3 Diseño y construcción del DTHIS-C
En este capítulo se presenta una descripción detallada del DTHIS-C, incluyendo sus componentes y especificaciones técnicas. Además, se proporcionan los diagramas de conexión y los códigos necesarios para la configuración de cada sensor, facilitando tanto la reproducción completa del DTHIS-C como la implementación individual de sus sensores. Y finalmente se presenta el diseño final del DTHIS-C, donde se muestran los diseños CAD para su impresión en 3D y el ensamblaje de la carcasa, así como el tablero interactivo donde se visualizan las mediciones en tiempo real del DTHIS-C.
3.1 Diseño
La arquitectura del DTHIS-C se ha fundamentado en el uso combinado de la Raspberry Pi 4 y el Arduino Uno WiFi Rev2, microcontroladores seleccionados por las siguientes características y ventajas:
Versatilidad y capacidad de procesamiento:
La Raspberry Pi 4, proporciona una plataforma robusta para el procesamiento avanzado de datos y la ejecución de algoritmos complejos. Su flexibilidad, junto con la facilidad de integración de diversas funcionalidades, permite adaptar el sistema a requerimientos específicos y configurar el rendimiento según las demandas del entorno.Conectividad:
Ambos dispositivos cuentan con conectividad a Internet, lo que posibilita la transmisión en tiempo real de datos hacia una base de datos remota alojada en el servidor ThingsBoard.Compatibilidad y ecosistema abierto:
La adopción de tecnologías abiertas facilita la integración y reproducibilidad del sistema. La amplia comunidad de desarrolladores que respalda tanto la Raspberry Pi como el Arduino asegura soporte continuo, actualizaciones regulares y una extensa variedad de recursos y librerías, lo que se traduce en mayor flexibilidad para adaptar el sistema a diversas necesidades y entornos.Accesibilidad: Frente a equipos especializados, la utilización de estos microcontroladores constituye una solución rentable sin comprometer el rendimiento ni la fiabilidad del sistema. Además, el Arduino UNO WiFi Rev2 y el Raspberry Pi 4 Model B son fáciles de conseguir en México, disponibles en tiendas como AG Electrónica y 330ohms, con precios aproximados de $1,300.00 MXN y $2,000.00 MXN, respectivamente. Esto facilita la replicación del proyecto.
3.2 Especificaciones
El DTHIS-C se ha diseñado para medir temperatura del aire, temperatura radiante, velocidad del viento, humedad relativa, niveles de CO2, iluminancia y niveles de presión sonora. El dispositivo está compuesto por seis sensores, dos microcontroladores y dos acondicionadores de señal.
Sensor: Un sensor es un dispositivo que detecta una señal o estímulo del entorno y responde generando una señal eléctrica proporcional, generalmente en forma de corriente o voltaje. Su función principal es convertir señales físicas, químicas o biológicas en señales eléctricas que puedan ser interpretadas por sistemas electrónicos (Patel et al., 2020).
En el caso del DTHIS-C, los sensores utilizados permiten medir variables físicas específicas del ambiente, y sus señales son acondicionadas y digitalizadas para su procesamiento y transmisión.
Microcontrolador: Un microcontrolador es una pequeña computadora integrada en un solo chip, se usa en sistemas integrados como sensores de temperatura. Incluye una CPU, memoria RAM, memorias de solo lectura, múltiples puertos de entrada/salida y y periféricos como convertidores analógico-digital (ADC), convertidores digital-analógico (DAC), temporizadores e interfaces seriales (USB, Ethernet, etc.). Su bajo consumo energético lo hace ideal para dispositivos alimentados por batería y aplicaciones específicas (Hodgson, 2021).
En el DTHIS-C, el microcontrolador es fundamental para gestionar y procesar las señales de los sensores, convirtiendo las salidas analógicas en datos digitales precisos mediante el ADC. Estos datos se utilizan para medir las condiciones ambientales y se transmiten a una plataforma IoT para su visualización en tiempo real.
Acondicionador de señal: Un acondicionador de señal es un dispositivo diseñado para transformar una señal electrónica de un formato a otro, facilitando su lectura y procesamiento mediante instrumentación convencional. Entre sus funciones se destacan la amplificación (aumentar la magnitud de señales débiles), la linealización (corregir respuestas no lineales, como ocurre comúnmente en señales de termopar), la compensación de unión fría (ajustar la señal de un termopar para corregir variaciones de temperatura ambiente), la excitación (proporcionar la energía necesaria para el funcionamiento de ciertos sensores, por ejemplo los RTD). Estas funciones combinadas permiten que la señal analógica, que puede ser difícil de interpretar directamente, se convierta en una forma adecuada para su procesamiento (Omega, s. f.a).
En el caso del DTHIS-C, el acondicionador de señal se utiliza para preparar la salida analógica de sensores como los termopares o el sensor de temperatura radiante, asegurando que la señal se encuentre en un rango adecuado y libre de interferencias. Una vez acondicionada, la señal es convertida a digital mediante el convertidor analógico-digital (ADC) integrado en el microcontrolador.
Componentes
En la Tabla 3.1 se presentan los sensores y componentes electrónicos que conforman el DTHIS-C, detallándose la variable que mide cada sensor, el modo de comunicación, la conexión al microcontrolador correspondiente y si requieren acondicionadores de señal.
| Sensor | Variable | Comunicación | Microcontrolador | Acondicionador de señal |
|---|---|---|---|---|
| Termopar tipo T | Temperatura del aire | ICSP | Arduino UNO WiFi Rev2 | PWFusion MAX31856 SEN-30007 |
| TPF1/E-20 PT1000 | Temperatura radiante | ICSP | Arduino UNO WiFi Rev2 | Adafruit PT1000 RTD-MAX31865 |
| Wind Sensor Rev P6 | Velocidad del viento | ADC | Arduino UNO WiFi Rev2 | |
| SCD30 Sensirion | CO2 y humedad relativa | I2C | Raspberry Pi 4 Model B | |
| Micrófono ambiental USB | Sonido | USB | Raspberry Pi 4 Model B | |
| 5MP OV5647 Wide Angle Fisheye Camera | Iluminancia | CSI | Raspberry Pi 4 Model B |
Arduino UNO WiFi Rev2
El Arduino UNO WiFi Rev2 es una placa de microcontrolador diseñada para proyectos de Internet de las Cosas (IoT), integrando conectividad WiFi y Bluetooth mediante el módulo u-blox NINA-W102 y un sensor IMU de 6 ejes (LSM6DS3TR) para detección de movimientos. Equipada con el microcontrolador ATmega4809, mantiene compatibilidad con el formato estándar UNO, facilitando su uso con shields existentes (Arduino, 2023).
En la Tabla 3.2 se muestran las especificaciones del Arduino UNO WiFi Rev2.
| Parámetro | Detalle |
|---|---|
| Microcontrolador | ATmega4809 |
| Memoria flash | 48 KB |
| SRAM | 6,144 Bytes |
| EEPROM | 256 Bytes |
| Conectividad Wi-Fi | Sí, u-blox NINA-W102 (2.4 GHz) |
| Bluetooth | Sí, Bluetooth Low Energy |
| Sensor IMU | Sí, LSM6DS3TR (6 ejes) |
| Pines digitales I/O | 14 (5 PWM) |
| Pines analógicos | 6 |
| Voltaje de operación | 5 V |
| Consumo máximo total | 200 mA |
| Dimensiones | 68.6 mm x 53.4 mm |
Raspberry Pi 4 Model B
La Raspberry Pi 4 Model B es una computadora de placa única de alto rendimiento, diseñada para tareas de procesamiento avanzado y conectividad eficiente en un formato compacto. Equipada con un procesador de 64 bits de cuatro núcleos y opciones de RAM de hasta 8 GB, ofrece soporte para salida de video dual 4K y conectividad avanzada mediante Wi-Fi de doble banda, Bluetooth 5.0, Ethernet Gigabit y puertos USB 3.0, con capacidad para Power over Ethernet (PoE) mediante un accesorio adicional. Su diseño versátil y eficiente la hace ideal para la integración y gestión de datos en el sistema DTHIS-C (Raspberry, 2019).
En la Tabla 3.3 se muestran las especificaciones de la Raspberry Pi 4 Model B.
| Parámetro | Detalle |
|---|---|
| Procesador | Broadcom BCM2711, 4 núcleos Cortex-A72, 1.5 GHz |
| Memoria RAM | 8 GB (LPDDR4-3200) |
| Conectividad Wi-Fi | Sí, dual-band 2.4 GHz y 5 GHz, 802.11ac |
| Bluetooth | Sí, Bluetooth 5.0 |
| Puertos USB | 2 USB 3.0, 2 USB 2.0 |
| Salida de video | 2 micro HDMI, soporte dual 4K 60 fps |
| Ethernet | Gigabit |
| Almacenamiento | Tarjeta microSD |
| Voltaje de operación | 5 V |
| Consumo energético | Eficiente, sin ventilador (~3 A recomendado) |
| Dimensiones | 85.6 mm x 56.5 mm x 17 mm |
3.3 Temperatura del aire
Termopar Tipo T
En la construcción del DTHIS se emplea un termopar tipo T, un sensor de temperatura compuesto por la unión de cobre y cobre-níquel (constantán). Su uso es ideal para entornos con humedad.
A continuación, se presentan sus especificaciones acorde a OMEGA (s. f.b):
Rangos de Temperatura
Grado de termopar: -200 a 350°C (-328 a 662°F).
Este es el rango operativo del sensor principal. Dentro de estos límites, el termopar puede medir temperaturas con exactitud.
Grado de extensión: -60 a 100°C (-76 a 212°F).
Este rango se refiere al cable de extensión, que conecta el termopar al instrumento de medición. Estos cables están diseñados para mantener la integridad de la señal dentro de este rango de temperatura.
Límites de Error
±1.0°C o ±0.75% por encima de 0°C.
±1.0°C o ±1.5% por debajo de 0°C.
Esto significa que la lectura del termopar puede variar en ±1.0°C o en un porcentaje del valor medido, dependiendo de cuál sea mayor.
PWFusion MAX31856 SEN-30007
El PWFusion MAX31856 SEN-30007 (Figura 3.1) es un shield de termopares de cuatro canales diseñado para integrarse con la plataforma Arduino. Este dispositivo se conecta directamente a la placa de desarrollo. El módulo acondiciona la señal proveniente de termopares, realizando el procesamiento necesario para adaptar y amplificar la señal eléctrica, la cual se caracteriza por su bajo voltaje.
Acorde a PWFusion (s. f.) sus específicaciones son las siguientes:
- Conversión de señal analógica a digital con resolución de 19 bits.
- Interfaz ICSP de 4 hilos.
- Rango de voltaje de alimentación: 3.3 V a 5.0 V.
3.4 Temperatura radiante
Fuehler Systeme TPF1/E-20 PT1000
Se empleó el TPF1/E-20 PT1000, diseñado para medir la temperatura radiante en un rango de temperaturas de -30°C a +75°C. Su sonda de temperatura, basada en la tecnología PT1000, se puede montar como un péndulo libremente suspendido, lo que permite obtener mediciones exactas de la temperatura de sensación térmica en entornos donde la convección natural y la estratificación del aire pueden influir en los resultados (FuehlerSysteme, s. f.).
Especificaciones
- Tipo de circuito: Conexión de 2 hilos.
- Corriente de medición: Aproximadamente 1 mA.
- Conexión eléctrica: Extremos pelados con terminales.
- Cable: Cable de PVC (2×0,25 mm2, temperatura máxima +105°C) con extremos de cable núcleo disponibles en diferentes longitudes.
- Resistencia de fuga: Mayor a 100 M\(\Omega\) a +20°C (500 V DC).
- Material del globo: Aluminio (negro).
- Dimensiones del globo: Diámetro de 70 mm.
Adafruit PT1000 RTD-MAX31865
El PT1000 RTD-MAX31865 es un convertidor de resistencia a digital. La Figura 3.2 muestra el diagrama de conexión.
Adafruit (s. f.) describe las siguientes características:
- Realiza la conversión de la resistencia de sensores RTD de platino a un valor digital de forma sencilla.
- Soporte con RTD de platino con valores de 100 \(\Omega\) a 1 k\(\Omega\) (a 0°C), abarcando desde PT100 hasta PT1000.
- Compatible con configuraciones de 2, 3 y 4 hilos para la conexión de sensores.
- Incorpora una interfaz ICSP, facilitando su integración en sistemas basados en microcontroladores.
- Cuenta con un ADC de 15 bits que proporciona una resolución nominal de temperatura de 0.03125°C (valor variable debido a la no linealidad del RTD) y una exactitud total de hasta 0.5°C (0.05% de la escala completa) en todas las condiciones operativas.
- Tiempo máximo de conversión es de 21 ms.
3.5 Velocidad del viento
Modern Device Wind Sensor Rev. P6
El Wind Sensor Rev. P6 (Figura 3.3) es un anemómetro de hilo caliente. Incorpora un potenciómetro de alta precisión para facilitar la calibración (realizada en fábrica) y utilizar termistores de coeficiente de temperatura positivo, que aseguran mediciones más estables incluso ante variaciones de temperatura ambiente. Requiere una fuente de alimentación de 9 a 12 V (idealmente 12 V) para garantizar el adecuado calentamiento de los termistores y evitar la saturación en condiciones de viento intenso. Integra un sensor de temperatura ambiental con salida escalada a 3.3 V y una señal de viento ajustada a un máximo de 3.3 V mediante resistencias de alta precisión (Modern Device, s. f.).
Especificaciones
- Voltaje de alimentación: 9–12 V.
- Corriente: Aproximadamente 40 mA.
- Velocidades de viento medidas: 0–150 mph.
- Compensación de temperatura ambiente.
3.6 Humedad relativa y CO2
Sensirion SCD30
El SCD30 (Figura 3.4) es un sensor de CO2 basado en tecnología de detección por infrarrojos. Incorpora un sensor de humedad y temperatura. Cuenta con un diseño de doble canal (Sensirion, s. f.).
Especificaciones
Humedad
- Precisión típica: ±3% RH
- Rango de operación: 0 – 95% RH
- Tiempo de respuesta (τ63%): 8 s
- Calibrado de fábrica
CO2
- Rango de medición: 400 – 10,000 ppm
- Precisión: ±30 ppm ±3% del valor medido
- Tiempo de respuesta (τ63%): 20 s
- Estabilidad térmica: 2.5 ppm/°C
Temperatura
- Rango de error: ±0.4°C
- Tiempo de respuesta (τ63%): 10 s
Características generales
- Voltaje de alimentación: 3.3 – 5.5 V
- Corriente promedio: 19 mA
- Corriente máxima: 75 mA
- Rango de temperatura de operación: 0 – 50°C
- Interfaces: I2C, ModBus, PWM
- Dimensiones: 35 × 23 × 7 mm
3.7 Sonido
Micrófono ambiental USB
El micrófono (Figura 3.5) incorpora un filtro que atenúa eficazmente los ruidos producidos por el viento o la respiración. Su patrón de captación direccional optimiza la focalización de la fuente sonora (Steren, s. f.).
Especificaciones
- Respuesta en frecuencia: 50 a 10,000 Hz
- Impedancia 2,200 \(\Omega\)
- Sensibilidad: -32 dB ±3 dB
3.8 Iluminancia
Arducam 5MP OV5647 Ultra Wide Angle
La cámara Arducam Ultra Wide Angle (Figura 3.6) cuenta con un objetivo ojo de pez M12 que ofrece un campo de visión horizontal de 220° (Arducam, s. f.).
Especificaciones
- Sensor: Omnivision OV5647
- Tamaño del sensor: 1/4″ (OV5647)
- Resolución: 5 MP (2592×1944)
- Video:
- 1080p a 30 fps
- 720p a 60 fps
- 480p a 90 fps
- Sensibilidad IR: Filtro IR-cut integrado (solo luz visible)
- Campo de visión horizontal (HFOV): 220°
- Distancia focal efectiva: 0.76 mm
- Distancia focal equivalente en 35 mm: 8.2 mm
- Tipo de enfoque: Manual
- Montura del objetivo: M12
- Dimensiones: 36 mm × 36 mm
- Corriente pico: 300 mA
3.9 Dispositivo final
Para el diseño final del DTHIS‑C se optó por una carcasa modular que alberga de forma ordenada y protegida todos los componentes electrónicos, sensores y microcontroladores. Al tratarse de un dispositivo de campaña, resultaba imprescindible un diseño ligero y robusto que permitiera un transporte sencillo y un montaje rápido sobre un trípode.
Diseño 3D
El modelado de la carcasa se llevó a cabo en Autodesk Fusion, atendiendo a tres objetivos principales:
- Protección: Cada componente (sensores, electrónica y microcontroladores) se ubica en su propio compartimento para evitar impactos y vibraciones.
- Montaje: La pieza principal incorpora un anclaje rápido al trípode, así como acoples para el tubo de PVC que sostiene los termopares a alturas de 1.7 m, 1.1 m, 0.6 m y 0.1 m, y los aros de sujeción para el Wind Sensor Rev P6 y el TPF1/E‑20.
- Mantenimiento: La geometría de la tapa y los soportes permite un acceso ágil para reemplazar o ajustar cualquier sensor sin desmontar todo el conjunto.
Además de la carcasa principal, se diseñaron fundas individuales para:
- Cámara fisheye
- Regulador de voltaje
- Wind Sensor Rev P6 (aros de sujeción al tubo)
- TPF1/E‑20 (aros de sujeción al tubo)
La Figura 3.7 muestra la carcasa principal y las piezas complementarias que protegen cada módulo y simplifican su fijación al soporte de PVC.
Para su impresión se empleó el filamento ASA por su alta resistencia a los rayos UV, garantizando durabilidad. Para la impresión se utilizó un infill del 10%, patrón cúbico y giroide (acorde a la pieza) y 4 perímetros.
Ensamblado
Para garantizar un sistema modular, fácil de transportar y sencillo de mantener, se integró la electrónica complementaria (Tabla 3.4) dentro de la carcasa principal de la siguiente manera:
Reguladores de voltaje: Se instalaron dos convertidores buck. Uno con entrada y salida a 5 V para alimentar la Raspberry y el Arduino; y otro con entrada a 5 V y salida a 12 V específicamente para el Wind Sensor, que requiere 12 V para un funcionamiento correcto.
Conectores banana hembra: Se emplearon dos conectores banana hembra para la conexión desmontable del TPF1 al amplificador PT1000, facilitando el montaje y desmontaje rápido del sensor.
Perfboard y pines macho: El Wind Sensor se conecta a un perfboard de 4 canales al que se soldaron cuatro pines macho de 5 × 2.54 mm. Desde allí, un cable con pines hembra permite enchufar directamente el sensor al regulador de 12 V.
Conexiones directas: El resto de los sensores y módulos se conectan mediante cables al propio puerto USB (micrófono), al bus I2C (SCD30) o al conector CSI (cámara), según corresponda.
| Cantidad | Componente |
|---|---|
| 1 | Convertidor buck 10 W, 5 V DC |
| 1 | Convertidor buck 5 V → 12 V DC |
| 2 | Conectores banana hembra |
| 1 | Conector XT30 hembra |
| 1 | Perfboard de 4 canales (5 pines) |
| 4 | Pines macho 5 × 2.54 mm |
| 1 | Ventilador de 5 V |
La Figura 3.8 ilustra el montaje completo del DTHIS‑C: la carcasa principal fijada al trípode, la extensión de altura realizada con un tubo de PVC y los termopares distribuidos a sus respectivas alturas. En la Figura 3.8 (d) se aprecia, en la parte superior del tubo, el Wind Sensor a la izquierda y el TPF1 a la derecha, ambos asegurados mediante sus aros de sujeción.
Tablero interactivo
Para facilitar el seguimiento y análisis de las campañas de medición, el DTHIS‑C se integra con la plataforma IoT, ThingsBoard, que actúa como repositorio central de todos los datos ambientales capturados. Cada lectura (temperatura, humedad, CO2, luminancia, velocidad del viento o nivel de sonido) se publica en tiempo real, donde puede filtrarse y descargarse según el intervalo temporal, la variable o el volumen de datos requerido.
Con el fin de ofrecer una supervisión inmediata en campo, se ha diseñado un tablero interactivo (fig. Figura 3.9) que combina:
Tarjetas de valores instantáneos, que muestran al momento la última lectura de cada variable.
Gráficos de series temporales, que permiten visualizar la evolución histórica de las mediciones y detectar tendencias o anomalías.
Este entorno visual garantiza una rápida interpretación de la información y podría apoyar a la toma de decisiones durante las campañas de confort interior.
3.10 Repositorio de GitHub
Archivos relevantes
Todos los scripts para la configuración de los sensores en Arduino y Raspberry Pi, así como archivos de diseño CAD, archivos STL para impresión 3D y la documentación técnica del DTHIS-C, se encuentran disponibles en el repositorio de GitHub: https://github.com/lata-mas/DTHIS-C_JoseRra
3.11 Lista de materiales
La Tabla 3.5 muestra la lista de materiales necesarios para la construcción del DTHIS-C, detallando la cantidad de cada componente, los costos y la fuente de venta.
| Designación | Componente | Cantidad | Costo unitario (MXN) | Costo total (MXN) | Fuente de compra |
|---|---|---|---|---|---|
| Adaptador USB | UGREEN Adaptador USB C Hembra a USB Macho 3 | 1 | $199.00 | $199.00 | Amazon |
| Arduino | Arduino UNO WiFi Rev2 | 1 | $1,268.10 | $1,268.10 | AG Electrónica |
| Cable para cámara Raspberry | OKY9053 | 1 | $27.59 | $27.59 | AG Electrónica |
| Carcasa | Carcasa ABS para Raspberry Pi 4 con ventilador y disipadores de calor | 1 | $188.00 | $188.00 | 330ohms |
| Fisheye | 5MP OV5647 Wide Angle Fisheye Camera | 1 | $502.59 | $502.59 | AG Electrónica |
| Fuente de alimentación | DC 12 V 30 A Fuente de alimentación 360 W | 1 | $382.00 | $382.00 | Amazon |
| Fuente para Arduino | Aclorol 9V 1A DC Fuente de alimentación | 2 | $269.00 | $538.00 | Amazon |
| Fuente para Raspberry | Fuente oficial para Raspberry Pi 27W USB-C | 1 | $370.00 | $370.00 | 330ohms |
| MAX31856 | PWFusion SEN-30007 MAX31856 | 1 | ≈ $1,493.10 | ≈ $1,493.10 | Playing With Fusion |
| MAX31865 | Adafruit PT1000 RTD-MAX31865 | 1 | ≈ $269.10 | ≈ $269.10 | Adafruit |
| Micro SD | Memoria Microsd Kingston Canvas Go Plus 64gb U3 V30 A2 170mb | 1 | $194.00 | $194.00 | Mercado Libre |
| Micrófono | Micrófono ambiental USB | 1 | $99.00 | $99.00 | Steren |
| Raspberry | Raspberry Pi 4 Model B 8 GB | 1 | $1,990.52 | $1,990.52 | AG Electrónica |
| SCD30 | SCD30 Sensirion | 1 | ≈ $563.94 | ≈ $563.94 | DigiKey |
| Termopar | Termopar tipo T | 30 m | $3,735.00 | $3,735.00 | Omega |
| TPF1 | TPF1/E-20 PT1000 | 1 | ≈ $1,576.60 | ≈ $1,576.60 | FuehlerSysteme |
| Tripié | XXZU 210 cm soporte de luz | 1 | $539.10 | $539.10 | Amazon |
| Wind Sensor | Wind Sensor Rev P6 | 1 | ≈ $719.10 | ≈ $719.10 | Modern Device |
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