2.1 Diseño propuesto

Se implementaron dos aplicaciones que pueden asociarse a la adquisición de dos magnitudes físicas relacionadas al monitoreo volcánico, en las que se muestra el uso del Arduino programado con Simulink. En este caso se decidió desarrollar un Medidor de Inclinación y un Medidor de Temperatura con Dispositivo Termo-Resistivo PT 100. En la Figura 1 se muestra un diagrama en bloques descriptivo muy simple de la arquitectura de adquisición de las dos variables.

Figura 1 Esquema funcional en bloques que describe las implementaciones propuestas. 

En el diagrama de la figura 1 se observa que, tanto el acelerómetro como la sonda PT100 usados para el medidor de inclinación y de temperatura, respectivamente, se conectaron de forma conveniente a los pines de entrada/salida de la placa Arduino y, esta última se acopló, a través del puerto USB, a la PC donde corre el Simulink.

Existen dos tipos de Hardware de Adquisición (HA) utilizables en el monitoreo volcánico destinadas a medir, procesar, almacenar y transmitir los datos. Estos HA dependen de: la cantidad y tipo de parámetros a monitorear, las condiciones del terreno, el nivel de actividad del volcán y de los recursos con que se cuente.

El HA más simple es el que tiene una topología cableada, constituida por: un grupo de sensores, un bloque amplificador, uno de acondicionamiento y con el de adquisición propiamente dicho. La otra variante consta de estos mismos bloques, además de un bloque de transmisión inalámbrica. En la actualidad esta última variante es la más utilizada en el monitoreo volcánico, implementada a través de una red de sensores, debido a las bondades que presenta al ser un sistema de los llamados desatendidos, ideal para estas aplicaciones, (^{Werner, 2006}; ^{Ariosto, 2008}; ^{Peng, 2009}; ^{Lopes, 2014}; ^{Blanco-Velandia, & Pérez-Castillo, 2012}).

A continuación se hace una breve descripción de los bloques que constituyen el HA más simple:

Etapa de sensores: Encargada de convertir la variable física en una señal eléctrica de tensión o de corriente (^{López-Mendoza et al., 2007}).

Etapa multiplexora y amplificadora: Generalmente constituida por un multiplexor y un amplificador para que, además de amplificar, se pueda conectar cada sensor con el bloque siguiente. El bloque tendría un único nivel de amplificación o con control automático de ganancia según el requerimiento de los sensores. Es la etapa encargada de proporcionar a la señal un nivel que asegure el trabajo del convertidor Análogo a Digital (CAD).

Bloque acondicionador de señal: encargado de desplazar el nivel de tensión de CD de la señal y los rangos que aseguren el trabajo del CAD.

Bloque de adquisición y procesamiento de datos: En este bloque se encuentra el CAD, por lo que es el encargado de brindar los datos en formato digital. Cuenta con dispositivos controladores, o una PC, con unidades de procesamiento y almacenamiento de datos. Estos datos pueden ser analizados por software especializados o transmitirse remotamente (^{López-Mendoza et al., 2007}).

2.2 Metodología

Los métodos de investigación utilizados fueron el teórico y el empírico, fundamentalmente. En el caso del teórico, permitió establecer la sinergia existente entre el hardware Arduino y el software Simulink para su programación. En este sentido se recurrió al análisis y síntesis, específicamente al análisis hipotético-deductivo e histórico-lógico, para poder establecer las relaciones esenciales y cualidades fundamentales en el soporte de diseño Arduino-Simulink y poder generalizar los resultados. En el caso del método empírico permitió corroborar la hipótesis de las facilidades que reporta la utilización del Simulink frente a otras herramientas gráficas de programación de este tipo de plataformas hardware. En este caso se utilizó el método de la medición y la simulación.

Los materiales utilizados para realizar el diseño y la implementación fueron: una placa de Arduino Uno genérica, un módulo acelerómetro para Arduino tipo MMA 7361 y una sonda de temperatura tipo PT100. El software utilizado para realizar la programación de la placa, fue el Simulink asociado al MATLAB R2013b (8.2.0.701) de 32 bit de agosto 13 del 2013.

Las variables de estudio se encuentran asociadas a los valores de resistencia de una sonda PT100 y las tensiones de los ejes X, Y y Z del acelerómetro. El valor de las simulaciones de estas variables se contrastó con los valores que aparecen en los manuales de ambos dispositivos (^{Arian, 2015a}; ^{Guarnizo, 2013}; ^{Freescale Semiconductor, Technical Data., 2008}).

2.3 Materiales

3.1 Implementación del medidor de inclinación

En esta sección se describe el diseño, simulación e implementación de un medidor de inclinación o movimiento, que sirve para medir las deformaciones del edificio volcánico y las posibles sacudidas que pudieran existir del cono volcánico, entre otras aplicaciones (^{Guarnizo, 2013}).

En este diseño se utilizan los bloques funcionales de la biblioteca Arduino IO Library. Para seleccionar los pines de control del acelerómetro se usan los bloques de salida digitales del Arduino, en este caso: Aduino Digital Write (ADW). Se utilizan dos, uno para el Pin SL y otro para el Pin SG. El bloque ADW que se conecta al SL, se sitúa en un nivel alto para garantizar el trabajo normal del acelerómetro. El otro ADW se conectaría a SG para poder seleccionar la sensibilidad del dispositivo. El dispositivo se alimenta de la placa Aduino con la tensión de 3.3V.

Figura 2 Diagrama en bloque del modelo en Simulink del medidor de inclinación. 

En la figura 2 se muestra el diagrama en bloques del modelo de la implementación en Simulink. Como se observa, las salidas de los dos bloques ADW van a los pines de salida del Arduino 11 y 13 y colocaría un 0V y un nivel alto en los pines 11 y 13, respectivamente. Para la adquisición de las salidas X, Y y Z del acelerómetro se utilizaron los bloques Arduino Analog Read. En los bloques se han seleccionado las entradas analógicas de la placa Arduino: pin 0, pin 2 y pin 4, y en estas se conectan las salidas X, Y, y Z respectivamente. En la Figura 3 se muestra el esquema físico de conexión del acelerómetro y el Arduino, que se corresponde con el esquema en bloques del modelo mostrado en la Figura 2. Se debe señalar que en el modelo desarrollado se tiene en cuenta la posibilidad de calibración de cada eje del acelerómetro, a través de los bloques “sustractores” y “constantes” que se conciben en el modelo.

Figura 3 Esquema físico de conexión del “Arduino” y acelerómetro MMA7361. 

La comprobación del funcionamiento del medidor de inclinación se realiza leyendo los valores de salida de los displays del modelo, para una posición horizontal del acelerómetro y una posición vertical del dispositivo, comprobándose la aceleración, estática en este caso (^{Guarnizo, 2013}). Se debe tener en cuenta que el display superior se corresponde con el eje “X”, el display 1 con “Y” y el display 2 con el eje “Z”.

En la Figura 4 se muestra la captura de pantalla del modelo Simulink para el caso del acelerómetro en posición horizontal, sobre una mesa, con su cara superior hacia arriba. En dicha posición, las tensiones son: X = 1.643 V, Y = 1.64 V y Z = 2.501V, lo que se corresponde con los valores dados por el fabricante (^{Guarnizo, 2013}; ^{Freescale Semiconductor, Technical Data, 2008}).

Figura 4 Captura de pantalla de la corrida de Simulink con acelerómetro horizontal. 

En la Figura 5 se muestra la simulación del modelo de Simulink para el caso que el acelerómetro se encuentre en posición vertical, habiéndose girado sobre el eje X respecto a la posición anterior. En este caso se tiene que el eje X = 1.633V, Y = 0.851 y Z = 1.687V, lo cual es debido a que en la nueva posición sólo existieron giros de 90º en los ejes Y y Z con respecto a la posición de la Figura 4. Es decir, sólo existió una rotación en el eje X. Este resultado se puede comprobar en el manual del MMA7361 tomado como referencia (^{Guarnizo, 2013}). El acelerómetro se puede calibrar haciendo una serie de medidas de ángulo de inclinación de cada eje contra la tensión de salida correspondiente. En el modelo de Simulink se brinda la posibilidad de hacer dicha calibración.

Figura 5 Captura de pantalla de la corrida de Simulink con acelerómetro vertical. 

3.2 Medidor de temperatura con dispositivo PT100

En este caso se pretende mostrar la posibilidad de implementar un medidor de temperatura con una PT100 usando el Arduino, con un modelo simple en Simulink. Para implementar un medidor como tal, se tendría que calibrar la PT 100 o incorporar, de alguna forma al modelo, la tabla de resistencia contra temperatura para poder brindar la lectura de temperatura (^{Arian, 2015b}). La PT 100 es un sensor de temperatura que consiste en un alambre de platino que a 0º C tiene una resistencia de 100 ohm, la cual aumenta con la temperatura. Este incremento es creciente pero no es lineal y, se tendría que contar con las tablas de temperatura contra la resistencia R(t) de la PT100 para poder tener la temperatura exacta (^{Arian, 2015b}). Las PT100 industriales, como la utilizada, están encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable o vaina, quedando el elemento sensible a la temperatura en un extremo mientras que en el otro están los cables de conexión. Este encapsulado lo hace conveniente para la aplicación de monitoreo volcánico de temperatura.

El esquema implementado es parecido a la conexión de 4 hilos (^{Arian, 2015B}). Se utiliza el sencillo divisor de tensión, con una resistencia de valor conocido y la particularidad de la medición indirecta de la corriente que circula por dicho divisor y, con ella se determina la resistencia que presenta la PT100 para cada temperatura. En este caso se ha supuesto que la resistencia que compone el divisor tiene una variación muy pequeña con la temperatura y, que por las entradas analógicas del Arduino no circula una corriente apreciable. En la figura 6 se presenta el esquema de conexión de la sonda PT100 con el Arduino.

Figura 6 Esquema de conexión de la PT100 con el Arduino. 

Se conectaron las entradas analógicas del Arduino a los extremos tanto de la resistencia conocida, como de la sonda PT100 (R(t)). La resistencia conocida RD seleccionada es de un valor tal que se garantice la circulación de 1 mA por el divisor de tensión, siguiendo el rango recomendado por el fabricante (^{Arian, 2015b}). El valor de RD es de 4,6KΩ, lo que garantiza la gama de la corriente de excitación que aconseja el manual.

El modelo en Simulink que se corresponde con el esquema eléctrico de la Figura 6, se muestra en la Figura 7. Se tiene que a través de los bloques de lectura analógica del Arduino se obtienen las caídas de tensión de RD y de R(t). Por el Pin cero y el Pin 2 se obtiene la caída de tensión por RD y entre Pin 4 y GND se obtiene la caída de tensión por R(t). Luego la diferencia de tensión por RD se divide entre la resistencia conocida RD y se obtiene la corriente por el divisor. Posteriormente la tensión por R(t) se divide entre la corriente anteriormente determinada y, se tiene el valor de R(t) para el valor de temperatura a que estuviera sometida la sonda.

Figura 7 Diagrama en bloques del modelo en Simulink para el esquema circuital de la figura 6. 

La funcionalidad del detector de temperatura se comprobó realizando variaciones discretas de temperatura, observando el cambio que se produce en el valor de la resistencia R(t). En la figura 8 se muestra una captura de pantalla del modelo en Simulink cuando la sonda PT100 se encuentra a temperatura ambiente (28ºC). El valor en el display 2 se corresponde con la corriente por el divisor (1.064 mA) y, el del display 1 se corresponde con el valor de R(t) de la PT100, que en este caso es de 110.5Ω.

Figura 8 Captura de pantalla de modelo de la sonda en Simulink para temperatura ambiente. 

En la figura 9 se muestra la captura de pantalla del modelo en Simulink del detector para el caso de un valor de temperatura superior al ambiente (41ºC). Se observa que ahora el valor de R(t) es superior al de la Figura 8, en este caso de 115.1 Ω. En este mismo esquema es posible mejorar la exactitud de la medida de R(t), si se alimentara el divisor con una fuente de corriente conocida.

Figura 9 Modelo de la sonda en Simulink para temperatura superior al ambiente. 

3.3 Resultado de los medidores de inclinación y temperatura

En el caso del medidor de inclinación se comparan los valores de tensión de cada eje, obtenidos en el modelo Simulink, corrido sobre el Arduino, con los correspondientes valores que muestran los manuales (Freescale Semiconductor, Technical Data, 2008; ^{Guarnizo, 2013}). En la Figura 10 se muestran las posiciones espaciales del módulo acelerómetro MMA7361, con los valores de tensión correspondientes de sus 3 ejes. Estos valores de tensión son los que se compararon con los de las Figuras 4 y 5. Los valores de la Figura 4 se corresponden con los de la imagen izquierda de la Figura 10 y, los de la Figura 5 con los de la posición espacial de la derecha.

Figura 10 Posiciones relativas espaciales del acelerómetro MMA 7361 con los valores de tensión de sus ejes. (Freescale Semiconductor, Technical Data, 2008). 

De la comparación de estas medidas se observa que el error relativo mayor ocurrido en la posición de la izquierda, es de 2.08% para el eje Z. En el caso de la posición de la derecha se tiene que el error relativo mayor es de 2.24%, al igual que para el eje Z. Se debe destacar que en esta implementación se brinda la posibilidad de calibrar el medidor, a través de los bloques sustractores y constantes, asociados a cada eje, que se observan en el modelo, ver figuras 4 y 5.

Para el medidor de temperatura, aunque el objetivo solo era el de describir su diseño e implementación con PT100 utilizando el soporte Arduino-Simulink, es importante comentar los resultados de las mediciones realizadas con este dispositivo. Los resultados de esta variable se compararon con la tabla temperatura en º C contra resistencia de la PT100 que aparece en el manual (^{Arian, 2015b}).

La comparación de la tabla de resistencias del manual de la PT100 con los valores resistivos obtenidos en el modelo de Simulink, ver figuras 8 y 9, para 28ºC y 41ºC, respectivamente, se indican en la tabla 1. Aunque el error relativo es bajo, este valor se puede reducir a través de los bloques “Constant 2” y “Subtract1” que aparecen en el modelo, los cuales brindan la posibilidad de la calibración del medidor.