajas y desventajas y el hecho de ser una de las metodologías más clásicas y más usadas en la mayoría de los proyectos hace que sea una de las mejores herramientas para trabajar. 2.1.1 Ventajas de la metodología Waterfall Este tipo de metodología aporta muchos aspectos positivos a la hora de desarrollar un proyecto: ● Debido a que se analiza principalmente el alcance que tiene, el progreso es más fácil de medir y seguir. ● Ya que el diseño se completa al principio del ciclo de vida de desarrollo, esta metodología es ideal para proyectos en los que se deben diseñar múltiples componentes de software, a veces en paralelo, para su integración con sistemas externos. ● Finalmente, el software puede ser diseñado por completo y con más cuidado, basado en una comprensión más completa de todos los entregables del software. 2.1.2 Desventajas de la metodología Waterfall Como toda metodología, también tiene sus puntos negativos, en los cuales menos destaca: ● Principalmente, no es un modelo ideal adaptado para la realización de proyectos de gran tamaño. ● En el caso de que los requisitos y la planificación del proyecto no estén muy claros al principio, es un método poco efectivo. ● El proceso de prueba comienza una vez finaliza el desarrollo. Es por eso, que hay muchas posibilidades de encontrar errores que pueden ser caros de solucionar por cuestión de retraso en los objetivos y pérdida de tiempo con mayor demora en un apartado. ● Otro inconveniente del desarrollo waterfall es la posibilidad de que el cliente no esté satisfecho con el producto de software suministrado. Dado que todos los entregables se basan en requisitos documentados, es posible que un cliente no vea lo que se entregará hasta que esté casi terminado. Para entonces, los cambios pueden ser difíciles de implementar y costosos. 19 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 2.2 Recursos utilizados Los recursos utilizados para la realización de este proyecto, han sido en gran parte pertenecientes al laboratorio de física del edificio TR1 de la ESEIAAT. Por otra parte, muchos otros recursos que han ayudado a lo largo del transcurso del proyecto han sido por herramientas propias ya adquiridas anteriormente. Los recursos utilizados a lo largo del proyecto que han sido prestados por el laboratorio de física, han sido los siguientes: ● Osciloscopio ● Generador de funciones ● Fuente de alimentación ● Multímetro ● Sondas de osciloscopio ● Ordenador Estos recursos han sido utilizados mayoritariamente para la fase de investigación previa al montaje y diseño final del proyecto. También sirvieron para el testeo de distintas fases, para comprobar que se podía pasar a la siguiente sin ningún problema y ningún error que nos condicionase en un futuro a volver atrás para resolverlos. Los demás recursos ya adquiridos anteriormente y que son necesarios para la realización completa del proyecto son los siguientes: ● Soldador de lápiz ● Rollo de estaño 1mm ● Flux para soldar ● Cables de conexión Estos, en diferencia, están más orientados al desarrollo del hardware necesario que se utilizará en el proyecto, sobre todo en la parte de la soldadura de componentes en las placas “hat” de las balizas principal y sonda. 20 2.3 Investigación de funcionamiento general Debido a que el proyecto se basa en dos únicas balizas, una para la recepción y otra para la transmisión, principalmente se acudió a un diseño ya diseñado llamado Grove Ultrasonic Ranger para anticipar algunas características del resultado final, al menos por la parte de ultrasonidos. Este dispositivo contiene el altavoz y el micrófono utilizados en los montajes del proyecto. Por lo tanto, nos era de gran interés saber si nos proporcionarían el resultado esperado. Figura 5. Grove Ultrasonic Ranger. (Fuente: Gizmojo) Para realizar las pruebas con el Grove Ultrasonic Ranger y ver el alcance que tenían los componentes de ultrasonidos que nos interesaban, debíamos conectarlo a la placa Arduino UNO R3. El cableado es simple mediante 4 cables de conexión, aunque realmente solo harían falta 3 de ellos. Uno para la alimentación, otro para la masa y el último para el canal de transmisión y recepción de datos. El conexionado de la placa es el siguiente: Figura 6. Conexionado entre Grove Ultrasonic Ranger y Arduino UNO R3. 21 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Debe estar conectado de la forma en como está en la Figura 5. De tal forma en que estén: VCC - 5V, Trig - PIN 10, Echo - PIN 13 y GND - GND. El siguiente paso será la realización del programa en el software propio de Arduino IDE. Este programa deberá devolvernos por el monitor serie la distancia a la que se encuentra de un objeto en el orden de centímetros. Esta distancia se calculará internamente debido a la diferencia de tiempo entre que se transmite la señal de ultrasonidos hasta que se recibe por la parte de recepción del dispositivo. De esta misma manera, se quiere aplicar al resultado final de este proyecto, pero utilizando dos dispositivos diferentes el uno independiente del otro por completo.6 2.4 Descripción del diseño del receptor Para empezar a diseñar nuestro proyecto, es indiferente el hecho de empezar por la baliza principal o por la sonda. La realización final ha sido realizada de forma paralela, es decir, se hacían los dos diseños por separado pero al mismo tiempo. Primero es conveniente empezar por la parte del diseño del hardware, la cual, se dividirá en dos etapas. Una para la parte de la recepción de ultrasonidos y otra para la recepción de radiofrecuencia. La razón por la cual es conveniente empezar por esta parte del proyecto, se debe a que si empezáramos por la parte de software no podríamos verificar el correcto funcionamiento del proceso realizado hasta no haber completado antes el hardware para poder probarlo con su debido tratamiento de la señal. Primero, se diseñará el circuito (esquemático), teniendo en cuenta todos los aspectos que se van a tratar de la señal y adaptando todos los componentes para las frecuencias a las que se quiere trabajar. Después se realizará la prueba de funcionamiento en protoboard del circuito y finalmente se soldará todo el circuito en la placa de topos juntando la parte de ultrasonidos y radiofrecuencia. Estos tendrán que estar conectados cada uno a los pines correspondientes del Arduino UNO R3 para su correcto funcionamiento. Después, se realizará un test de continuidad y de funcionamiento para, finalmente, acabar diseñando y aplicando el programa generado en el entorno de Arduino IDE. 2.4.1 Hardware Empezaremos desarrollando la parte del hardware antes de realizar todo el sistema software, de tal manera que una vez completo el hardware se puedan realizar las pruebas y cambios necesarios en el software para acabar de ajustarlo correctamente. También, otra de las razones por las que empezar con el diseño y montaje del hardware se debe a que se tiene más rango de tiempo para posibles rectificaciones en caso de que el funcionamiento del sistema de algún tipo de error y se tenga que hacer un rediseño del circuito o tener que volver a montar la placa por causa de algún componente roto o quemado por culpa de una posible mala soldadura. 6Ver en el Anexo A.1. 22 2.4.1.1 Diseño de la recepción por ultrasonidos Principalmente se deberá empezar con el diseño del circuito que tratará la señal recibida en nuestro micrófono. El diseño escogido para el circuito de amplificación de señal y reducción de ruido se basa en dos etapas de amplificación con un OpAmp doble, el cual es el TL082. El hecho de que el circuito tenga dos etapas de amplificación se debe al hecho de convertir la señal en una sinusoide de señal cuadrada y a que su rendimiento está determinado en gran medida por la sensibilidad del receptor el cual está adaptado para un nivel de potencia de transmisor determinado. Ya que la señal recibida suele ser muy débil (menos de 1 mV), se necesita un amplificador de bajo ruido (LNA) y con alta ganancia para garantizar un rendimiento óptimo. Figura 7. Circuito de recepción de ultrasonidos. (Fuente: kerrywong.com) Como se puede observar en la figura 8, tenemos dos etapas de amplificación conectadas mediante un acoplo por condensador. Hoy en día este tipo de acoplo es el más utilizado por el hecho de que es el más barato. Lo que conseguimos con este tipo de acoplo es el hecho de hacer que pase la corriente alterna y no la contínua de la señal. De esta forma reduciremos el ruido para que la señal amplificada proveniente de la primera etapa de amplificación sea un poco más clara y esté preparada para la segunda etapa. Esta propiedad se debe a la reactancia capacitiva la cual está definida por la siguiente fórmula: Figura 8. Fórmula de la reactancia capacitiva. 23 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Y se expresa con el siguiente gráfico: Figura 9. Gráfica de la reactancia capacitiva. Expresado en el gráfico de la Figura 9, podemos ver que a frecuencias altas, tiende a tener una resistencia 0 y a frecuencias bajas tiende a tener una resistencia infinita, que es exactamente lo que se desea. Lo que significa que la contínua al estar en frecuencias bajas (0 Hz), y la alterna, en la cual se encontrará nuestra señal (a frecuencias más altas), la dejamos pasar. De esta forma, conseguimos una amplificación en cada una de las etapas de forma limpia y legible. Figura 10. Reactancia capacitiva a altas y bajas frecuencias. Con este acoplo, lo que también se consigue es la adaptación de las impedancias entre etapas de amplificación. De tal forma que no haya ningún conflicto generado entre etapa y etapa. Este acoplo también se podría haber realizado con un transformador, pero el coste general es mucho más caro y no se rige al objetivo del proyecto el cual es realizarlo de la manera más económica posible. En este diseño se ha utilizado un amplificador con filtro de banda estrecha invertido, distribuido en dos etapas. Cada una de ellas tiene una ganancia de alrededor de 36,5 dB y el circuito en general tiene una ganancia de tensión combinada de 73 dB. 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = −𝑅2 𝑅1 = −80𝑘Ω 1,2𝑘Ω =− 67 = 36, 5𝑑𝐵 𝐺𝑇 = 𝐺1+ 𝐺2= 73𝑑𝐵 Figura 11. Cálculo de la ganancia. 24 Las frecuencias de corte que encontramos en este sistema están entre aproximadamente 20 kHz y 60 kHz: 𝑓𝑐ℎ𝑖𝑔ℎ = 1 2π𝑅2𝐶2 = 1 2π·80𝑘Ω·33𝑝𝐹 = 60, 3 𝑘𝐻𝑧 𝑓𝑐𝑙𝑜𝑤 = 1 2π𝑅1𝐶1 = 1 2π·1,2𝑘Ω·6,8𝑛𝐹 = 19, 5 𝑘𝐻𝑧 𝑓𝑚 = 𝑓𝑐𝑙𝑜𝑤 + 𝑓𝑐ℎ𝑖𝑔ℎ 2 = 60,3 + 19,5 2= 39, 9 𝑘𝐻𝑧 Figura 12. Cálculo de las frecuencias del sistema. Con estos cálculos, podemos ver que la frecuencia de corte central se sitúa aproximadamente en los 40 kHz, que es la frecuencia deseada para el sistema que se quiere diseñar. Debido a que estamos utilizando una sola fuente de alimentación, el voltaje de salida del OpAmp se centra alrededor de Vcc/2. Para facilitar el procesamiento del eco, se utilizan un diodo (1N4148), un condensador (0.1uF) y una resistencia (10k) para demodular la señal y un condensador de acoplamiento (1uF) para eliminar la señal demodulada de la DC. En el procesamiento final del circuito el diodo, al ser semiconductor, actuará como un rectificador de señal, lo que quiere decir, que los valores negativos de la señal los eliminará. Esto se debe a que si vemos la curva característica I-V de un diodo, consta de dos regiones diferentes. Figura 13. Curva característica de un diodo. (Fuente: sensoricx.com) Cuando se encuentre por debajo de cierta diferencia de potencial, el diodo se comporta como un circuito abierto, y cuando se encuentra por encima, como un cortocircuito. 25 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Para la realización de este programa se ha realizado un diagrama de flujo para saber los pasos que realiza el programa: Figura 21. Diagrama de flujo del programa receptor. 32 2.5 Descripción del diseño del transmisor De igual manera que se ha realizado para la parte de la baliza sonda, se aplicarán los mismos procedimientos para la baliza principal, es decir, la encargada de la parte transmisora del sistema. En este caso, primero diseñaremos un “hat” cuya funcionalidad será la de tratar la señal para que siendo generada desde el programa arduino, tengamos una señal de pulsos rectangulares de US. En este “hat”, también estará presente la parte del circuito correspondiente a la comunicación por RF. El objetivo del diseño de este circuito principal para tratar la señal de US, será el de amplificar la señal de manera que no se amplifique de manera exagerada el ruido de la señal, si no los pulsos que se quieren transmitir para que quede una señal completamente legible, limpia y con suficiente potencia para que la baliza sonda la reciba con suficiente energía como para mínimo, distinguir la señal. Por otro lado, cuando se realice la parte del programa en el que se genera tanto la señal de RF como la de US conjuntamente, se tendrá que tener en cuenta la frecuencia a la que se quiere emitir la señal, los pulsos que se quieren emitir en un período T determinado de tiempo y calcular el tiempo de espera necesario para que la señal se transmita correctamente y sin ningún tipo de problema ni interferencia. 2.5.1 Hardware Empezando por la parte del hardware de esta baliza principal, nos centraremos primero en el diseño del circuito que trata la señal de US que se emitirá. El hecho de ser lo primero que se debe diseñar, es por el hecho de que es quizá un proceso más elaborado de realizar y que puede generar muchos errores que pueden llevar tiempo a resolver. Es por esto, que lo ideal sea la realización de esta parte la primera. De esta manera, se tendrá el tiempo suficiente para arreglar los problemas generados en caso de que algo no funcione correctamente, o también, para rediseñar el circuito en el caso de que se llegue a la conclusión de que no es adecuado para el sistema que queremos diseñar. 2.5.1.1 Diseño de la transmisión por ultrasonidos Para este diseño de transmisión de ultrasonidos, también utilizaremos dos etapas de amplificación de igual forma que se ha realizado para el circuito de la baliza sonda. La diferencia entre estos dos, es básicamente que en este circuito basaremos las etapas de amplificación en dos transistores. De igual manera, estarán conectados mediante un acoplamiento de condensador el cual hace la misma funcionalidad de eliminación de señal contínua que en el caso anterior. Este diseño de circuito suele ser un circuito bastante similar a los preamplificadores comunes de por ejemplo: sintonizadores, radios, micrófonos, etc. 33 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Por lo tanto, como es uno de los que más se utilizan en estos aspectos pero adaptado para transmitir en frecuencias altas, el diseño del circuito resultante es el siguiente: Figura 22. Circuito de emisión de ultrasonidos. El uso de transistores conlleva tener que realizar su polarización correcta para que estos amplifiquen la señal. En este caso se han utilizado dos transistores NPN 2N2222. Para conseguir que los transistores amplifiquen, hay que conseguir que tengan una polarización activa. Esto sucede cuando la tensión de salida del transistor ( ) es Vcc/2. Esta tensión la conseguiremos adaptando correctamente las 𝑉𝐶𝐸 impedancias que se le pongan a cada una de sus patas para controlar la tensión en todos lados. En este caso, se utiliza una polarización por realimentación del emisor, lo que quiere decir que tenemos una resistencia en el emisor que va a masa, y una retroalimentación negativa por el lado conectando la base del transistor con el colector. Lo que va a hacer este sistema, es que en el caso de que el transistor se excite mucho, la corriente se va a regular escapando por la retroalimentación. De esta forma, conseguimos que el circuito sea mucho más estable en diferencia a si hubiésemos polarizado el transistor de forma fija, ya que de forma fija, el sistema depende mucho de la temperatura a la que se encuentre y a cambios de transistor. Otro aspecto importante a tener en cuenta en este circuito es que tenemos tres acoplamientos mediante condensador, los cuales son C1, C2 y C4 11. Gracias a estos condensadores y a su reactancia capacitiva, conseguimos un acoplamiento entre las dos etapas de amplificación con una señal limpia y legible para la baliza sonda. Por último cabe destacar la función del potenciómetro inicial, el cual va conectado directamente a la salida analógica del Arduino UNO R3. Este nos permitirá definir manualmente (modificándolo con un destornillador) su estado y con dependiendo del estado en el que esté, nos resultará en más amplitud de la señal o menos, llegando incluso a dejarla nula si lo cerramos mucho. 11 Ver en la Figura 21. 34 2.5.1.2 Diseño de la transmisión por radiofrecuencia Para el diseño de la transmisión por radiofrecuencia, contaremos con el módulo transmisor de radiofrecuencia fs1000A: Figura 23. Transmisor de radiofrecuencia fs1000A. (Fuente: programarfacil.com) Este módulo de radiofrecuencia, está compuesto por un oscilador que está sintonizado para funcionar a 433MHz. También tiene un transistor de conmutación y algunos componentes pasivos. Como se puede apreciar en la Figura 22, este módulo cuenta con 3 pines en la parte central de la placa, los cuales corresponden a uno para la transmisión de datos (DATA), otro para la alimentación (VCC) y por último otro para la masa (GND). También, de igual forma que en el módulo de recepción, tenemos una ranura donde deberemos soldar nuestra antena monopolo para que nos permita transmitir la señal de radiofrecuencia de forma omnidireccional y a un mayor rango a diferencia de si no la tuviésemos. 35 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos En cuanto a las conexiones del módulo transmisor al Arduino UNO R3, debe ser como se muestra en la siguiente imagen: Figura 24. Conexionado del módulo transmisor de radiofrecuencia. Debe quedar de tal forma en que estén conectados entre sí los pines: DATA - PIN 12, VCC - 5V, GND - GND. 2.5.1.3 Diseño del hat transmisor El diseño del “hat” transmisor, de la misma forma que el receptor, está pensado para realizarse en una placa de topos12 para hacerlo de la forma más económica posible, en vez de realizar un diseño e impresión de PCB. Análogamente al proceso del diseño del “hat” receptor, antes de realizar la soldadura de todo el “hat”, se ha realizado un esquema en Excel, el cual define por dónde irán cada una de las pistas distribuidas en dos partes: la superior (basada en conexiones mediante cables externos) y la inferior (basada en conexiones por pistas de estaño). 12 Ver la Figura 17. Placa de topos. 36 El diseño general de la placa, contando con todas las conexiones (superiores e inferiores) es el siguiente: Figura 25. Diseño del “hat” transmisor. 13 2.5.1.3.1 Soldadura El método de soldadura es exactamente el mismo aplicado para la soldadura del “hat” receptor, donde soldamos con soldador de lápiz eléctrico, estaño de 1mm de diámetro, flux para soldar y un desoldador por si hiciese falta. Por lo tanto, el resultado final de la soldadura en la placa de topos quedará de la siguiente manera: Figura 26. Parte superior del “hat” transmisor. 13 Ver todos los puntos de vista (Solo componentes, Inferior y Superior) y leyendas en los Anexos B.2.1, B.2.2 y B.2.3 respectivamente. 37 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Como se puede ver en la Figura 25, también se ha utilizado un código de colores para los cables, pero esta vez, ligeramente distinto al del “hat” receptor. Negro para GND, rojo para VCC, verde para interconexiones y amarillo para comunicación de señal de radiofrecuencia. Este código de colores también se puede apreciar en los esquemas diseñados en Excel como en la Figura 24. Figura 27. Parte inferior del “hat” transmisor. En esta imagen, igual que en la de la parte inferior del “hat” receptor (Figura 20), también tenemos que tener en cuenta que la placa está girada en comparación al esquema general de la Figura 24, ya que en el esquema tiene una vista únicamente desde arriba. Por último, un detalle a tener en cuenta, es el uso de los soportes para la bobina: Figura 28. Estructura de soportes para la bobina. 38 Estos soportes situados a los lados de la bobina, son pines de conexión como lo son los ya utilizados por ejemplo en los jumpers. Soldándolos de manera inversa a los demás, conseguimos crear una “pared de contención” para que la bobina se mantenga fija en el sitio correcto y sin que esté suelta. La creación de estos soportes es debido a que en el momento en el que se soldó la bobina a la placa (hecha a mano, es por eso que tiene esta estructura) se notó cierta fragilidad. Con este refuerzo nos aseguramos de que no haya roturas de ningún estilo. 2.5.2 Software La realización de la parte correspondiente al software de la baliza principal engloba, de igual manera que el de recepción, la lógica que trata la señal de ultrasonidos y la de radiofrecuencia conjuntamente. También necesitaremos la librería RadioHead 14, con la que deberemos declarar las dos librerías que le corresponden: SPI.h y RH_ASK.h. Empezaremos principalmente por la definición del pin analógico de salida del Arduino, el cual debe ser el pin A1 por cómo hemos diseñado el “hat”, aunque podría ir en cualquier otro puerto analógico y sería igual de válido. Seguidamente, inicializamos el objeto de tipo RH_ASK. Ahora ya entramos a la configuración del setup(). Aquí declaramos el pin de salida como OUTPUT e inicializamos el objeto creado anteriormente con la función init(). Este, es el que nos va a permitirá transmitir la señal de radiofrecuencia. Dentro del bucle principal, o función loop(), declararemos la variable en la que definiremos el mensaje que mandaremos por la señal de radiofrecuencia. Esta deberá ser una cadena de caracteres. En nuestro caso con que enviemos un 1 es suficiente, aunque se podrían enviar mensajes distintos. Lo único a tener en cuenta es: No exceder los 27 caracteres para tener un mejor rendimiento y saber cuántos caracteres has enviado para ponerle el número exacto al receptor en su programa correspondiente. Después de la declaración deberemos enviar la señal de radiofrecuencia con la función send() del objeto RH_ASK, a la cual se le pasarán dos parámetros: Un array de datos a enviar (uint8_t *)msg, y la longitud de los datos que se quieren enviar strlen(msg). Una vez enviado, ejecutaremos la función del objeto RH_ASK waitPacketSent() para esperar a que se envíe el mensaje completo. Ahora abriremos un bucle for en el cual itere 400 veces para enviar la señal de ultrasonidos. Esta señal, será una señal de onda cuadrada que para tener una frecuencia de 40kHz, deberemos emitirla con un periodo de la inversa de la frecuencia, es decir, cada . 25µ𝑠 14 McCauley, M. (s. f.). RadioHead. De https://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/ 39 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Empezaremos poniendo nuestro pin de emisión de US en modo HIGH y esperaremos , para luego ponerlo en LOW y esperar otros . De esta forma 12, 5µ𝑠 12, 5µ𝑠 completamos nuestro período y obtenemos una señal cuadrada. Con esto conseguido, nos interesa que la señal no tenga colisiones, es por eso que se emitirá una señal a cada segundo para asegurar. Por lo tanto, para que la emisión sea lo suficientemente extensa como para que se pueda llegar a leer correctamente, se decidió poner 400 pulsos que, multiplicado por su periodo tenemos que la señal emitida dura 0,01s. Por otra banda, por temas de tiempos de ejecución de programa, es necesario ajustar el tiempo de espera entre cambios de estado para que se ajuste a . En nuestro caso ha resultado estar en un valor de delay de 10,75. 12, 5µ𝑠 Finalmente, esperaremos los 990 milisegundos restantes para completar el segundo del todo y tener una cadencia de recepción de un mensaje por segundo.15 Igual que en el caso anterior para el programa del receptor, también se ha realizado un diagrama de flujo para saber los pasos que realiza el programa: Figura 29. Diagrama de flujo del programa transmisor. 15 Ver el programa completo en el Anexo A.3.2. 40 2.6 Diseño de las antenas de radiofrecuencia Adicionalmente todo el proceso de diseño, deberemos realizar el diseño de las antenas. Para ello se pueden diseñar muchos tipos diferentes de antenas, pero en este proyecto se ha decidido realizar dos monopolos, aunque no tendría por qué ser estrictamente este tipo. También sería válido un diseño de una antena dipolo o una helicoidal por ejemplo, siempre y cuando tengan su longitud bien definida en función de la frecuencia a la que se esté transmitiendo. La razón por la cual se ha decidido realizar el diseño antenas monopolo, es por el hecho de que son las más sencillas de diseñar y hacer y que, fácilmente, reciben la señal en un rango de distancia razonablemente grande (dependiendo de con qué lambda operemos). En este caso, el diagrama de radiación de una antena monopolo es el siguiente: Figura 30. Diagrama de radiación de una antena monopolo de cuarto de onda. 16 En una antena monopolo siempre deberemos contar con un plano de tierra el cual determina en cierta manera la direccionalidad y el rango que abarca la radiación de la antena, tanto como para transmitir como para recibir. Cuanto mayor sea el radio del plano de tierra, mayor direccionalidad horizontal tendrá, resultando en el diagrama de la Figura 28, siempre y cuando tengamos en cuenta que la antena está lo más recta posible y perpendicular al plano de tierra que se tiene. En el caso en el que el radio sea demasiado pequeño, la señal rebota y se direcciona de una manera más vertical abarcando así menos zona. Al utilizar el plano de tierra, y utilizando un monopolo, o también conocida como antena de Marconi, tenemos que su diagrama de radiación es como la mitad del diagrama de un dipolo. La ventaja que obtenemos utilizando un monopolo gracias a esta cualidad es que toda la potencia que debería radiar hacia la parte inferior del diagrama se proyecta hacia la parte superior, teniendo así, casi el mismo diagrama de radiación, pero con el doble de potencia. 16 Khan, N. I., Anwarul, A., & Islam, S. (2014). Radiation Characteristics of a Quarter-Wave Monopole Antenna above Virtual Ground. http://www.jocet.org/papers/151-L020.pdf 41 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 4. Comentarios finales 4.1 Plan de trabajo Durante todo el transcurso del proyecto se ha trabajado con la misma metodología, la cual corresponde a la metodología Waterfall. Esta consiste en desarrollar el proyecto dividiéndolo en diferentes procesos que se ejecutan de forma secuencial, es decir, que inicialmente se define un objetivo a conseguir y se planifica cómo llegar hasta este. Es por esta razón que se ha ido trabajando paso a paso y proceso por proceso durante todo el desarrollo del proyecto para llegar hasta el resultado final. Se ha dividido en diferentes fases, y hasta que no se ha llegado a la correcta solución de una fase, no se ha avanzado a la siguiente. Esto también se debe a que al ser un proyecto práctico, es físicamente imposible avanzar en algunas situaciones sin antes haber completado la anterior fase, por ejemplo, avanzar a la fase de test de los “hats” sin haber soldado la placa anteriormente. Para este desarrollo, se desarrolló un diagrama de Gantt correspondiente al planteamiento del trabajo: Figura 36. Diagrama de Gantt. 48 4.2 Listado de materiales 4.2.1 Listado de materiales necesarios Para la realización del proyecto, se han necesitado los siguientes materiales para su correcta ejecución final: Material Cantidad Placa de topos 2 Arduino UNO R3 chino 2 PC 1 Cable USB A - USB B estándar 1 Cable de alimentación de 12V 1 Transmisor de radiofrecuencia fs1000a 1 Receptor de radiofrecuencia XY-MK-5V 1 Antena Monopolo adaptada a 433MHz 1 Antena Monopolo rizada adaptada a 433MHz 1 Pack de componentes (Rx y Tx)22 1 Tabla 1. Listado de materiales necesarios. 4.2.2 Listado de materiales complementarios Complementariamente a los materiales utilizados para el resultado final del proyecto, se ha utilizado el siguiente listado de materiales, que son aquellos no utilizados para el resultado final del proyecto, pero que han ayudado a llegar hasta él. Material Cantidad Grove Ultrasonic Ranger 1 Placa protoboard 2 Cables de conexión Ind. Cable USB A - USB B estándar 1 Tabla 2. Lista de materiales complementarios. 22 Ver en el apartado 5.6 “Listado de componentes” 49 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 4.3 Presupuesto Este proyecto se ha centrado en una realización lo más económica posible en cuanto a la selección de los materiales utilizados y los componentes utilizados. Es por eso, que algunos de los materiales seleccionados han sido incluso reciclados. El precio de los componentes utilizados para la realización del proyecto han sido los siguientes: Componente Cantidad Importe OpAmp TL082 1 0,87 € Zócalo OpAmp 1 0,08 € Transistor 2N2222 2 0,88 € Diodo 1N4148 1 0,04 € Resistencia 1K2 4 0,26 € Resistencia 82k 2 0,13 € Resistencia 10k 1 0,08 € Resistencia 4K7 2 1,44 € Condensador 33pF 2 0,07 € Condensador 6,8nF 1 0,16 € Condensador 0,1uF 5 0,78 € Condensador 1uF 1 0,63 € Bolsa de cableado variado 1 1,11 € Tx y Rx de radiofrecuencia 1 0,76 € Arduino UNO R3 2 7,56 € Altavoz y micrófono de ultrasonidos TCT40-16 1 1,79 € Potenciómetro 10k 1 0,55 € Resistencia 390k 1 0,09 € Resistencia 180 1 0,09 € Condensador 16nF 1 0,92 € Placa de topos 2 0,58 € Paquete de tiras de pines 1 0,54 € IMPORTE TOTAL 19,41 € Tabla 3. Factura de los componentes utilizados. 50 Después, también ha habido cierto material para el desarrollo y montaje del proyecto: Componente Cantidad Importe Soldador de lápiz 1 9,54 € Rollo de estaño 1mm 100gr 1 7,19 € Flux para soldar 1 0,75 € Grove Ultrasonic Ranger 1 4,73 € Kit de cables de conexión 1 0,41 € IMPORTE TOTAL 22,62 € Tabla 4. Factura de los materiales utilizados. Por lo tanto tenemos que el coste total del proyecto equivale a lo siguiente: Factura Importe Componentes utilizados 19,41 € Materiales utilizados 22,62 € Costes de ingeniería 2000 € IMPORTE TOTAL DEL PROYECTO 2042,03 € Tabla 5. Factura total del proyecto. En este importe total, se añade un coste adicional de ingeniería, el cual engloba todo el proceso de diseño y montaje del proyecto, teniendo en cuenta que se contarían 250 horas de trabajo a un precio de 8 €/h. 51 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 4.4 Análisis y valoración de las implicaciones ambientales y sociales Mirando lo que implica este proyecto a la hora de realizarse, vemos que las características del sistema son 100% eléctricas y no generan ningún tipo de impacto ambiental tales como la contaminación acústica, ya que los ultrasonidos se emiten en frecuencias por encima del umbral auditivo humano (+20 kHz). Tampoco realiza ninguna contaminación por emisión de gases, exceptuando el hecho del transporte de la mayoría de los componentes utilizados provenientes de China, pero esto es independiente al proyecto ya que se podrían conseguir los componentes necesarios sin necesidad de ser exportados de China. El único caso en el que podría causar alguna implicación ambiental sería al final de su ciclo de vida en el que, los materiales defectuosos, en el caso de que no se reciclaran, podrían afectar negativamente al medioambiente. Siendo esta la única implicación que conlleva este proyecto, se puede deducir, que si se reciclan los componentes al final de su ciclo de vida y estos, no son de provenientes de un largo trayecto de exportación, vemos que su implicación ambiental es ínfima en comparación a la mayoría de proyectos de hoy en día. Por otra parte, cabe destacar que no hay ningún tipo de dilema ético involucrado en el proyecto. 4.5 Hitos conseguidos Tras la finalización del proyecto, se han conseguido diversos hitos definidos al inicio del mismo: ● Investigación con exactitud de los materiales y recursos que iban a ser necesarios para el proceso, prestando especial atención a las características de los componentes para ver si encajaban con el propósito a conseguir. ● Correcta organización de las diferentes fases del proyecto. Tanto las fases de montaje, como las de pruebas y el tiempo dedicado a cada una de ellas. ● Diseños de los circuitos electrónicos y los “hats” correspondientes, tanto por la parte de RF como por la parte de US. ● Montaje y soldadura de los circuitos diseñados. ● Creación de los sistemas de recepción y transmisión tanto por RF como por US de cada “hat”. ● Diseño, creación y soldadura de las antenas emisoras y receptoras de RF. ● Correcta verificación del funcionamiento de los sistemas a lo largo de los diferentes procesos del proyecto. (Englobando así tests de continuidad, verificaciones en protoboard, comprobaciones de funcionamiento con y sin osciloscopio) ● Resolución de errores dentro del plazo establecido de duración del proyecto. ● Correcta ejecución del proyecto definido como objetivo al inicio del desarrollo. 52 4.6 Conclusiones Después de la realización completa del proyecto, se puede concluir que es posible medir la distancia a partir de la diferencia en el tiempo de llegada de dos señales diferentes, las cuales son, primero la de radiofrecuencia y después la de ultrasonidos. Para ello, convertir un tren de ondas en una señal más fácil de adquirir y detectar, es necesaria una combinación de etapas amplificadoras y detector de envolvente, como por ejemplo, el diseñado en el circuito del receptor23. Por otra banda, generar una señal sinusoidal de 40kHz capaz de alimentar un altavoz mediante un microcontrolador no es sencillo, pero se puede recurrir al tradicional “circuito tanque” (LC)24. Para la comunicación de RF se ha podido observar que los diseños sencillos, como el monopolo /4 son eficaces y sirven a nuestro propósito perfectamente. Aunque λ después, en la comunicación general, se deben tener en cuenta los retrasos en el procesado, ya que equivalen al tiempo en que el sonido recorre 4 cm. También se debe destacar que las principales limitaciones del proyecto provienen de la direccionalidad de altavoces y micrófonos, lo cual no es un problema en 1D. Para la realización de este prototipo, es suficiente con crear un “hat” para Arduino en placa de topos. En cuanto a la obtención de los componentes necesarios para la creación de los “hats”, también están disponibles “off the shelf”, es decir, que se pueden conseguir fácilmente: micro, altavoz, microcontrolador, resistencias, condensadores, transistores, etc. Como conclusión final, y viendo los resultados obtenidos del calibrado de nuestro sistema, vemos que obtenemos con un porcentaje alto de precisión la velocidad del sonido en las condiciones ambientales, lo cual refuerza la confianza en el buen funcionamiento del sistema. 24 Ver en la Figura 22. 23 Ver en la Figura 7. 53 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos 4.7 Mejoras futuras En cuanto a mejoras que se podrían realizar en un futuro, este proyecto nos brinda muchas oportunidades. Principalmente, como ha sido un proyecto enfocado en el uso y compra de componentes lo más económico posible, una de las principales mejoras sería el diseño específico de un sistema enfocado únicamente en este cometido, en el cual se seleccione un microcontrolador específico para el caso debido a que en teoría un microcontrolador como lo es Arduino, es una plataforma de prototipado. Otro aspecto posible a mejorar sería el uso de componentes de precisión, como podrían ser resistencias de precisión las cuales tienen menos tolerancia y hacen que los sistemas sean más exactos. También, un diseño más elaborado de los circuitos los cuales tengan una amplificación mucho más limpia siempre es posible con amplificadores de más calidad y más estables y resistentes a posibles errores. Aparte, un diseño más elaborado podría ser una PCB la cual nos aseguraría unas correctas conexiones y una mejor distribución de los componentes en los “hats” diseñados. De esta manera se podría hacer un diseño más compacto y que pueda ser situado mucho más fácilmente en cualquier sitio en el que se quiera utilizar. Por otro lado, se podrían ampliar las dimensiones del proyecto, haciendo posible una detección en un plano 2D o incluso 3D colocando más transmisores desde distintos puntos de un espacio diseñado para que, calculando mediante triangulación de posición, se sepa dónde se ubica exactamente el receptor. En este caso, también se utilizaría un módulo de recepción omnidireccional, con lo cual podría recibir señales desde cualquier dirección y ampliar su rango de detección de posición. Con este sistema, se podría llegar a, por ejemplo, controlar cuántas personas se ubican dentro de una sala, en la cual, los móviles de las personas actuarían como receptores. Incluso, se podría llegar a mapear la posición de cada persona en cada una de las salas en las que tengamos este sistema de detección de posición. Por último, tanto la parte del sistema de radiofrecuencia como la de ultrasonidos se podría utilizar para la transmisión de datos como pueden ser órdenes de movimiento para un robot, traspaso de información, cambios de configuración, automatización de sistemas, realidad aumentada, etc. 54 5. Bibliografía 5.1 Recursos web Aguirre García, A., Figueroa García, L., Munar Gelabert, M., & Peralejo Martín, M. (s. f.). Ultrasonidos y sus aplicaciones sanitarias. Recuperado 15 de abril de 2022, de https://www.ucm.es/data/cont/docs/136-2015-01-27-Ultrasonidos_AguirreFiguer oaMunarPeralejo (1).pdf Alldatasheet. (s. f.). TL072CP Datasheets. Recuperado 15 de noviembre de 2021, de https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Tl072cp&gclid=Cj0KCQiAtJ eNBhCVARIsANJUJ2Gv0YLOhttjiuuRXD5HPKdsxLoWZroqaanG5F98BiOeF1Y Bxq1zjrYaApl0EALw_wcB arduino.cc. (s. f.-a). Arduino Duemilanove. Recuperado 3 de octubre de 2021, de https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDuemilanove arduino.cc. (s. f.-b). How to interface ultrasonic speakers (transducers) directly? Recuperado 20 de noviembre de 2021, de https://forum.arduino.cc/t/how-to-interface-ultrasonic-speakers-transducers-direc tly/641940/8 arduino.cc. (s. f.-c). milis(). Recuperado 15 de febrero de 2022, de https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/time/millis/ arduino.cc. (s. f.-d). Ultrasonic Sensor HC-SR04 with Arduino Tutorial. Recuperado 2 de octubre de 2021, de https://create.arduino.cc/projecthub/abdularbi17/ultrasonic-sensor-hc-sr04-witharduino-tutorial-327ff6 Arduino.cc. (s. f.). Recuperado 25 de septiembre de 2021, de https://www.arduino.cc/ Barisbaris. (2016). How can I build a circuit for an ultrasonic transducer? https://forum.arduino.cc/t/how-can-i-build-a-circuit-for-an-ultrasonic-transducer/4 02882 Casasola, G. G. de, & Macho, J. T. (s. f.). Manual de ecografía clínica. Recuperado 15 de abril de 2022, de http://www.untumbes.edu.pe/bmedicina/libros/Libros de Ecografía/libro100.pdf Circuit Basics. (s. f.). How to set up an ultrasonic range finder on an arduino. Recuperado 29 de septiembre de 2021, de https://www.circuitbasics.com/how-to-set-up-an-ultrasonic-range-finder-on-an-ar duino/ Danni FR. (s. f.). Modulos RF433 Mhz Con Arduino. Recuperado 20 de febrero de 2022, de https://www.instructables.com/Modulos-RF433-Mhz-con-Arduino/ E-Marmolejo, D. R. (s. f.). Arduino millis con Ejemplos y su uso. Recuperado 15 de febrero de 2022, de https://hetpro-store.com/TUTORIALES/arduino-millis/ 55 Diseño y realización de un sistema de balizas basadas en ultrasonidos Electrical Engineering. (2009). How do I drive an ultrasonic transducer with an Arduino? https://electronics.stackexchange.com/questions/56/how-do-i-drive-an-ultrasonic -transducer-with-an-arduino Electrical Engineering. (2017). How to Wire Up Ultrasonic Transducer. https://electronics.stackexchange.com/questions/93458/how-to-wire-up-ultrasoni c-transducer ExControl, & R0BERT0. (s. f.). Materiales, Comunicación Modulos 433Mhz. Recuperado 2 de febrero de 2022, de https://excontrol.es/2016/04/28/arduino-433mhz/ Geek Factory. (s. f.). Driver CH340 para Arduino chinos o genéricos. Recuperado 20 de octubre de 2021, de https://www.geekfactory.mx/tutoriales-arduino/driver-ch340-para-arduino-chinoso-genericos/ Gómez, L. R. (2014). Dispositivos para la detección y desactivación de artefactos explosivos. https://issuu.com/quioscosic/docs/boletin_nanosesores_final_dic_11_de Hernández, L. del V. (s. f.). RF 433 MHz con Arduino y fs1000a XY-MK-5V. Recuperado 2 de febrero de 2022, de https://programarfacil.com/blog/arduino-blog/rf-433-mhz-arduino-fs1000a/ Hobby Components. (s. f.-a). 433MHz Wireless Modules MX-FS-03V & MX-05 (HCMODU0007) - forum. Recuperado 20 de noviembre de 2021, de https://forum.hobbycomponents.com/viewtopic.php?f=39&t=1324 Hobby Components. (s. f.-b). HCWireless Arduino Library for 433MHz Wireless Tx & Rx modules - forum. Recuperado 20 de noviembre de 2021, de https://forum.hobbycomponents.com/viewtopic.php?p=7412#p7412 Isaac. (s. f.). Transistor 2N2222: todo lo que necesitas saber. Recuperado 7 de noviembre de 2021, de https://www.hwlibre.com/transistor-2n2222/?_gl=1%2A281f27%2A_ga%2AYW1 wLUxoT2l2aFoyeW5xUGpzUmNLVnp4QXhhb2tFNXZwbGFvbmlneWwyQjNiT0 dCd2ZXMFBrRTEwMkUzSUdDSVRQV2U Khan, N. I., Anwarul, A., & Islam, S. (2014). Radiation Characteristics of a Quarter-Wave Monopole Antenna above Virtual Ground. http://www.jocet.org/papers/151-L020.pdf Mateos, A. L. (2010). Sistema de proximidad ultrasónico. https://tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/10131/1/129.pdf McCauley, M. (s. f.). RadioHead. Recuperado 4 de noviembre de 2021, de https://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/ Ntz., J. N. (s. f.). Cómo identificar emisor base y colector. Recuperado 2 de diciembre de 2021, de https://prdiagramasyelectronica.blogspot.com/2018/04/como-identificar-emisor-b ase-y-colector.html 56 OpenStax. (s. f.). Velocidad del sonido. Recuperado 27 de enero de 2022, de https://openstax.org/books/física-universitaria-volumen-1/pages/17-2-velocidaddel-sonido#:~:text=Aunque no es insignificante%2C no,de un 4 %25 de aumento. seed studio. (s. f.). Arduino Introduction. Recuperado 26 de septiembre de 2021, de https://wiki.seeedstudio.com/Arduino/ Seeed Technology Inc. (s. f.). Grove - Ultrasonic Ranger - Seeed Wiki. Recuperado 29 de septiembre de 2021, de http://wiki.seeedstudio.com/Grove-Ultrasonic_Ranger/ victorjam. (s. f.). Entender millis y no morir en el intento. Recuperado 15 de febrero de 2022, de https://forum.arduino.cc/t/entender-millis-y-no-morir-en-el-intento/626976/5 Villalpando, J. A. (s. f.). Tutorial de iniciación a Arduino. Recuperado 20 de noviembre de 2021, de http://kio4.com/arduino/1inicio.htm Web-Robótica, Mardones, J. L. A., & González, A. A. (s. f.). Cómo utilizar los módulos RF transmisor y receptor 315Mhz con Arduino - Web-Robótica. Recuperado 20 de noviembre de 2021, de https://www.web-robotica.com/arduino/como-utilizar-los-modulos-rf-transmisor-y -receptor-315mhz-con-arduino Wikipedia. (s. f.-a). Ultrasonido. Recuperado 10 de abril de 2022, de https://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonido Wikipedia. (s. f.-b). Velocidad del sonido. Recuperado 27 de enero de 2022, de https://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_del_sonido#:~:text=La velocidad del sonido en,1235%2C5 km%2Fh. Wong, K. D. (s. f.). A Sensitive DIY Ultrasonic Range Sensor. Recuperado 4 de noviembre de 2021, de http://www.kerrywong.com/2011/01/22/a-sensitive-diy-ultrasonic-range-sensor/ (Aguirre García et al., s. f.; Alldatasheet, s. f.; Arduino.cc, s. f.; arduino.cc, s. f.-a, s. f.-d, s. f.-c, s. f.-b; Barisbaris, 2016; Casasola & Macho, s. f.; Circuit Basics, s. f.; Danni FR, s. f.; E-Marmolejo, s. f.; Electrical Engineering, 2009, 2017; ExControl & R0BERT0, s. f.; Geek Factory, s. f.; Gómez, 2014; Hernández, s. f.; Hobby Components, s. f.-b, s. f.-a; Isaac, s. f.; Khan et al., 2014; Mateos, 2010; McCauley, s. f.; Ntz., s. f.; OpenStax, s. f.; seed studio, s. f.; Seeed Technology Inc, s. f.; victorjam, s. f.; Villalpando, s. f.; Web-Robótica et al., s. f.; Wikipedia, s. f.-a, s. f.-b; Wong, s. f.) 57