IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD IoT
RAY LESTER TEJADA PARDO
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO MECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE
TELECOMUNICACIONES
BUCARAMANGA
2019
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implementacion de seguridad iot, Guías, Proyectos, Investigaciones de Mecatrónica
Se implementó un dispositivo que permite la captura de información relacionada con la concentración de monóxido de carbono y metano, en lugares donde se desee prevenir una situación de riesgo como podría ser un incendio y/o fuga de dicho gas, teniendo en cuenta que el monóxido de carbono es gas residual de la combustión incompleta del carbono y el metano, mediante una fuga del mismo, puede generar una explosión y un posible incendio. El trabajo de investigación desarrollo una interfaz de bajo co
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2019/2020
1 / 95
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IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD IoT RAY LESTER TEJADA PARDO UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES BUCARAMANGA
IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD IoT RAY LESTER TEJADA PARDO Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico Director JAIME GUILLERMO BARRERO PEREZ MSc. en Ingeniería Electrónica UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES BUCARAMANGA
CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1. ¿Que es Internet? ………………………………………………………... 24 Figura 2. Logo de Arduino. ………………………………………………………… 26 Figura 3. Tarjeta de desarrollo ESP32s. …………….…………………………… 27 Figura 4. Familia de sensores de la serie MQ…..………………………………… 30 Figura 5. Vista frontal de un sensor de la serie MQ.. ……………………………. 33 Figura 6. Conexión de sensores MQ con fuente alimentación dc para proceso de calentamiento………………………………………………………………………... 33 Figura 7. Plataforma thinger.io……………………………………………………… Figura 8. Plataforma ThingSpeak …………………………………………………. 36 Figura 9. Diagrama de conexión de Blynk con diferentes plataformas electrónicas………………………………………………………………………….. 37 Figura 10. Graficas característica de terminal ADC_6 de la tarjeta de desarrollo ESP32 corregida..………………..………………………………………………………... 40 Figura 11. Graficas característica de terminal ADC_7 de la tarjeta de desarrollo ESP32 corregida…………..……...………………………………………………………... 41 Figura 12. Conexión de la tarjeta de desarrollo ESP32 como punto de acceso………………………………………………………………………………... 42 Figura 13. Conexión de la tarjeta de desarrollo ESP32 en modo estación……... 43 Figura 1 4. Conexión de sensor MQ para calentamiento………………………… 45 Figura 15. Sensor MQ con resistencia de carga………………………………..… Figura 16. Curva característica de sensor MQ4 para la concentración de los diferentes gases que pueden medir……………………………………………..… Figura 17. Curva característica de sensor MQ9 para la concentración de los diferentes gases que pueden medir……………………………………………..…4 7 Figura 18. Circuito equivalente después de la calibración de los sensores, donde la resistencia característica de los sensores pasa a ser Rs, gracias a que la resistencia de carga RL es igual a la resistencia característica Ro……..……… 48 Figura 19. Gráfica para obtención de concentración de metano en sensor
Figura 20. Gráfica para obtención de concentración de monóxido de carbono en
- INTRODUCCION Pág.
- 1.MARCO TEORICO
- 1.1.INCENDIOS
- 1.1.1.Causas de incendios
- 1.1.1.1. Humo.
- 1.1.1.2. Fuga de gases.
- 1.1.1.Causas de incendios
- 1.2.PARTES POR MILLÓN (PPM)
- 1.2.1.Partes por millón (ppm) masa/masa
- 1.2.2.Partes por millón (ppm) volumen/volumen
- 1.2.3.Partes por millón (ppm) masa/volumen..............................................
- 1.3.HARDWARE
- 1.3.1.Internet………………...
- 1.3.2.Internet de las Cosas
- 1.3.3.Arduino...............................................................................................
- 1.3.4.Tarjeta de Desarrollo ESP32
- 1.3.5.Sistema de Seguridad
- 1.3.6.Sensores
- 1.3.6.1.Sensores de gas
- 1.3.6.2.Sensores MQs
- 1.4.SOFTWARE.............................................................................................
- 1.4.1.Thinger.Io
- 1.4.2.ThingSpeak
- 1.4.3.Blynk…...............................................................................................
- 1.1.INCENDIOS
- 2.HARDWARE
- 2.1.TARJETA DE DESARROLLO ESP32
- 2.1.1.GPIO de tarjeta de desarrollo ESP32
- 2.1.1.1.Pines de entrada
- 2.1.1.2.Pines GPIO
- 2.1.1.3.GPIOs táctiles capacitivos
- 2.1.1.4.Convertidor analógico a digital (ADC)
- 2.1.1.5.Convertidor digital a analógico (DAC)
- 2.1.1.6.PWM
- 2.1.2.Caracterización de puertos ADC
- 2.1.3.Modos de conexión Wifi en la tarjeta de desarrollo ESP32................
- de los gases ……………...……………………………………………………... 2.1.4.Encendido y apagado de leds para mostrar niveles de concentraciones
- 2.1.5. Comunicación de tarjeta de desarrollo ESP32 con Arduino.
- 2.1.1.GPIO de tarjeta de desarrollo ESP32
- 2.2.SENSORES MQ
- 2.2.1.Funcionamiento de sensores MQ
- 2.2.2.Calentamiento de sensores
- 2.2.3.Resistencia característica Ro
- 2.2.4.Calculo de cociente Rs/Ro
- 2.2.5.Caracterización de sensores
- 2.3.FILTRO Y PROTECCIÓN DE PUERTOS ANALÓGICOS
- 2.4.REGULADOR DE TENSIÓN
- 2.5.CONTROL PARA ALTERNAR TENSIÓN AL SENSOR MQ9..................
- 2.5.1.Control de tensión
- 2.5.2. Control de relé
- 2.5.2.1. Código para el control de Relé
- SISTEMA DE SEGURIDAD IOT 2.6.DISEÑO DE CIRCUITO IMPRESO PARA IMPLEMENTACIÓN DE UN
- 2.7.ALIMENTACION EXTERNA PARA SENSORES
- 2.8.INSTRUMENTOS PATRÓN
- 2.1.TARJETA DE DESARROLLO ESP32
- 3.SOFTWARE...................................................................................................
- 3.1.BLYNK.
- 3.1.1.Comunicación de Blynk con Arduino..................................................
- 3.1.2.Instalación de Blynk
- 3.1.3.Crear proyecto en Blynk.....................................................................
- 3.1.3.1.Gauge
- 3.1.3.2.Notification
- 3.1.3.3.Email
- 3.1.3.4.Eventor
- 3.1.4.Plantillas de Blynk
- 3.1.4.1.Comandos para Blynk
- SENSORES DE METANO MQ4 Y MONÓXIDO DE CARBONO MQ9. 3.2.ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES PROVENIENTES DE
- 3.2.1.Adquisición y procesamiento de señales provenientes de sensores
- de los gases……………… 3.2.2.Encendido y apagado de leds para mostrar niveles de concentraciones
- 3.1.BLYNK.
- 4.RESULTADOS...............................................................................................
- 4.1.PRUEBAS CON SENSOR DE METANO.................................................
- 4.2.PRUEBAS CON SENSOR DE MONÓXIDO DE CARBONO
- 5.CONCLUSIONES
- 6.RECOMENDACIONES
- BIBLIOGRAFIA
- MQ4...………………………………………………………………………………….
- sensor MQ9. …………………………………………………………………………………
- Figura 21. Filtro y protección de puertos analógicos. ………………………………
- Figura 22. LM317 con sus respetivos pines. ……………………………………..…..
- de sensor MQ9 ……………………………………………………………………………... Figura 23. Configuración para obtención de 1.4 [V] para corrector funcionamiento
- Figura 2 4 Relé srd-05vdc-sl-c. ……………………………………………………….…
- Figura 25. Configuración interna de relé. ……………………………………….……..
- Figura 26. Transistor 2N222. ……………………………………………………………..
- Figura 27. Configuración para circuito de control ………………………..………..
- Figura 28 Cargador para alimentación de sensores MQ4 y MQ9…………….
- Figura 29 Cables extraídos de cargador. ……………………………………….…….
- Figura 3 0. Detector de gas combustible aprobé GSD600………….……………..
- Figura 3 1. Medidor de monóxido de carbono AS8700A …………………….…...
- Figura 32. Aplicación Blynk para dispositivo Android en play store…………….
- Figura 33. Página de inicio de Blynk………………………………………………..
- Figura 3 4 Pantalla inicial de Blynk habiendo iniciado una cuenta………………
- placa.. ………………………………………………………………………………………… Figura 35. Ventana para crear un proyecto en Blynk cuando se selecciona una
- de autenticación. …………………………………………………………………….. Figura 36. Confirmación de correo electrónico para envió “auth token” o de clave
- Figura 37. Clave de autenticación o auth token enviada al correo electrónico…
- Figura 38. Ventana principal de un proyecto creado en Blynk……………………
- Figura 3 9 Algunos widgets ofrecidos por Blynk…………………………..………
- Figura 40 Widget que hacen parte de este proyecto…………………………….
- Figura 41 Configuración de widget gauge (parte 1)………………………………
- Figura 42. Configuración de widget gauge (parte 2). …………………………….
- Figura 4 3. Configuración de widget Notification…………. ……………………….
- Figura 44 Configuración de widget email (parte 1). ……………………………..
- Figura 45. Configuración de widget email (parte 2). ………………………………
- Figura 46. Configuración de widget Eventor. ………………………..……………
LISTA DE TABLAS
Pág. Tabla 1. Concentraciones y efectos del monóxido de carbono en el aire….….. 18 Tabla 2. Concentraciones y efectos del metano en el aire……………………… 21 Tabla 3. Características de la tarjeta de desarrollo ESP32. .............................. 28 Tabla 4. Modelo de sensores MQ con los respectivos gases que pueden detectar………………………………………………………………………………. 31 Tabla 5. Características de sensor MQ4. .......................................................... 32 Tabla 6. Características de sensor MQ9 ........................................................... 32 Tabla 7. Caracterización de entradas analógicas en los pines ADC_6 y ADC_ de la tarjeta de desarrollo ESP32…..……………………………………………… 39 Tabla 8. Corrección de entradas analógicas en los pines ADC6 y ADC7 de la tarjeta de desarrollo ESP32……………………………………………………..…. 41 Tabla 9. Rangos de activación de niveles para los gases metano y monóxido de carbono………………………………………………………………………………. 4 4 Tabla 10. Rango de resistencias y valor típico de la resistencia de carga RL de los sensores MQ4 y MQ9 suministrados por el fabricantee. ............................. 45 Tabla 11. Datos extraídos de curva característica de sensor MQ4................... 49 Tabla 12. Datos extraídos de curva característica de sensor MQ9................... 50 Tabla 13. Tarjetas compatibles con Blynk. ....................................................... 64 Tabla 14. Tipos de widgets ofrecidos por Blynk ................................................ 68 Tabla 15. Resultados de pruebas con sensor MQ4 y detector de gas metano.. 83 Tabla 16. Resultados de pruebas con sensor MQ9 y medidor AS8700A de monóxido de carbono ….…………………………………………………………… 84 Tabla 17. Resultados de ajuste a pruebas con sensor MQ4 y detector de gas metano ………………………………………………………………………………. 86 Tabla 18. Resultados de ajuste a pruebas con sensor MQ9 y medidor AS8700A de monóxido de carbono ………………………………………………………….. 86
LISTA DE ANEXOS
(Ver anexos adjuntos en el CD y pueden visualizarlos en la Base de Datos de la Biblioteca UIS) Anexo A. Comunicación de tarjeta de desarrollo ESP32 con Arduino. Anexo B. Código para el control de Relé. Anexo C. Comunicación de Blynk con Arduino. Anexo D. Plantilla inicial para programación de la tarjeta ESP32 desde el IDE de Arduino. Anexo E. Código para adquisición y procesamiento de señales provenientes de sensores metano MQ4 y monóxido de carbono MQ9 y encendido y apagado de leds para mostrar niveles de concentraciones de los gases. Anexo F. Compartiendo proyecto de Blynk. Anexo G. Caracterización de puertos adc, caracterización de sensores y ajuste a la curva característica de los sensores MQ4 y MQ9. Anexo H. Regulador De Tensión. Anexo I. Diseño de circuito impreso para implementación de un sistema de seguridad IoT. Anexo J. Tarjeta de desarrollo ESP32 con su respectiva distribución de pines. Anexo K. Código para implementación de un sistema de seguridad IoT en Arduino. Anexo L. Evidencia de resultados con detector y sensor MQ4 de metano y medidor y sensor MQ9 de monóxido de carbono.
ABSTRACT
TITLE: IMPLEMENTATION OF A SAFETY SYSTEM IoT^1 . AUTHORS : RAY LESTER TEJADA PARDO*. KEYWORDS: Arduino, Internet of Things (IoT), security system, methane, carbon monoxide, graphic interface. DESCRIPTION: A device was implemented that allows the capture of information referring to the concentration of carbon monoxide and methane, in places where a situation such as a fire and / or leakage of said gases can be prevented, taking into account that carbon monoxide is a residual gas from the incomplete combustion of carbon and methane, and due to a potential leak, an explosion and a possible fire can be ignited. In this investigative work, a low-cost interface was developed, which measures the methane and carbon monoxide concentrations and is constantly sending said measurements, using Wi-Fi, to an application installed on a pre- determined cellular phone in real time. This way, the user is able to monitor the gases’ concentrations whenever desired. Also, in case of a high-risk situation, where concentration limits are exceeded, a notification is sent to the application installed on the user’s cellphone and an email to the relevant email address that can provide help in this situation to prevent such occurrences. The objective of the investigation was to develop an innovative new device that can act in a timely manner in case of a spike in any of these gases’ concentrations that can trigger dangerous situations, as is a fire or a gas leak that can lead to an explosion. With this, we are making the effort to minimize any potential material damage and, above all, the preservation of human life.
- (^) Undergraduate project. ** (^) Physical-Mechanical Engineering Faculty. Electrical, Electronics and Telecommunications (E³T) Engineering School, Director MSc. Jaime Guillermo Barrero Perez.
INTRODUCCION
Los avances tecnológicos hoy día, se han dedicado a la mejora de la calidad de vida humana trayendo beneficios para la misma, uno de ellos es el internet, que permite recibir y enviar información de forma “instantánea”, desde cualquier parte del mundo, si se tiene acceso al mismo. El manejo de dicha información que se recibe o se envía, puede ser de gran importancia a la hora de salvaguardar vidas humanas. En este sentido, este proyecto aprovecha las ventajas de internet, utilizándolo como un sistema de alarma temprana ante la presencia de gases relacionados con el riesgo o presencia de incendio. Los sistemas de seguridad han tenido un crecimiento notorio, pues los sensores pequeños en tamaño, de bajo costo y más sensibles a cambios significativos de la variable a medir, son cada vez más utilizados con resultados muy favorables. El internet de las cosas (Internet of Things, de su sigla en inglés, IoT) es una plataforma que permite la conexión de objetos usados a diario a internet. En la actualidad, los objetos como los celulares, las computadoras y las tablets , son los primeros dispositivos electrónicos con conexión a internet, pero el desarrollo tecnológico y esta nueva plataforma, ha abierto la posibilidad del acceso a internet a los demás dispositivos, tal como los son los relojes digitales, los automóviles, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, los sensores, entre otros, generando así, un conjunto de conexiones entre los dispositivos conectados a internet, que permite acceder a la comunicación, ya sea para recibir o enviar información. El avance de la tecnología ha traído consigo, innumerables creaciones tanto de tipo tecnológico como herramientas (aplicaciones) que permiten transmitir y recibir información en tiempo real desde cualquier parte del mundo si se tiene acceso a internet, por ejemplo, aplicaciones que permiten saber si la temperatura de una casa es muy elevada o muy baja y de manera remota, tomar una decisión, bien sea para elevar la temperatura o disminuirla, dependiendo de la situación.
1. MARCO TEORICO
1.1. INCENDIOS
Un incendio es un fuego de grandes proporciones que se desarrolla sin control, el cual puede presentarse de manera instantánea o gradual, pudiendo provocar daños materiales, interrupción de los procesos de producción, pérdida de vidas humanas y afectación al ambiente. El crecimiento demográfico, los procesos propios del desarrollo en la industria, el uso cada vez más frecuente de sustancias inflamables peligrosas y la falta de precauciones en su manejo, transporte y almacenamiento son los principales factores que han propiciado un aumento significativo en la magnitud y frecuencia de los incendios, particularmente en las ciudades donde se ubican grandes complejos industriales, comerciales y de servicios. La exposición de los seres vivos a un incendio puede producir daños muy graves hasta la muerte, generalmente por inhalación de humo, producido por la intoxicación y posteriormente quemaduras graves. 1.1.1. Causas de incendios. Los incendios en zonas urbanas se deben principalmente a cortocircuitos en instalaciones defectuosas, sobrecargas o falta de mantenimiento en los sistemas eléctricos, fallas u operación inadecuada de aparatos electrodomésticos; falta de precaución en el uso de velas y/o veladoras; manejo inadecuado de sustancias peligrosas y/o inflamables, así como las fugas de los mismas y otros errores humanos. Por el lugar donde se producen, los incendios urbanos pueden ser domésticos, comerciales e industriales. 1.1.1.1. Humo. El humo es el principal componente de un incendio además de ser un gas tóxico producto de la combustión incompleta. La combustión es una reacción química de oxidación en la que un elemento emiten energía en forma de calor y luz.
El humo para los seres vivos es tóxico en casi todas sus presentaciones. La impureza de los elementos que lo componen, suponen un serio daño para los pulmones de las personas y animales, las plantas también reaccionan negativamente frente a este. Puede causar muchas enfermedades y ocasionar daños al ambiente, siendo unos de los principales agentes o formas de la contaminación de la atmósfera que hay en la actualidad. La inhalación del humo es la causa primaria de asfixia y muerte en las víctimas de los incendios. El humo mata por intoxicación debido a sus componentes tóxicos, como el monóxido de carbono y las pequeñas partículas sólidas que taponan los alveolos pulmonares y asfixian a la víctima. Cuando la combustión es completa, los productos son agua, dióxido de carbono y compuestos de diversos elementos. Monóxido de Carbono. El monóxido de carbono (CO), también conocido como oxido de carbono (II), gas carbonoso, anhídrido carbonoso, es un gas toxico, inodoro, incoloro e insípido. El monóxido de carbono es el resultado de la oxidación o combustión incompleta de sustancias como gas, gasolina, queroseno, carbón, petróleo, tabaco o madera. Puede causar la muerte cuando se respira en niveles elevados, ya que es considerado “el asesino silencioso”, puesto que se características, hacen del mismo, una amenaza invisible para nuestros sentidos. Intoxicación con monóxido de carbono. El monóxido de carbono, aunque se respire en pequeñas cantidades, puede provocar la muerte por envenenamiento en minutos, ya que, puede sustituir al oxígeno en la hemoglobina de la sangre. Oxihemoglobina. Compuesto formado por la unión de la hemoglobina con el oxígeno, siendo esta la forma en que es transportado en la sangre.
1.1.1.2. Fuga de gases. Hay que tener en cuenta, que tipo de gas está escapando, ya que, si dicho gas es altamente inflamable y/o toxico, puede causar graves explosiones e incendios, importantes problemas de salud e incluso la muerte. Entre las principales causas de los incidentes originados por fugas de gas en los hogares se encuentran los descuidos (como dejar abierta alguna llave de la estufa), la antigüedad y la falta de mantenimiento de los electrodomésticos de gas (como calderas o estufas) y el mal estado de las instalaciones en los edificios antiguos (como las tuberías defectuosas o el mal funcionamiento de los sistemas de ventilación). Cuando se presenta una fuga de gas, el principal y más obvio factor, es el olor a gas (), al cual suele identificarse como olor desagradable, según ciertas fuentes. Pero además de eso, hay otros factores que pueden ayudar a detectar una fuga de gas, como por ejemplo cuando se escuchan silbidos o sopletes, ver polvo que vuela desde el suelo, zonas húmedas o mojadas que burbujean y fuego si es que la fuga se ha presentado. Si se sabe cómo actuar y se detecta a tiempo, el problema se solucionará sin que suceda nada grave. De lo contrario, si la fuga es muy grande y no se evacua enseguida el lugar, se puede estar expuesto a intoxicaciones que pueden llevar a la muerte, o que se produzcan explosiones o incendios de gran magnitud con resultados fatales. Metano. El metano (CH 4 ) es el hidrocarburo alcano más sencillo. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es un gas incoloro, inodoro, inflamable y no toxico. () Dado por las empresas distribuidoras mediante la adición de mercaptanos o tioles, compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH).
En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Muchos microorganismos anaeróbicos lo generan utilizando el CO 2 como aceptor final de electrones. Este gas se produce de forma natural por la descomposición de la materia orgánica. Los humedales y el ganado son las principales fuentes que emiten metano a la atmosfera, donde actúa como gas de efecto invernadero. El metano es uno de los principales componentes del gas natural, aunque sus proporciones varían según el yacimiento de donde es extraído, desde el 83% al 97% y se utiliza como combustible y con fines industriales. El gas natural comercializado además de metano está compuesto con algunos otros hidrocarburos añadidos en pequeña proporción, como propano y butano, también inflamables. Hoy en día, el metano ha incrementado su utilización en el ambiente doméstico, conquistando posiciones privilegiadas, empleándose sobre todo para la alimentación de cocinas eléctricas e instalaciones de calefacción, aunque su calor de combustión es el menor de todos los hidrocarburos (etano, propano, butano, pentano, hexano, heptano, etc.), pero si se divide su masa molecular produce la misma cantidad de calor que los más complejos. Esto hace que sea de gran utilidad para el uso doméstico. En muchas ciudades, el metano se transporta por tuberías hasta las casas para ser empleado como combustible para la calefacción y para cocinar. En Colombia, así como en otros países emergentes, el gas natural es empleado como combustible alterno por algunos vehículos de transporte.