Departamento de Ingeniería Eléctrica Proyecto Fin de carrera DETECTOR NO INVASIVO DE CAMPOS ELÉCTRICOS Y CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO Autor: Andrés Martínez Rincón Directores: Miguel Samplón Chalmeta David Gascón Cabrejas Ingeniería Técnica Industrial, Electrónica Industrial Curso 2013-2014 Convocatoria Marzo DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 Indice 1. Introducción Pág. 9 1.1 Marco de trabajo Pág. 9 1.1.1 Libelium y sus productos Pág. 9 1.1.2 Las redes sensoriales Pág. 10 1.2 Justificación Pág. 17 1.2.1 Objeto Pág. 17 1.2.2 Motivación del proyecto Pág. 18 1.3 Objetivos Pág. 18 1.3.1 Alcance Pág. 19 1.4 Antecedentes Pág. 21 1.5 Desarrollo del proyecto Pág. 22 1.5.1 Seguimiento del proyecto Pág. 22 2. Estudio del estado del arte Pág. 24 2.1 Estudio de los campos a detectar Pág. 24 2.1.1 Los campos eléctricos Pág. 24 2.1.2 Los campos electromagnéticos Pág. 25 2.1.3 Diferencia entre los campos eléctricos y los campos electromagnéticos en los circuitos eléctricos Pág. 26 Página 3 de 84 DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 2.2 Estudio de los adaptadores utilizados y por utilizar Pág. 28 2.2.1 La tecnología Arduino Pág. 28 2.2.1.1 Características de Arduino Pág. 29 2.2.1.2 Aplicaciones Pág. 32 2.2.2 La tecnología Waspmote Pág. 33 3. Planteamiento Inicial Pág. 42 3.1 Sensor de Campos Eléctricos Pág. 42 3.2 Sensor de Campos Electromagnéticos Pág. 43 4. Sensor de campos eléctricos Pág. 45 4.1 Análisis y elección del diseño Pág. 45 4.1.1 Otros diseños Pág. 45 4.2 Elección de componentes y justificación Pág. 48 4.3 Resultados reales Pág. 49 5. Sensor de campos electromagnéticos Pág. 51 5.1 Análisis y elección del diseño Pág. 51 Página 4 de 84 DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 5.1.1 Uso de un Fluxgate Pág. 51 5.1.2 Amplificación de una intensidad inducida mediante amplificadores operacionales Pág. 52 5.1.2.1 Amplificador uA741 Pág. 53 5.1.2.2 Amplificador LF351 Pág. 55 5.1.2.3 Amplificador TL084 Pág. 57 5.1.2.4 Amplificador de instrumentación INA122 Pág. 58 5.1.3 Amplificación de una intensidad inducida mediante transistores Pág. 60 5.2 Elección de componentes y justificación Pág. 61 5.3 Resultados reales Pág. 63 6. Adaptación para Arduino Pág. 65 6.1 Diseño Hardware Pág. 65 6.2 Diseño Software Pág. 66 6.2.1 Otras aplicaciones Pág. 70 7. Futura adaptación para Waspmote y otras plataformas Pág. 71 7.1 Diseño Hardware Pág. 71 Página 5 de 84 DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 7.2 Diseño Software Pág. 72 8. Conclusiones Pág. 74 8.1 Conclusiones personales Pág. 75 8.2 Agradecimientos Pág. 76 8.3 Líneas futuras Pág. 77 9. Glosario Pág. 79 10. Bibliografía Pág. 80 10.1 Referencias bibliográficas Pág. 80 10.2 Linkografía Pág. 80 11. Anexos Pág. 82 11.1 Artículo “¿Qué son los sensores?” Pág. 82 11.2 Artículo “Las ecuaciones de Maxwell” Pág. 82 Página 6 de 84 DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 11.3 Artículo “¿Qué son los campos electromagnéticos?” Pág. 82 11.4 Artículo sobre el sensor de campos eléctricos inicial Pág. 82 11.5 Sensor de campos electromagnéticos comercial Pág. 82 11.6 Esquemas sobre los supuestos sensores de EMF para Arduino Pág. 83 11.7 Artículo informativo sobre el fluxgate Pág. 83 11.8 Esquemas para la detección de campos electromagnéti- cos mediante amplificadores operacionales Pág. 83 11.9 Datasheet bc847c Pág. 84 Página 7 de 84 DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 1.Introducción 1.1 Marco de trabajo Este Proyecto de Fin de Carrera (PFC) se ha realizado en colaboración con la empresa Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. bajo la dirección de su cofundador y director de Investigación y Desarrollo (I+D), D. David Gascón Cabrejas, ingeniero en Informática, y bajo la supervisión de D. Miguel Samplón Chalmeta como ponente, profesor titular del departamento de electricidad de la Universidad de Zaragoza. El proyecto se ha llevado a cabo íntegramente en las instalaciones de Libelium en el Centro Europeo de Empresas e Innovación de Aragón (CEEI), desde junio de 2013 hasta diciembre de 2013, bajo el formato de prácticas/proyecto en empresa de UNIVERSA. 1.1.1 Libelium y sus productos Libelium es una empresa de diseño y fabricación de Hardware para la implementación de redes sensoriales inalámbricas, redes malladas y protocolos de comunicación para todo tipo de redes inalámbricas distribuidas. Nace en 2006 como empresa spin-off de la Universidad de Zaragoza. Sus productos se han vendido en más de 40 países y sus esfuerzos se han visto reconocidos con diversos premios. En ella se utiliza en gran medida el software libre y el firmware tiene una licencia pública GPL (General Public License). Página 9 de 84 DETECTOR NO INVASIVO DE MEMORIA CAMPOS ELÉCTRICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS PARA ARDUINO UNO REVISIÓN 2 20/02/14 Entre los productos de Libelium cabe destacar los más relevantes: • Waspmote: dispositivo sensorial para la creación de redes sensoriales inalámbricas (actuando como nodo) de bajo consumo. • Meshlium: dispositivo router multitecnología que integra tecnología Wifi, ZigBee, GPRS, GPS y Bluetooth. 1.1.2 Las redes sensoriales Las redes sensoriales inalámbricas, también conocidas como WSN, son redes que buscan monitorizar el entorno. Compuestas por pequeñas máquinas, equipadas con distintos tipos de sensores, trabajan de forma colaborativa para la medición de datos captados del exterior. A cada una de estas máquinas se le llama mote o nodo. Las principales características de este tipo de redes son: • Escalabilidad: La capacidad de auto-organización de la red permite la instalación de nuevos motes y aumentar el área de monitorización. Éstos son reconocidos automáticamente por el resto de forma que actualizan sus tablas de rutas en consecuencia. Esto permite la instalación de WSN en gran variedad de escenarios. • Alta disponibilidad: En caso de que un mote deje de funcionar, el resto de valores pueden seguir siendo transmitidos por caminos alternativos. Esto es gracias a los algoritmos de enrutamiento dinámicos que se encargan de actualizar las rutas. • Fácil implantación: El hecho de que la comunicación es inalámbrica y que los motes son alimentados por medio de baterías, hace que la instalación sea fácil y posible en cualquier entorno. Página 10 de 84