Contenedor inteligente con Arduino y ThingSpeak

DATOS

Master Universitario en Profesor de Educación Secundaria Obligatoria, Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanza de Idiomas.

Universidad de Salamanca

Asignatura: Innovación Docente en la Especialidad de Tecnología.

Curso: 2020/2021

Autor: Álvaro Lozano Murciego

CONTEXTO

La actividad se enmarca como un proyecto a desarrollar a lo largo de varias sesiones en la asignatura de Tecnología de 4ºESO de Aplicadas. Se parte de unos conocimientos mínimos previos de electrónica y se podrá enseñar programación con Arduino y temas más avanzados relacionados con la conexión con servicios de Internet.

Se encuentra enmarcado en el Bloque Robótica y Control.

ENUNCIADO

El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un contenedor "inteligente" que presente las siguientes características:

Se pueda abrir su tapa sin contacto y sin esfuerzo: Se accionará con un sensor de ultrasonidos cuando la distancia con un obstáculo sea menor que cierto valor.
Monitorice y muestre el nivel de llenado y lo publique en un sitio web: el porcentaje de llenado deberá estar accesible tanto de forma online como localmente en el propio dispositivo.

MATERIALES NECESARIOS Y REQUISITOS PREVIOS

Para llevar a cabo el siguiente proyecto serán necesarios los siguientes materiales:

1 x Cubo de basura comercial: shorturl.at/AHIW5. La idea principal es modificarlo para hacerlo "inteligente" con distintos sensores. Este apartado es libre.

1 x Sensor de ultrasonidos HC-SR04: Tendrá la función de sensor de distancia para aproximar el porcentaje del contenedor, en este caso el sensor apuntará hacia el interior del contendor para tal fin.

1 x Sensor de distancia Time of Flight (ToF): Se trata de un sensor de distancia más preciso que el de ultrasonidos y sin tanto rango de apertura. Este sensor será el empleado para accionar la apertura de la tapa del contenedor si se detecta una distancia menor a un umbral definido.

1 x MicroServo 9g : Este actuador será el encargado de abrir la tapa del contenedor.

1 x M5Stick C Plus: En este caso se empleará este dispositivo como microcontrolador. Este dispositivo esta basado en el microcontrolador ESP32 (de la empresa Espressiff) y forma parte de la empresa M5Stack, empresa de hardware electrónico educativo. La diferencia fundamental con Arduino UNO (ATMega328p) consiste en que el microcontrolador ESP32 posee conexión WiFi y Bluetooth BLE, un factor que lo hace perfecto para Internet de las Cosas (IoT) a la vez de su bajo coste, unos 5 euros un ESP32. Por lo demás, es posible utilizar el Core de Arduino (el lenguaje de programación Arduino y sus bibliotecas) con este microcontrolador. Para instalar esta placa en el IDE de Arduino es sumamente sencillo, basta seguir los pasos que se indican AQUI. Una vez instalado ya podemos seleccionar la placa en el IDE de Arduino. Una vez explicado qué es el ESP32, podemos abordar el M5Stick C Plus, dispositivo con distintos periféricos (Pantalla LED, Micrófono, Acelerómetro, etc.) Esto es muy útil ya que permite realizar muchas prácticas con el mismo dispositivo, sin embargo puede quedarse algo corto en cuanto a pines disponibles, M5Stack posee más dispositivos como el M5Stack Core Basic.

N x Cableado: Serán necesarios varios cables y jumpers para el prototipo en la protoboard y posteriormente para instalar el cableado en la papelera.
Pegamento termofusible: Necesario para fijar toda la parte de cableado y la caja en la parte de la tapa del contenedor.

Además de estos materiales, será necesario contar con el siguiente software/cuentas:

Arduino IDE y con placa ESP32 instalada: Seguir los pasos descritos AQUI.
Cuenta en ThingSpeak: Será necesario crear una cuenta en https://thingspeak.com/ aquí podremos crear hasta 4 "channels" o canales donde podremos publicar la información del sensor. Con crear un solo canal será necesario. Posteriormente en el código se detallarán los pasos a seguir.
ThingSpeak Arduino: Será necesario instalar la biblioteca de ThingSpeak para Arduino en el IDE desde el gestor de bibliotecas.
M5Stick C Plus: Instalar la biblioteca con este nombre desde el gestor de bibliotecas.

DESCRIPCIÓN DE LOS MECANISMOS DEL PROTOTIPO Y DEL FUNCIONAMIENTO

La idea principal del proyecto consiste en conseguir desarrollar un programa que se accione un motor para poder abrir la tapadera durante unos segundos y posteriormente pasar a cerrarla. Por tanto, deberemos realizar un mecanismo con el que abrir la tapa como se muestra a continuación:

Por otro lado, el programa del microcontrolador también deberá medir la distancia desde la parte superior del contenedor de tal forma que se pueda aproximar el volumen de llenado del contenedor.

La información de llenado se enviará a ThingSpeak a través de una petición HTTP utilizando la biblioteca de Arduino para tal servicio. En ThingSpeak será necesario configurar un canal en el que recibir los datos y mostrar una visualización de éstos en una gráfica:

https://thingspeak.com/channels/1302770

DISEÑO DEL CIRCUITO ELECTRÓNICO (TINKERCAD y Diagrams.net)

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA

CÓDIGO ARDUINO, BIBLIOTECAS Y REPOSITORIO GITHUB

Bibliotecas Necesarias:

ESP32Servo
ThingSpeak Arduino ESP32
Wire
Wifi

Repositorio:

https://github.com/elloza/SmartWasteBin-MUPES

IMAGEN DEL PROTOTIPO

VIDEO DEMOSTRATIVO

Imagen proyecto terminado

DATOS

Universidad de Salamanca – Master Universitario en Profesor de Educación Secundaria Obligatoria, Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanza de Idiomas.

Asignatura: Innovación Docente en la Especialidad de Tecnología.

Curso: 2019/2020

COMPONENTES DEL GRUPO

Carlos Hernández Calvo
Daniel Pescador Hernández

CONTEXTO

El siguiente proyecto se puede realizar para alumnos de 4º de la E.S.O. de la asignatura de Tecnología tanto Académicas como Aplicadas.

Bloque 1: Tecnologías de la Información y la Comunicación.
Bloque 3: Electrónica.
Bloque 4: Control y Robótica.

Este proyecto permite implementar un problema de la vida real, como es el caso si el balón ha entrado o no en una portería, con conceptos vistos en la asignatura de Tecnología.

FUNCIONAMIENTO

La tecnología de Gol tiene el siguiente funcionamiento:
En primer lugar, disponemos de 5 sensores de Infrarrojos situados en el larguero de la portería (realizada con una impresora 3D), de manera que puedan detectar si el balón atraviesa la misma. La elección de 5 sensores ha sido debido a la longitud que debían abarcar.

En segundo lugar, vamos a disponer de una pantalla LCD donde se irá reflejando el marcador del partido, además del mensaje de GOL cuando haya entrado la pelota, o de reinicio del mismo cuando sea necesario (mediante un botón pulsador).

Por último, disponemos de servo motor para simular el banderín del asistente de árbitro con un led verde que se encenderá cada vez que haya un gol.

Así pues, cada vez que el balón pase la portería se mostrará el mensaje de GOL por la pantalla LCD, se levantará el banderín y se encenderá la luz LED durante 2 segundos, después de esto la pantalla LCD mostrará el marcador existente. Si se desea reinicializar el partido, se dispone de un botón “switch” para ello.

ESQUEMA DEL CIRCUITO CON FRITZING

Para una mejor visualización se especifican 2 de los 5 sensores de Infrarrojos, los cuales irán situados en las entradas analógicas de la A0 a la A4.

Protoboard

Esquema electrónico

MATERIALES UTILIZADOS

Arduino MEGA (también podría usarse Arduino UNO)
2 protoboard
1 LED verde
1 pulsador
5 sensores de Infrarrojos
1 servomotor
1 condensador de 100 µF
1 pantalla LCD
1 potenciómetro 10kΩ
1 resistencia 220Ω
1 resistencia 10kΩ
Cables para el montaje de los circuitos

Materiales utilizados para la maqueta:

Portería diseñada con Tinkercad e impresa en 3D
Caja de cartón
Césped artificial
Chinchetas
Tapón de corcho
Palo de Chupa-Chups
Pegamento
Cinta adhesiva
Pintura blanca
Cartulina

CÓDIGO FUENTE

/*
* PROYECTO OJO DE HALCÓN GOL:
* MUPES UNIVERSIDAD DE SALAMANCA - Innovación Docente en la Especialidad de Tecnología
*
* El siguiente código implementa los pasos necesarios para la detección de 5 sensores de infrarojos en una porteria realizada en Impresión 3D
* Donde cada vez que el balon consigue pasar dicha portería, se enciende un LED, se mueve un servo con el banderín del linier y muestra en
* una pantalla LCD el mensaje de GOL y el Marcador correspondiente.
*
* Creado en Enero de 2020, por los integrantes del grupo:
* - Carlos Hernández Calvo
* - Daniel Pescador Hernández
*
* #################################
*/
// Se incluyen las librerias del Servo y el LCD
#include <Servo.h>
#include <LiquidCrystal.h>

Servo myServo; //creamos el objecto del Servo

//Inicialización de la LCD con cada uno de los PINs
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int analogInPin01 = A0;// Pin analogico 1 para la lectura del Fototransistor
const int analogInPin02 = A1;// Pin analogico 2 para la lectura del Fototransistor
const int analogInPin03 = A2;// Pin analogico 3 para la lectura del Fototransistor
const int analogInPin04 = A3;// Pin analogico 4 para la lectura del Fototransistor
const int analogInPin05 = A4;// Pin analogico 5 para la lectura del Fototransistor

const int OutPin = 13;// Pin para el led indicador
const int InPin = 7; // Pin para el Switch

//Inicialización del valor de los sensores:
int sensorValue01 = 0;
int sensorValue02 = 0;
int sensorValue03 = 0;
int sensorValue04 = 0;
int sensorValue05 = 0;

int varGol = 0;        // Inicializamos la variable de goles a 0
String stringMarcador; //Inicializamos el texto del marcador

//Creación de una variable global para el stado del Switch
int switchstate = 0;

void setup() {
// Inicializamos la comunicacion serial a 9600 bps:
Serial.begin(9600);
//"Attach" del servo al pin 9
myServo.attach(9);

//Declaración de los pines de Entrada y Salida
pinMode(InPin, INPUT);
pinMode(OutPin, OUTPUT);

//Configuración del número de caracteres y columnas del LCD.
lcd.begin(16, 2);

//Impresión del mensaje inicial en el LCD
lcd.print("MARCADOR: ");
//Movemos el cursor a la linea 1 segunda columna
lcd.setCursor(0, 1);
stringMarcador += varGol;
stringMarcador += " - 0";
lcd.print(stringMarcador);
}

void loop() {

// Leemos el valor del Switch
// digitalRead() comprueba si tiene voltage el pin o no
switchstate = digitalRead(InPin);

//Leemos los pines de entrada y se lo asignamos a las variables
sensorValue01 = analogRead(analogInPin01);
sensorValue02 = analogRead(analogInPin02);
sensorValue03 = analogRead(analogInPin03);
sensorValue04 = analogRead(analogInPin04);
sensorValue05 = analogRead(analogInPin05);

//Reinicio del Partido al pulsar el botón del Switch
   if (switchstate == HIGH) {
    varGol = 0;
    stringMarcador = "";
    //Limpiamos la pantalla antes de poner el nuevo mensaje
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    //Impresión de Primera Línea
    lcd.print("INICIO PARTIDO");
    //Esperamos 1.5 segundos para volver a inicializar el LCD
    delay(1500);
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("MARCADOR: ");
    //Movemos el cursor a la linea 1 segunda columna
    lcd.setCursor(0, 1);
    stringMarcador += varGol;
    stringMarcador += " - 0";
    lcd.print(stringMarcador);
}

// Si el valor obtenido es menor a 900 entonces detecta el balon (los sensores IR estás configurados para que cuando no destecta ningún obstáculo de valores superiores a 900 hasta 1023)
if(sensorValue01 < 900 || sensorValue02 < 900 || sensorValue03 < 900 || sensorValue04 < 900 || sensorValue05 < 900)
{
    Serial.print("GOOOOOL ");
    varGol = varGol + 1; //Se aumenta la variable gol
    stringMarcador = ""; //Ponemos el texto del marcador vacío
    //Se ilumina el led
    digitalWrite(OutPin, HIGH);
    //Movemos el servo 180° para hacer mover el banderín del linier
    myServo.write(179);
    //Limpiamos el LCD para poner el mensaje de GOL
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("GOOOOOL!!!!!!");
    //Esperamos 2 segundos antes de poner el marcador de nuevo
    delay(2000);
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    //Escribimos el número de goles en el marcador
    lcd.print("MARCADOR: ");
    lcd.setCursor(0, 1);
    stringMarcador += varGol;
    stringMarcador += " - 0";
    lcd.print(stringMarcador);
}
else
{
    //Miestras no detecten nada los sensores el Pin estará apagado y el servo no se mueve
    digitalWrite(OutPin, LOW);
    myServo.write(0);
}

//Imprimimos los valores de los sensores para hacer comprobaciones en el puerto serie
Serial.print("sensor1 = " );
Serial.println(sensorValue01);
Serial.print(" y sensor2 = " );
Serial.println(sensorValue02);
Serial.print(" y sensor3 = " );
Serial.println(sensorValue03);
Serial.print(" y sensor4 = " );
Serial.println(sensorValue04);
Serial.print(" y sensor5 = " );
Serial.println(sensorValue05);

delay(100);
}

Tecnovando desde 2013

martes, 16 de febrero de 2021