Smart Village: l'electrònica al servei de la societatrovira-forns.cat/files/TRDestacats/Raul...

Smart Village: l'electrònica al servei de la societat

Aquest treball, òbviament, no hauria estat

possible sense la nostra professora de TR i

de Tecnologia, Encarna García, que a més

d’ajudar-nos i guiar-nos amb l’escrit i la

maqueta, sempre ha confiat en nosaltres.

També, agrair a la nostra professora de

dibuix, Montse Pagès, la seva col·laboració

amb el plànol d’AutoCAD. I evidentment, a

la nostra família i amics que sempre estan al

nostre costat.


ÍNDEX

0. Introducció..........................................................................................................................5

1.- Les Ciutats intel·ligents o Smart Cities............................................................................71.1. Característiques de les Smart Cities............................................................................7

1.1.1. Generació energètica distribuïda (micro-generació)...........................................81.1.2.Smart Grids: xarxes intel·ligents interconnectades i bidireccionals.....................8

1.2. Les Smart Cities al món................................................................................................9

1.3. Les Smart Cities a Espanya........................................................................................11

1.4. Les Smart Cities a Catalunya......................................................................................11

1.5. Smarts Cities, futur o present......................................................................................12

2.- Plataforma de Desenvolupament de Projectes Arduino.................................................132.1. Estudi de mercat.........................................................................................................13

2.1.1 Raspberry PI.......................................................................................................132.1.2 Beagle Bone.......................................................................................................142.1.3 PcDuino..............................................................................................................142.1.4 PICAXE..............................................................................................................152.1.5 Arduino...............................................................................................................15

2.2.- Elecció de la Plataforma de Desenvolupament de Projectes....................................16

2.3. Plaques Arduino..........................................................................................................17

3. - Disseny, implementació i programació de la nostra maqueta.......................................203.1. Situació i característiques de Quemada.....................................................................21

3.2. Disseny de la maqueta................................................................................................21

3.3. Estació meteorològica.................................................................................................22

3.4. Museu Amèrica............................................................................................................24

3.5. Bar Benito....................................................................................................................26

3.6. Pàrquing Quemada.....................................................................................................27

3.7. Reg automàtic dels camps de conreu.........................................................................29

3.8. Il·luminació automàtica..............................................................................................31

3.9. Semàfors.....................................................................................................................32


4.-APP control de Quemada................................................................................................344.1. MIT App Inventor.........................................................................................................34

4.2. Funcionalitat de la nostra APP....................................................................................36

Conclusions..........................................................................................................................38

Propostes de millora............................................................................................................40

Llista de Referències............................................................................................................41Bibliografia..........................................................................................................................41

Webgrafia...........................................................................................................................41


0. Introducció

Molts experts a l'àmbit de l’Enginyeria i la informàtica comenten que la innovació

tecnològica més important del segle està relacionada amb el disseny i el

desenvolupament de les Smart Cities. Cada any augmenta la població de les grans ciutats

i això provoca problemes de caire mediambiental, d'abastiment i socioeconòmics, entre

d’altres.

Les Smart Cities tenen com a objectiu resoldre problemes i fer més sostenible la vida a les

ciutats. Amb aquest objectiu, aposten per la utilització d’energies renovables i la

substitució dels vehicles de combustible fòssil per vehicles elèctrics, reduint d’aquesta

manera l’efecte hivernacle.

Tot això, implica un canvi a la infraestructura urbana, incorporant un sistema de sensors,

xarxes de comunicació que faran de les ciutats un entorn molt més sostenible.

Hem decidit emprendre aquest projecte perquè considerem que el desenvolupament de

les Smart Cities marcarà la diferència en aquest segle i seran clau en el bon

desenvolupament del món les pròximes dècades. Poder aprendre’n i realitzar una

proposta a petita escala va ser un incentiu que no vam rebutjar.

Els autors d’aquest treball sempre hem estat molt interessats per la tecnologia, en concret

per l’electrònica i la programació informàtica. De fet, tots dos voldríem fer algun grau

d’enginyeria i potser, en un futur, formar part de la transformació de la nostra ciutat.

En aquest treball ens hem marcat com a objectius aprofundir en el terme Smart City,

conèixer els seus inicis, el seu funcionament i el seu futur (com arribaran a ser, quines

característiques tindran).

També elaborarem una maqueta d'una Smart Town on reproduirem un conjunt

d'automatismes i processos que constitueixen la base d'una Smart City. D'altra banda, no

oblidem que una Smart City ha d'estar connectada i, per tant, això fa necessari que els

diferents elements del nostre poble intel·ligent, com ara edificis, dades meteorològiques o

sensors, estiguin interconnectats i que puguin interaccionar els uns amb els altres. Per

5


aquest motiu, hem dissenyat i programat una aplicació Android amb la qual els ciutadans

poden tenir accés a dades de força utilitat com ara; dades meteorològiques, places

d’aparcament disponibles.

Per a la realització de la maqueta hem volgut reproduir l'estimat poble de la família d'uns

dels autors: Quemada. Es tracta del poble dels avis del Victor Benito, amb els qui té una

gran relació, ja que tots els estius es quedava amb ells. I una de les raons per la qual hem

volgut modernitzar Quemada és fer la vida dels avis del Víctor una mica més fàcil.

Per a la realització d'aquest treball hem hagut d'aprendre molts conceptes d'electrònica,

programació d'aplicacions mòbils, programar Arduino i els funcionament dels sensors

utilitzats i dissenyar plànols amb AutoCAD. També, hem après a dur a terme la instal·lació

dels automatismes a la placa Arduino.

El nostre treball es desenvolupa en quatre grans capítols. Al primer capítol, s’introdueix el

concepte de Smart City i es mostra quina és la situació present i futura a nivell mundial i

estatal.

A continuació, dedicarem un capítol a realitzar un estudi de mercat de les principals

plaques controladores programables. L’objectiu d’aquest capítol és tenir criteri per escollir

la més adient per automatitzar la nostra maqueta.

El tercer capítol, està dedicat al disseny i implementació de la nostra maqueta.

Diferenciarem i situarem els diferents elements claus d’aquesta i quins automatismes hem

desenvolupat per tal de simular alguns dels principals aspectes de les Smarts Cities.

Finalment, el quart capítol el dedicarem a presentar la nostra aplicació Android

desenvolupada amb el programa MIT App Inventor.

6


1.- Les Ciutats intel·ligents o Smart Cities

Com ja hem esmentat abans, el gran objectiu del nostre treball de recerca és dur a terme

el disseny, la implementació i la programació de la maqueta d'una Smart Village. Per

elaborar-la satisfactòriament, primer hem de saber perfectament quines són les principals

característiques i funcions de les Smarts Cities que es dissenyen al nostre voltant.

Les Smart City es poden descriure com ciutats que apliquen la tecnologia de la informació

i la comunicació amb l'objectiu de proveir-la d'una infraestructura que garanteixi d'una

sostenibilitat econòmica, social i mediambiental, és a dir una harmonia entre els tres

aspectes.

Segons un estudi, es preveu que l'any 2050 un 85% de la població mundial viurà en

grans ciutats. Aquest augment de la població provoca que les ciutats es veuran obligades

a trobar una solució per augmentar el proveïment energètic, l’augment de les emissions

de CO2, la planificació dels sistemes de mobilitat, l'escassetat de bens i matèries primeres,

els serveis sanitaris i, per últim, assegurar-se amb èxit la seguretat de la població que

resideixi en aquestes enormes i massificades ciutats.

Les Smart Cities milloren les ciutats tant en eficiència com en gestió de recursos, serveis i

tecnologies i, el millor de tot, que els posin al servei del ciutadà, que és el que cobrarà

protagonisme i permetrà una millor gestió i eficiència de la ciutat.

1.1. Característiques de les Smart Cities Les Smart Cities seran capaces de solucionar tots aquests problemes gràcies a la

implementació de les noves tecnologies que farà que les ciutats siguin sostenibles

econòmicament, socialment i mediambientalment. Algunes de les innovacions futures per

aquest propòsit estan relacionades amb la generació, la distribució i l'estalvi d'energia.

7


1.1.1. Generació energètica distribuïda (micro-generació)

La micro-generació té com a objectiu que la ciutat intel·ligent posseeixi generació

elèctrica repartida pel territori: l'abastament és individualitzat i no centralitzat. Per tant, la

generació serà distribuïda per determinades zones, i si ha un problema, el problema

només afectarà la zona afectada.

1.1.2.Smart Grids: xarxes intel·ligents interconnectades i bidireccionals

La figura 1 mostra de forma esquemàtica, quins són els aspectes o subsistemes que es

controlen a una Smart City.

Figura 1.1.-Diagrama de blocs que mostra els subsistemes que configuren les Smart Cities

Com es pot veure dins d'una Smart City es distingeixen els següents Smart grups:

1. Smart Grids: Es coneix com a Smart Grids a les xarxes intel·ligents

interconnectades, les quals posseeixen una circulació bidireccional de dades entre

el centre de control i l'usuari.

2. Smart Metering: Es tracta del mesurament intel·ligent de les dades de despesa

energètica de cada usuari, a través de operadores robòtiques o humanes on es

realitzen les lectures a distància i en temps real.

8


3. Smart Buildings: Com a model d'eficiència, els edificis han de ser intel·ligents.

Edificis domòtics que respecten el medi ambient i que posseeixen sistemes de

producció d'energia integrats.

4. Smart Sensors: Els sensors intel·ligents tindran la funció de recopilar totes les

dades necessàries per fer de la ciutat una Smart City. Són part fonamental per

mantenir la ciutat connectada i informada, i fer que cada subsistema compleixi la

seva funció.

5. eMobility: Implantació del vehicle elèctric, i els respectius llocs de recàrrega públics

i privats.

6. Tecnologies de la informació i la comunicació (TIC): Són les tecnologies de la

informació que ajudaran a l'hora de controlar els diferents subsistemes que

componen la Smart City, mitjançant les quals els ciutadans i les entitats

administratives poden participar activament en el control de la ciutat.

7. Smart Citizen: Els ciutadans són sens dubte la part fonamental d'una Smart City, ja

que sense la seva participació activa no és possible poder dur a terme aquestes

iniciatives.

1.2. Les Smart Cities al món. En aquest moment, segons l'últim informe realitzat per Cities in Motion1, Nova York és la

ciutat més intel·ligent del món.

L'informe es realitza mitjançant paràmetres en la governabilitat de les ciutats, la seva

eficiència en transport, planificació urbana, adaptació tecnològica, gestió pública, cura del

medi ambient i projecció internacional.

Com es pot veure a la figura 1.2, altres ciutats que han apostat per aquestes tecnologies

són Tokio, Londres, Nueva York, Zúrich, París, Ginebra, Basilea, Seúl, Osaka i Oslo. Les

ciutats espanyoles més desenvolupades es troben entre les 50 primeres: Barcelona i

Madrid.

1. Empresa encarregada d'elaborar cada any el Centre de globalització i estratègia del IESE

9


Aquestes ciutats són les que posseïxen més escoles de negocis i universitats de primer

nivell, conseqüentment també té una elevada població amb estudis superiors.

En economia, Nova York és la primera amb la seva quantitat d'empreses cotitzant en

borsa. Washington destaca en la categoria de gestió pública i Ottawa en governança, pels

seus drets legals i el seu índex de percepció de la corrupció.

París i Londres són les que reben més turistes i organitzen més congressos i reunions

internacionals, una altra de les variables que mesura l'informe.

En matèria de tecnologia, Tòquio s'imposa a la resta amb gairebé un 90% de la seva

població utilitzant banda ampla i alçant-se com a capital de la innovació en el mercat

asiàtic.

Figura 1.2.- Ciutats intel·ligents més desenvolupades actualment. [font: jornal GGN]

10


1.3. Les Smart Cities a Espanya Espanya és un dels països que està incentivant el desenvolupament tecnològic. Això ha

provocat que hi hagi 7 ciutats espanyoles en el rànquing d’Smart Cities mundials amb els

millors projectes innovadors de ciutats.

Madrid és la ciutat espanyola que encapçala el rànquing a nivell nacional (la 28ena millor

ciutat intel·ligent del món segons l'IESE Cities in motion). Barcelona ocupa la posició 35

en aquest rànquing mundial pels seus avenços en la digitalització d'Administració Pública.

Altres ciutats que són al Top 100 mundial són Màlaga (51è), València (63è), Sevilla (68è),

Bilbao (75è) i La Corunya (78è).

Aquestes ciutats han iniciat postes en marxa, és a dir, campanyes per tal de desenvolupar

les seves ciutats tecnològicament, per tal d'aconseguir una ciutat millor i actualitzant les

ciutats pel bé de la població, com València amb la seva iniciativa «VLCi», Bilbao amb

«Bilbao Open data» o Madrid amb MiNT Madrid.

1.4. Les Smart Cities a Catalunya A Catalunya trobem Barcelona com a principal ciutat intel·ligent. Situada 35ena mundial

pels seus avenços en digitalitzar la seva administració pública com hem esmentat abans.

A Catalunya trobem una posta anomenada SmartCAT, una estratègia del Govern de la

Generalitat alineada amb l’estratègia Europa 2020 de la Comissió Europea que estén el

concepte de Smart City per dur a terme un programa que integri, doni suport a les

empreses i desplegui iniciatives Smart a tot el territori. Aquest concepte té com a finalitat

la formació d'un Smart Country.

De fet, el primer carrer intel·ligent situat a Espanya va sorgir el novembre de 2011 a Sant

Cugat. El carrer anomenat Cèsar Martinell és capaç d'autogestionar els serveis municipals

gràcies a una sèries de sensors, és a dir, gestiona automàticament l'enllumenat, la

recol·lecció de deixalles, i el reg de parcs.

11


1.5. Smarts Cities, futur o present Les Smart Cities ja són una realitat; hi ha hagut un desenvolupament en els últims anys a

nivell d'automatització de carrers, gestions d'energies(energies renovables, reducció

d'energies primeres), emissions de CO2 (cotxe elèctric, reducció d'energies primeres).

Encara això, les Smart Cities futures hauran de ser més grans i organitzades per el gran

número de població per ciutat, a més de necessitar més energia, més control de les

emissions, etc. Tots aquestes aspectes que hem tractat en els anteriors apartats sobre

les característiques de les Smart City seran la gran diferència de les ciutats actuals que es

troben en estat de desenvolupament.

12


2.-Plataforma de Desenvolupament de Projectes Arduino.

Per tal de controlar la nostra maqueta d'una Smart Village necessitem trobar una

plataforma de desenvolupament de projectes amb un microprocessador prou potent per

tal de poder controlar-la satisfactòriament.

2.1. Estudi de mercat.A través d'un estudi de mercat hem valorat quina Plataforma de Desenvolupament de

Projectes ens resulta més útil per tal d'implementar la nostra maqueta.

Hem realitzat una recerca inicial a les principals botigues de robòtica i electrònica Online i

hem trobat opcions molt interessants com les plataformes PICAXE, ARDUINO, Raspberry

PI, BeagleBone i pcDuino. A continuació realitzarem una descripció de les principals

característiques d'aquestes marques.

2.1.1 Raspberry PI

Raspberry PI és una placa base d'ordinador amb grans prestacions i mides molt reduïdes

(dimensions similars a una targeta de crèdit). L'èxit d'aquest sistema és perquè el seu

preu és raonable i la possibilitat d'instal·lar un sistema operatiu que permet que funcioni

com un ordinador personal.

Va ser dissenyada principalment per tal de que els nens

aprenguessin programació. Degut al seu èxit ha estat

utilitzada per milers de projectes creatius. Fins i tot, es

proposava aquest sistema per proporcionar als usuaris

de països poc desenvolupats un PC a preus molt

econòmics. Figura 2.1.- Placa Raspberry PI

13


2.1.2 Beagle Bone

La Beagle Bone va ser dissenyada des de zero per a comunicar-se amb parts de

maquinari, sensors, actuadors i altres dispositius electrònics. Va ser una targeta

dissenyada des del principi per als makers2, en lloc de ser una plataforma educativa com

la Raspberry. Una de les característiques més importants és l’alliberament de la ranura

SD, per ser utilitzada per altres fins.

El seu preu de mercat és elevat, al voltant de 89 euros.

Figura 2.2.-Placa Beagle Bone

2.1.3 PcDuino

La pcDuino és una altra targeta que executa Linux. A més, compta amb una interfície de

maquinari compatibles amb Arduino (TM). PcDuino es pot utilitzar per ensenyar a

programar en diversos llenguatges (C, C++, Python o Javaamb Android SDK).

Pots escriure el codi directament en aquesta targeta, com si es tractés d'un Arduino,

executant el programa directament a la targeta. Es pot aconseguir amb un preu a partir de

50 euros. És, per tant, una opció atractiva, i sembla bastant fàcil de configurar.

Figura 2.3.-.Placa PCDuino

2 Els makers són persones de totes les edats, homes o dones expertes en internet i tenen la seva casa plena de cables, llums, motors i eines de tota mena.

14


2.1.4 PICAXE

El sistema PICAXE és un sistema de programació de microcontroladors molt potent, però

molt econòmic, dissenyat per a l'ús educatiu i aficionats dels microcontroladors.

Una de les característiques més interessants del sistema PICAXE és que els programes

poden descarregar-se directament al microcontrolador mitjançant un cable connectat a

aquest, per tant no es requereix l'ús d'equips programadors d'alt cost. A més, el

programari és fàcil d'utilitzar i gratis; per tant els estudiants poden treballar els seus

projectes utilitzant el sistema de programació complet a casa.

Figura 2.4.-Placa Picaxe

2.1.5 Arduino

Arduino és una plataforma de prototips electrònica

de codi obert (open-source) basada en hardware i

programari flexibles i fàcils d'utilitzar. Està pensat

per a artistes, dissenyadors, com a hobby i per

qualsevol interessat a crear objectes o entorns

interactius.

Figura 2.5.-Símbol Arduino

Arduino pot sentir l'entorn mitjançant la recepció d'entrades des d'una varietat de sensors i

pot afectar al seu voltant mitjançant el control de llums, motors i altres artefactes. El

microcontrolador de la placa es programa usant el Arduino Programming Language i el

Arduino Development Environment. Els projectes d'Arduino poden ser autònoms o es

poden comunicar amb programari en execució en un ordinador, per exemple amb Flash3,

3 És una tecnologia per crear animacions gràfiques vectorials independents del navegador i que necessiten poc ample de banda per mostrar-se en els llocs web.

15


Processing4, MaxMSP5, etc...

El programari es pot descarregar gratuïtament. Els dissenys de referència del maquinari

(arxius CAD) estan disponibles sota llicència de codi obert, de manera que ets lliure

d'adaptar-les a les teves necessitats.

2.2.- Elecció de la Plataforma de Desenvolupament de Projectes.

Després de valorar les dades obtingudes del nostre estudi de mercat, hem decidit utilitzar

Arduino pels següents motius:

1) Preu econòmic: Les plaques Arduino són relativament barates comparades amb

altres plataformes microcontroladores. La versió menys cara del mòdul Arduino

costen menys de 50 euros.

2) Multi-plataforma: El programari d'Arduino s'executa en sistemes operatius

Windows, Macintosh OSX i GNU / Linux. La majoria dels sistemes

microcontroladors estan limitats a Windows.

3) Entorn de programació simple i clar: L'entorn de programació d'Arduino és fàcil

d'utilitzar per a principiants, però prou flexible perquè usuaris avançats puguin

aprofitar-lo també.

4) Codi obert i programari extensible: El programari Arduino és una eina de codi

obert, disponible per extensió per programadors experimentats. El llenguatge pot

ser ampliat mitjançant llibreries C ++.

5) Codi obert i maquinari extensible: L'Arduino està basat en microcontroladors

ATmega8 i ATMEGA168 d'Atmel. Els plans per als mòduls estan publicats sota

llicència Creative Commons6, de manera que dissenyadors experimentats de

circuits poden fer la seva pròpia versió del mòdul, estenent i millorant-lo. Fins i tot,

4 És un llenguatge de programació i entorn de desenvolupament integrat de codi obert basat en Java, de fàcilutilització.

5 És un entorn de desenvolupament gràfic per a música i multimèdia. El programa ha estat usat durant més de quinze anys utilitzat en la creació de programes interactius.

6 Organització sense ànim de lucre dedicada a reduir les barreres legals per a compartir treballs creatiu.

16


usuaris relativament inexperts poden construir la versió de la placa del mòdul per

entendre com funciona i estalviar diners.

2.3. Plaques ArduinoArduino ha dissenyat i comercialitza diversos models de plataformes amb diferents

prestacions que permeten treballar a nivell d'usuari novell o bé a nivells més

desenvolupats. A la taula de la figura 2.6 es mostren els models més importants de

plaques comercials d'Arduino i es detallen les característiques més importants.

Placa Característiques

Arduino UNO

Microcontrolador Atmega 16U2

La placa està formada per dues ranures (USBi font d'alimentació externa), un botó reset perreiniciar-la, 3 pins GND (pin negatiu de laplaca), 11 pins digitals per els sensors digitals,dos pins per a les sortides TX i RX, 6 pinsanalògics per els sensors analògics, dos pinsde voltatge (3,3 i 5V), un pin Vin i per últim elmicrocontrolador i el programador sèrie,encarregats de fer funcionar la placa.

Arduino Mega 2560 R3

Microcontrolador ATMega8U2

La placa Arduino Mega permet majorsvelocitats de transmissió de dades pel portUSB en relació al model Arduino UNO. Laprincipal característica d'aquesta placa és queté més pins que la resta de plaques Arduino,conté 54 pins d'entrada o sortida digitals i 16entrades analògiques. Això fa que es pugin fermoltes connexions i és ideal per un granprojecte.

Arduino Genuino Zero

ATSAMD21G18, 32-Bit ARM Cortex M0 +

La placa Arduino Genuino Zero proporcionaun major rendiment, el que permet una granvarietat d'oportunitats de projectes per adispositius, i actua com una gran einaeducativa per aprendre sobre eldesenvolupament d'aplicacions de 32 bits.

17


Arduino Micro

Microcontrolador ATmega32U4

La característica principal de la placa micro ésque es similar a la Arduino Uno en què elATmega32U4 s'ha incorporat en lacomunicació USB, eliminant la necessitat d'unprocessador secundari.

La placa Arduino micro es normalmentutilitzada per tal de realitzar projectes petits enels que no caben les plaques de dimensionsnormals.

Arduino Yún

Microcontrolador ATmega32u4

La placa Arduino Yún combina el poder deLinux amb la facilitat d'ús de les plaquesArduino pel processador.

La placa es la combinació d'una ArduinoLeonardo amb un xip intern de WIFI.

Figura 2.6.- Taula plaques Arduino

Per a la realització del nostre projecte, hem escollit la placa Arduino Mega 2560 R3. El

principal motiu d'aquesta elecció és que té 54 pins d'entrada o sortida digitals i 16

entrades analògiques. Com ja hem comentat abans, el nostre objectiu és realitzar un gran

projecte d'automatització i no voldríem tenir la limitació de tenir un nombre de pins

insuficient.

Figura 2.7.-Arduino Mega 2560

18


A la taula de la figura 2.8 es mostren les principals característiques tècniques de la Placa

de Desenvolupament de Projectes Arduino MEGA. Com es pot veure, ens proporciona

moltes possibilitats d'interconnexió i té un microcontrolador prou ràpid i potent.

Nom / Tipus de sensor Característiques.

Microcontrolador ATmega8U2

Voltatge de entrada -7 a 12V

54 pins Entrada/Sortida (14 d'ells són sortides

PWM)

16 entrades Analògiques

Memòria Flash 256k

Punt de Connexió USB(sense requeriment de drivers perLINUX o Mac)

Velocitat del rellotge 16Mh

Figura 2.8.- Taula valors Arduino Mega

19


3. - Disseny, implementació i programació de la nostramaqueta.

Com s'ha comentat a la introducció d'aquest treball, vam pensar dissenyar una Smart

Town per tal de posar en pràctica alguns dels sistemes automàtics que incorporen les

Smart Cities actuals, simplificats. En el moment de plantejar-nos la realització de la

maqueta vam valorar diferents possibilitats, tenint en compte la tipologia de les

poblacions, població i ubicació, entre d'altres aspectes.

Finalment, vam decidir implementar la nostra maqueta en un poble ben conegut per un

dels autors d'aquest treball, en Víctor Benito: Quemada. Es tracta del poble dels seus avis

i, per tant, visitat i estimat des de sempre. D'altra banda la reduïda superfície del nucli

urbà permetia realitzar la maqueta del poble a una escala adient. Un altra raó seria la

necessitat de repoblar el poble, ja que s’està quedant sense habitants. Segons, l’informe

de 2008 de (INE7) el poble tenia un número d’habitants de 260. Ara, el 2017 Quemada

només té 241 habitants.

Figura 3.1-Fotografia del nucli urbà de Quemada

7. L'Institut Nacional d'Estadística és un organisme autònom d'Espanya encarregat de la coordinació general dels serveisestadístics de l'Administració General de l'Estat

20


3.1. Situació i característiques de Quemada.Com es pot veure a la figura 3.2, Quemada és un municipi de la província de Burgos que

pertany a la comarca de la Ribera del Duero. Com ja s'ha comentat anteriorment, és un

poble petit d’uns 241 habitants (2017) amb una densitat de població de 11,57

habitants/km2. La superfície del poble és de 20,835 km2. La població a l’hivern es redueix

respecte a l’estiu, ja que moltes cases són de famílies que viuen a les ciutats i als estius

van a passar una part de les vacances al poble. La gent, que viu al poble sempre,

majoritàriament viu de l’agricultura, cultivant als seus camps i després venent els seus

productes. Una minoria del poble viu dels seus negocis com ara xarcuteries, peixateries,

botigues de roba i alguns bars.

Figura 3.2- Situació de Quemada al mapa d'Espanya. Figura 3.3.-Fotografia aèria del poble de Quemada.

3.2. Disseny de la maquetaPer dissenyar la maqueta hem intentat reproduir, a escala, el centre del poble de

Quemada (Figura 3.1). Ens hem vist obligats a modificar alguns carrers i edificis, per tal

de poder incloure el nucli urbà a la nostra maqueta.

Donada la complexitat de la nostra tasca, primer vam decidir quins sistemes automàtics

introduíem per millorar la vida dels habitants del poble.

En primer lloc, vam decidir que havíem de realitzar millores en el funcionament dels

edificis més importants del poble: el centre mèdic, el museu, el centre de meteorologia i el

bar.

21


A continuació, vam pensar que podia ser interessant implementar sistemes per controlar

el sistema d'enllumenat i el trànsit, controlant com ara semàfors i alcoholèmia.

Per últim, vam proposar-nos automatitzar el pàrquing del poble per tal que els habitants

de Quemada, poguessin conèixer des del mòbil les places de pàrquing quedaven

disponibles al centre de la plaça.

A la figura 3.3 es pot veure la situació dels edificis i espais que hem automatitzat a la

nostra maqueta. Als subapartats següents es detallaren els sistemes automàtics que

s'han dissenyat i els elements que els formen.

3.3. Estació meteorològica

Figura 3.4. Detall de la maqueta on es veu l'edifici que alberga la estació meteorològica.

Des de fa molt temps, al poble, es va instal·lar un pluviòmetre, un termòmetre i un

baròmetre analògics. Nosaltres hem volgut agafar aquest vells dispositius i ubicar-los en

en una estació meteorològica en condicions on es pot controlar els nivells de temperatura,

humitat i pressió atmosfèrica.

Hem decidit instal·lar una sèrie de sensors digitals per tal d’automatitzar l'estació

meteorològica i, d'aquesta manera, que tot el poble pugui visualitzar les dades de

temperatura, humitat i pressió atmosfèrica des de l'App Android Control de Quemada.

A la taula de la figura 3.5 es detallen les característiques del sensors que hem instal·lat

l'estació meteorològica. Com es pot veure, s'han instal·lat tres tipus de sensors: de

temperatura i humitat, de pressió atmosfèrica i de llum.

22


Aquesta automatització es correspon als subsistemes de Smart Grids i Smart Sensors

(veure apartat 1.1). En l’estació meteorològica s’ha instal·lat un emissor Bluetooth que

envia la informació procedent de tots els sensors instal·lats a la nostra maqueta i a la

nostra aplicació. D’aquesta manera, els vilatans poden accedir a les dades temperatura,

humitat i pressió atmosfèrica en temps real.

Nom / Tipus de sensor Característiques.

DHT11

Sensor de temperatura ihumitat ambient

Aquest tipus de sensor ens proporciona les dadescorresponents a la temperatura i la humitat ambient.

El sensor, es caracteritza per tenir el senyal digitalcalibrada de manera que assegura una alta qualitat iuna fiabilitat al llarg del temps. Està constituït per dossensors resistius (NTC i humitat).

Sensor de llum LDR

Els sensors LDR són uns components fotoelectrònics,els quals la seva resistència varia en funció de la llumque incideix en ell.

Es solen utilitzar com a sensors de llum, per arrencarllums automàticament quan la foscor sobrepassa uncert llindar, o com detectors de moviment proper, quanalguna cosa s'interposa.

Mòdul Bluetooth

El sensor Bluetooth, ens permetrà comunicar-nos ambels nostres sensors electrònics tots via WIFI sensecap mena de cablejat.

Resistència

Hem utilitzat 4 resistències de 220 ohm per aquestmuntatge.

Figura 3.5.- Principals sensors instal·lats a l' Estació Meteorològica

Gràcies a la nostra aplicació es poden consultar les condicions meteorològiques a temps

real. Es mostra a la pantalla de la nostra aplicació amb les dades de temperatura i

23


humitat.

3.4. Museu Amèrica El museu Amèrica se situa al Nord-est de la plaça. Aquest museu, alberga grans relíquies,

de gran valor econòmic i sentimental. Es tracta d'obres com ara quadres de pintors locals,

escultures o càntirs de gran valor.

Hem decidit instal·lar un sensor de presència que controla una alarma per tal que,

aquestes obres estiguessin protegides de qualsevol persona maliciosa que intentes

sostreure-les. El museu, a l’actualitat, només té com a protecció una alarma vella que no

funciona correctament.

Figura 3.6.- Localització del museu Amèrica

Amb aquest objectiu, hem instal·lat un sensor de moviment que hem programat per tal de

quan detecti moviment accioni un sistema d'alarmes.

Com es pot veure a la taula 3.7, el sensor utilitzat en qüestió, es el sensor de moviment

PIR . Són elements que detecten canvis en la radiació infraroja que reben i que disparen

una alarma al percebre-ho. Al percebre-ho, un brunzidor sonarà i un LED vermell

s’encendrà.

Aquest sistema automàtic, com s’ha vist a l’apartat 1.1 correspon a un subsistema Smart

Grid ja que el sensor es troba interconnectat amb el emissor Bluetooth que envia la

informació a la nostra aplicació. També, es correspon amb el subsistema Smart Buildings

ja que incorpora un sistema d’alarma basat en la detecció del moviment mitjançant

24


infrarojos.

Component Característiques

Sensor de moviment PIR

Els PIR més freqüents són sensors demoviment.

Aquest sensor, està dividit en dues parts, elque provocà que pugi detectar el canvi deradiació infraroja que reben les dos meitats.Quan les dos parts la reben, l’alarma esdispara.

Brunzidor

Els brunzidors, són petits mòduls degeneració de so senzills i pràctics perincloure sons d'atenció o alarma.

La podem escoltar gràcies a una vibracióproduïda per una freqüència audible queprovoca el so.

LED vermell

Un LED és un díode que emet llum quan hi circula corrent a través del mateix.

Resistència

Necessitem 2 resistències de 220 ohms i altres 2 de 10000 ohms.

Figura 3.7.- Principals sensors i actuadors instal·lats al museu.

25


3.5. Bar BenitoEl bar Benito és un edifici entranyable de Quemada que existeix des de pràcticament els

seus inicis. El va obrir un dels fundadors del poble, posant-li de nom el seu cognom (a

Quemada, hi ha moltes persones amb el cognom Benito, com és el cas d'un dels autors

d'aquest treball). El bar ha anat passant de generació en generació mantenint-se obert

sempre i sent un dels principals bars del poble. Està situat al nord de la plaça, i es el

punt de reunió de la gent del poble (Figura 3.8.)

Figura 3.8.-Localització bar Benito a la nostra maqueta.

Hem pensat que aquest establiment necessita un sensor d'alcoholèmia per tal de

mesurar els nivell d'alcohol en sang de qualsevol persona desprès d'una nit de festa.

D'aquesta manera es vol controlar el consum d'alcohol i reduir els nivells d’accidents en

carretera, ja que si la persona no supera el control i ha d’agafar el cotxe no se’l permetrà

conduir.

A l'edifici del Bar Benito hem instal·lat els sensors i actuadors que es detallen a la taula de

la figura 3.9.

Quan el sensor d'alcohol detecti que la persona sobrepassa el límit permès, el LED RGB

es posara vermell. Si detecta que ets a prop de sobrepassar es posara taronja i si detecta

que tens un nivell adequat, es posara blau.

Aquest sistema automàtic, com s’ha vist a l’apartat 1.1 correspon a un subsistema Smart

26


Grid ja que el sensor es troba interconnectat amb el emissor Bluetooth que envia la

informació a la nostra aplicació. També, es correspon amb el subsistema Smart Buildings

ja que incorpora un sistema de detecció d’alcohol que assegura el control de carreteres

d’accidents per embriaguesa.

Component Característiques.

Sensor d’alcohol MQ-3

Aquest sensor d'alcohol és adequat per detectar laconcentració d'alcohol a la respiració. Té una altasensibilitat i un temps de resposta ràpida. El sensorproporciona una sortida resistiva analògica basada enla concentració d'alcohol. El circuit d'accionament ésmolt simple, tot el que necessita és una resistència.

LED RGB

Els LEDs RGB son aquells actuadors formats amb launió de tres LEDs de colors bàsics, en un encapsulatcomú, compartint el càtode.

En funció de la tensió que posem en cada pin podemaconseguir la barreja de color que desitgem ambrelativa senzillesa.

Resistència


3.6. Pàrquing Quemada Al nord-est de la maqueta trobem un pàrquing dissenyat per nosaltres ocupant un terreny

municipal sense ús d’un descampat.

L'accés al pàrquing està controlat per una barrera que s’obre només si queden places

lliures. Els micro-servo baixaran i aixecaran la barrera. Un cop dins de la barrera, trobem

deu places de pàrquing en les quals, en cada una d'elles trobem un LDR, un sensor que

identifica quan la plaça de pàrquing es trobi ocupada. Si les places de pàrquing estan

27

Figura 3.9.- Principals components del sistema de control de alcoholèmia.


lliures, el LED corresponent a la mateixa resta de color verd. Quan un cotxe ocupa una de

les places, el LED s'il·lumina de color vermell i a l'aplicació es resta una al total de les

places disponibles del pàrquing.

Figura 3.10.- Fotografia del pàrquing de Quemada a la maqueta.

Els automatismes que utilitzarem per aquesta automatització, com es pot veure a la figura

(3.11) són els següents: els motors micro-servo, els sensors LDR i els LEDS bicolor.

Aquest automatització es correspon a un subsistema Smart Grid (consulteu l'apartat 1.1)

ja que el sensor es troba interconnectat amb l'emissor Bluetooth que envia la informació a

la nostra aplicació. També, es correspon amb el subsistema eMobility, ja que incorpora un

sistema d’aparcament de cotxes automatitzat i eficaç, informant de les places

desocupades per tal de no donar voltes per trobar aparcament i gastar combustible.

28



Motor Micro-Servo

Els motors micro-servo són motors decorrent continu, que permeten controlarl’angle d’obertura en resposta a un senyalde control, i es mantinguin fixes en aquestaposició.

Sensor LDR

Els sensors LDR són uns componentsfotoelectrònics, els quals la seva resistènciavaria en funció de la llum que incideix en ell.

LED bicolor

Els LEDs bicolor són aquells actuadorsformats amb la unió de dos LEDs de colorsbàsics, en un encapsulat comú, compartintel càtode.

Resistència


3.7. Reg automàtic dels camps de conreu Al Nord-oest de la maqueta, trobem uns camps, que han sigut moguts per tal de fer lloc a

l'autopista. Hem pensat en incorporar un sistema de reg automàtic per millorar el

rendiment d’aquests camps de conreu.

29

Figura 3.11.- Taula sensors pàrquing


Figura 3.12.-Localització camps

Amb aquest objectiu, hem instal·lat uns sensor d’humitat que ens proporciona informació

dels valors d'humitat de la terra. Els resultats, que s'actualitzen cada 500 ms, es podran

visualitzar a la nostra aplicació mòbil amb el programa App inventor.


Sensor d’humitat HL-69

El sensor, consisteix en dues plaquesseparades entre si que quan detectenhumitat es creara un pont entre l'una il'altra, el que serà detectat per un circuit decontrol amb un amplificador operacionalque s’encarregara de transformar laconductivitat registrada a un valor analògicque podrà ser llegit amb la nostra aplicació.

Resistències


30

Figura 3.13.- Taula sensors humitat terra


3.8. Il·luminació automàticaLa nostra proposta consisteix en substituir els vells fanals del poble (alguns encara

funcionen amb bombetes d'incandescència) per fanals amb bombetes LED. Gràcies als

sensors de llum. instal·lats a diferents punts de la maqueta, podem controlar l'encesa i

apagada dels mateixos segons el nivell de lluminositat.

Aquesta automatització,com s’ha vist a l’apartat 1.1, correspon amb Smart Sensors

ja que de manera intel·ligent regula la llum dels fanals. Quan es fa de nit s'encenen i quan

es de dia s’apaguen. D'aquesta manera s'estalviarà electricitat i contribuirem a reduir les

emissions de CO2 a l'atmosfera.

31

Figura 3.14.-Localització dels sistema d'il·luminació a la maqueta



LED blanc


Resistència


Figura 3.15.- Taula components del sistema d'il·luminació automàtica.

3.9. SemàforsEls semàfors seran construïts amb tres LEDs de diferent color: un vermell, un groc i un

verd. Els semàfors es troben situats als encreuaments del nord de la maqueta per tal

d’evitar accidents de trànsit. Aquests LEDs de color aniran alternant-se cada pocs segons,

depenent del color del semàfor. Els LEDs vermell i verd es mantindran 8 segons encesos

abans de canviar al color groc, que romandrà encès un segon.

Figura 3.16.-Semàfors

32


Aquesta automatització, com s’ha vist a l’apartat 1.1 correspon amb Smart Sensors

ja que de manera intel·ligent regula la llum dels semàfors.


LED de color


Resistències


Figura 3.17.- Taula components necessaris per implementar els semàfors

33


4.-APP control de QuemadaHem dissenyat i programat una aplicació que ens permetrà controlar uns determinats

sensors. Les diferents dades que ens proporcionen els sensors com ara el sensor

d’humitat i temperatura, el de pressió atmosfèrica es veuen reflectides en l’aplicació mòbil

cada 500 ms. També, podem veure les places de pàrquing disponibles en aquest moment

per tal d’aparcar ràpidament sense cap problema.

4.1. MIT App InventorMIT App Inventor és una aplicació de desenvolupament de programari creat per Google

Labs per a l'elaboració d'aplicacions destinades al sistema operatiu Android. L'usuari pot,

de forma visual i a partir d'un conjunt d'eines bàsiques, anar enllaçant una sèrie de blocs

per crear l'aplicació. Les aplicacions creades amb App Inventor estan limitades per la seva

simplicitat, tot i que permeten cobrir un gran nombre de necessitats bàsiques en un

dispositiu mòbil.

La plataforma es va posar a disposició del públic el 15 de desembre de 2010 i està

dirigida a persones que no estan familiaritzades amb la programació informàtica. En la

creació d'App Inventor, Google es va basar en investigacions prèvies significatives en

informàtica educativa.

Figura 4.1.-Logo MIT App inventor

L'editor de blocs de la plataforma App Inventor, utilitza la llibreria Open Blocks de Java per

crear un llenguatge visual a partir de blocs. Aquestes llibreries estan distribuïdes per

Massachusetts Institute of Technology sota la seva llicència lliure.

34


Figura 4.2.-Editor de pantalla

MIT App Inventor permet crear una aplicació i es poden programar aplicacions més

complexes en molt menys temps que amb els llenguatges més tradicionals, basats en

text.

La interfície gràfica del App Inventor li permet a l'usuari crear aplicacions amb moltes

funcionalitats a l'abast d'uns quants clics, per tant s'obre una gran porta per a moltes

persones que desitgin crear aplicacions sense necessitat de ser programador. A més, la

seva facilitat d'ús fa que la aplicació sigui fàcil d'utilitzar.

Figura 4.3.-Editor de Blocs

35


4.2. Funcionalitat de la nostra APP.La nostra APP permet als vilatans tenir un cert control sobre la informació que

proporcionen els sensors de Quemada.

Compartir i controlar les dades és molt important per tal de complir una de les

característiques principals de les Smart Cities: tenir interconnectades les ciutats i

proporcionar informacions al útils per als vilatans.

A través del mòbil, són capaços de visualitzar una sèrie de dades dels sensors instal·lats

per tal d’estar ben informats sobre l’estat del poble un dia qualsevol. L’aplicació recull les

dades i les mostra cada 50 ms actualitzades. Informació com temperatura, humitat

(ambiental i del terra) i pressió atmosfèrica es mostren en les seves respectives caselles

de l’aplicació.

També, permetrà encendre o apagar l’alarma del museu en cas que comenci a sonar o

per alarmar d’un robatori en hora de visita.

Finalment, hem volgut proporcionar als usuaris de la nostra aplicació la disponibilitat de

places al pàrquing. L’objectiu és reduir el consum de combustible i, per tant, la

contaminació atmosfèrica. D’aquesta manera, abans d’arribar al pàrquing, els vilatans

poden visualitzar el número de places que hi ha disponibles.

Aquesta automatització, es correspon a un subsistema Smart Grid (consulteu l'apartat 1.1)

ja que el sensor Bluetooth interconnecta els sensors amb la nostra aplicació. També es

correspon amb el subsistema Smart Citizen ja que l’aplicació, permet a els ciutadans

obtenir informació mitjançant la nostra App. Com ja sabem, una de les característiques

més important es que les Smart Cities seran dissenyades per fer la vida de les persones

més fàcil.

36


Figura 4.4.- APP control Quemada nit Figura 4.5.- APP control Quemada dia

37


Conclusions

Després d'haver realitzat aquest treball podem concloure que:

1. Les Smart Cities suposaran un repte per a la societat, l’augment de la població a

les grans ciutats suposarà el desenvolupament de les ciutats a Smart Cities per tal

de reduir els nivells de contaminació atmosfèrica i millorar les ciutats tant en

eficiència, com en gestió de recursos, serveis i tecnologies.

2. Actualment moltes ciutats comencen a incorporar alguns dels elements que les fan

intel·ligents, és a dir, un conjunt de sensors i actuadors interconnectats mitjançant

xarxes intel·ligents.

3. Existeixen moltes marques comercials de plataformes de desenvolupament de

projectes( a preus raonables) que posen a disposició dels usuaris no professionals

la possibilitat de realitzar projectes d'electrònica i programació força complets.

4. La Placa de desenvolupament de projectes Arduino MEGA ha estat la més adient

per a realitzar aquest treball degut al seu baix cost econòmic, pel seu llenguatge de

programació, i per l'alta potència que oferia juntament amb el nombre elevat

d'entrades i sortides.

5. El programa AutoCAD ens ha resultat una eina força útil, ja que gràcies a aquest

programa hem pogut dissenyar la textura del sòl sencera sense cap problema i ens

ha facilitat la seva impressió i enganxament en paper vinil.

6. Hem aconseguit automatitzar una maqueta a escala del nucli urbà de Quemada.

En total hem dissenyat i implementat 3 zones noves al poble (estació

meteorològica, pàrquing, autopista) i hem instal·lat diferents automatismes: estació

meteorològica, control enllumenat públic, reg automàtic dels camps de conreu,

control del pàrquing i control de la circulació, entre d’altres.

38


7. Hem ampliat força els nostres coneixements d'electrònica. Això ha estat

imprescindible per al disseny i el muntatge dels circuits electrònics de la nostra

maqueta (que han resultat força complexos).

8. Hem hagut d'ampliar els nostres coneixements de programació C++ per tal de

poder desenvolupar el programa d'Arduino que fa possible el funcionament dels

diferents automatismes.

9. La plataforma MIT App Inventor ens ha permès realitzar una aplicació força

completa per tal de poder visualitzar i compartir les dades dels principals sensors

(temperatura, humitat, humitat de terra, llum, etc).

10. El disseny i la implementació d’una aplicació mòbil per tal de controlar els sensors

suposa un control per part dels vilatans sobre les instal·lacions municipals molt

important. La finalitat de les Smart Cities és la bona convivència dels ciutadans,

que en són la part clau.

39


Propostes de millora

Després de finalitzar el nostre TR, hem analitzat detalladament el nostre treball arribant a

la conclusió que amb una sèrie de punts podríem haver millorat el nostre treball

considerablement.

La primera possible millora seria la substitució del sensor Bluetooth per un sistema WIFI

més efectiu. En aquest treball, no ha sigut possible a causa de l’elevat cost econòmic que

podria haver suposat, a banda de les dificultats tècniques en la programació.

La segona possible millora, seria haver desenvolupat una base de dades per guardar i

processar les dades recollides pels sensors, és a dir, les dades meteorològiques, la

humitat de la terra. D'aquesta manera es podrien realitzar gràfics i comparar valors en

diferents moments temporals.

Per últim, haver instal·lat més sensors a la nostra maqueta faria el nostre treball més ric i

amb més dades per a la nostra APP.

40


Llista de Referències.

BIBLIOGRAFIA

TOJEIRO CALAZA, Germán. Taller de Arduino. Un enfoque práctico para

principiantes. Barcelona; Marcombo, 2014.

LUIS DURÁN, José; GÁMIZ, Juan; BARGALLÓ, Ramón; DOMINGO,Joan; MARTÍNEZ,

Herminio; MORÓN, Juan. Electrotècnia. Instal·lacions elèctriques i automàtiques.

Barcelona; Marcombo, 2009.

OXER HUGH BLEMINGS, Jonathan. Practical Arduino. Cool Projects for Open Source

Hardware. Nova York; ATTiCA, 2009.

EVANS, Brian. Beginning ArduinoProgramming. Writing Code for the Most Popular

Microcontroller Board in the World. Nova York; ATTiCA, 2009.

WILCHER, Don. Learn Electronics with Arduino. Nova York; ATTiCA, 2009.

RILEY, Mike. Programming Your Home. Automate with Arduino, Android, and Your

Computer. Dallas; The Pragmatic Programmers, 2012.

WEBGRAFIA

Foboworld.<https://foboworld.eyezen.es/fobolists/smart-cities-espanolas/>

[consulta: 06.08.2017]

Tecnobitt. <http://tecnobitt.com/ciudades-inteligentes-caracteristicas-de-una-smart-

city/> [consulta: 06.08.2017]

Economipedia.<http://economipedia.com/definiciones/que-es-una-ciudad-

inteligente-o-smart-city.html> [consulta: 07.08.2017]

Informació Arduino:

41

http://economipedia.com/definiciones/que-es-una-ciudad-inteligente-o-smart-city.html

http://economipedia.com/definiciones/que-es-una-ciudad-inteligente-o-smart-city.html

http://tecnobitt.com/ciudades-inteligentes-caracteristicas-de-una-smart-city/

http://tecnobitt.com/ciudades-inteligentes-caracteristicas-de-una-smart-city/

https://foboworld.eyezen.es/fobolists/smart-cities-espanolas/


Mit APP Inventor. <http://appinventor.mit.edu/explore/> [consulta: 22.11.2017]

Arduino [en línia]. <http://arduino.cc> [consulta: 10.09.2017].

Prometec.<https://www.prometec.net> [consulta: 20.09.2017].

Computerhoy.com <https://computerhoy.com> [consulta: 21.09.2017].

Comohacer.eu<https://comohacer.eu/analisis-comparativo-placas-arduino-oficiales-

compatibles/> [consulta: 21.09.2017].

Aprendiendo Arduino

<https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/03/23/diferentes-modelos-de-

placas-arduino/> [consulta: 21.09.2017].

Informació sobre Quemada:

Wikipedia. <https://es.wikipedia.org/wiki/Quemada> [consulta: 14.12.2017].

Google Earth <https://www.google.com/intl/es/earth/> [consulta: 14.12.2017].

Club Rural <https://www.clubrural.com/que-ver/burgos/quemada>

[consulta: 14.12.2017].

Quemada <http://www.quemada.es/> [consulta: 14.12.2017].

42

http://www.quemada.es/

https://www.clubrural.com/que-ver/burgos/quemada

https://www.google.com/intl/es/earth/

https://es.wikipedia.org/wiki/Quemada

https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/03/23/diferentes-modelos-de-placas-arduino/

https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/03/23/diferentes-modelos-de-placas-arduino/

https://comohacer.eu/analisis-comparativo-placas-arduino-oficiales-compatibles/

https://comohacer.eu/analisis-comparativo-placas-arduino-oficiales-compatibles/

https://computerhoy.com/

https://www.prometec.net/

http://arduino.cc/

http://appinventor.mit.edu/explore/

Smart Village: l'electrònica al servei de la societatrovira-forns.cat/files/TRDestacats/Raul...

Documents

Transcript of Smart Village: l'electrònica al servei de la societatrovira-forns.cat/files/TRDestacats/Raul...