FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PROYECTO DE GRADO

SISTEMA IOT PARA EL MONITOREO Y CONTROL DEFUENTES DE LUZ ARTIFICIAL APLICADO A LA

AGRICULTURA DE PRECISIÓN

PRESENTADO POR :

DIEGO JAVIER MENA AMADO

COD. 20092005053

DIRECTOR:

CESAR ANDREY PERDOMO CHARRY

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Bogotá D.C.

Agradecimientos

En esta pagina pretendo agradecer a todos mis amigos, colegas, maestros, familiares, grupos de trabajo, deinvestigación, semilleros y a Dios por su apoyo, por tenerme tanta paciencia y por querer compartirme suenergía y conocimiento cuando más lo llegue a necesitar. He llegado al final de este camino y en mi hanquedado marcadas experiencias de éste recorrido.

A mis Maestros, todos y cada uno de ellos, agradezco sus palabras y sabios consejos, mi triunfo es tam-bién vuestro. El reconocimiento significa reconocer, es decir, volver a conocer. Reconocer a alguien por sutrabajo, por su actitud, por su sonrisa o quizás por su sistema operativo. . . Considero que se deben hacercosas monumentales, pensar en gigante para plasmar a lo grande, reconocer lo más que podamos, un lídercarismático se la pasa repartiendo reconocimientos.

El líder le da las gracias a su gente, el líder reparte Gratitud. No te mueras sin haber agradecido la ca-pacidad que se te ha dado: Pensar. Los pensamientos desdoblan la realidad... si los acompañas con accionesclaro esta. Es importante reconocer que si se tiene una muy buena visión, pero no se pasa a la acción, loúnico que veras es una mera ilusión.

A mi madre y mis hermanos, considero que se queda corto agradecerles y por ello con gusto infinito lesaseguro una mejor calidad de vida, mi triunfo es también vuestro.

A mis amigos del Grupo GNU/Linux, mis parceros y compareños agradezco por haberme compartido sufilosofía, por haberme instruido en diversos campos del conocimiento y por hacerme notar que hacemosparte de la elite, esa elite capaz de aportar a la comunidad significativamente sin esperar nada a cambio,reconociendo que el conocimiento es poder y el poder esta al servicio de la humanidad. Por ello expreso quemi triunfo también es vuestro.

A los grupos de investigación LASER(Laboratorio de automatización, sistemas embebidos y robótica),GITUD(Grupo de investigación en Telecomunicaciones de la Universidad Distrital) y el CIDC(Centro deInvestigación y Desarrollo Científico) les agradezco por los espacios de trabajo que permitieron que medesenvolviera mucho mejor académicamente.

Agradezco al talento humano del laboratorio de ensayos eléctricos de la Universidad Nacional de Colom-bia, pues gracias a su apoyo, muchas de las inquietudes acerca de la luz y su comprensión fueron resueltas.

Finalmente, agradezco al Colectivo Piensa Libre de la facultad de ingeniería, compartir con personajes quedesean mejorar su Universidad y extender la posibilidad de educación a los demás, me parece una notablelabor. Por ello expreso que mi triunfo también es vuestro.

Con este libro, doy por terminado el ciclo de un camino de más de mil millas, 27375 días, equivalentesa 7.5 años de formación, no obstante parece que la luz ha iluminado nuevos caminos de la ciencia y que pesea lo que digan los demás, siempre habrá algo nuevo por aprender y diversos caminos por reccorer.

Gracias Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

1

Índice

1. Introducción 6

2. Formulación del problema 10

3. Objetivos 113.1. General: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2. Específicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4. Metodología 124.1. Análisis del estado de la técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2. Diseño e implementación Electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3. Diseño e implementación de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.4. Integración Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5. Capítulo I : Conceptos físicos acerca de la luz y la iluminación. 135.1. Luminotecnia y Colorimetría. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.2. Dualidad Onda-Partícula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.3. Propagación y reflexión de la luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.4. Intensidad y flujo luminoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.5. Luminancia e Iluminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.6. El efecto de la luz en las plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

6. Capítulo II : Caracterización de dispositivos electrónicos. 196.1. Transductores y sensores de luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.2. Entornos de desarrollos: microcontroladores y mini-ordenadores . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.3. Tecnología MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.4. Tecnología LED para la agricultura de precisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.5. Sistema de alimentación y disipación de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7. Capítulo III : Estándares y arquitecturas inmersas en el sistema. 337.1. El Internet de las cosas - IoT(Internet of Things) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337.2. Arquitectura para comunicación wireless mediante tecnología LoRa . . . . . . . . . . . . . . . 347.3. Estándares y espacios del color. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.4. Reglamento técnico de iluminación y alumbrado público - RETILAP . . . . . . . . . . . . . . 39

8. Capítulo IV : Diseño y simulación de circuitos electrónicos. 418.1. Simulación de circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418.2. Diseño de circuitos Impresos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

9. Capítulo V : Diseño e implementación de interfaces para el monitoreo y control defuentes de luz artificial. 479.1. Pautas para el diseño de Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479.2. Adquisición, procesamiento y acondicionamiento de datos del color. . . . . . . . . . . . . . . . 519.3. Interfaz para el monitoreo y control de fuentes de luz LED V-0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . 569.4. Interfaz para el monitoreo y control de fuentes de luz LED V-0.2. . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.Análisis de resultados 7010.1. Prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

11.Conclusiones 77

12.Referencias 78

2

Índice de figuras

1. Japón: Empresa Mirai/General Electric en el año 2004 y desde ese momento ha trabajado enla producción en cultivos interiores. [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Chicago: Green Sense Farm (GSF), con la ayuda de Philips en el ańo 2010. [14] . . . . . . . . 83. Amsterdan: Proyecto Philips presentado en el ańo 2016. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94. Propiedades del color. Izquierda: Propiedad Aditiva. Derecha: Propiedad Sustractiva. [33] . . 135. Espectro Visible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146. Rayo luminoso y frente de Onda en superficies esféricas y planas. . . . . . . . . . . . . . . . . 157. Reflexión de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158. Energía luminosa recibida por una superficie con componentes horizontal y vertical. . . . . . 179. Longitud de onda contra tasa relativa de fotosíntesis. [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1810. Conversores de luz a tensión. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1911. Conversores de luz a frecuencia. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1912. Conversores digitales de luz. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1913. Presentación de algunos encapsulamientos para transductores de luz. [20] . . . . . . . . . . . 2014. Funcionalidad de la familia de sensores TCS - Diagrama de bloques. [21] . . . . . . . . . . . . 2015. Presentación de los sensores seleccionados. Izquierda: Configuración de pines de cada sensor

TCS32xx. Derecha: Encapsulado del dispositivo asociado. [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2116. Características típicas del sensor TCS32xx. Izquierda: Respuesta espectral de los fotodiodos.

Derecha: Frecuencia de salida normalizada vs. desplazamiento angular. [21] . . . . . . . . . . 2217. Placa de desarrollo TIVA C Series TM4C123G. [22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2418. Disposición de pines del mini-ordenador Raspberry Pi2. [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2519. Modelos de esquema equivalente al dispositivo Mosfet. [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2520. Presentación del Led LZP-00H100 del fabricante ledEngine. [26] . . . . . . . . . . . . . . . . 2721. Potencia espectral relativa típica frente a la longitud de onda @ TC = 25 ◦C [26] . . . . . . . 2822. Patrón típico de radiación espacial. Desplazamiento angular contra intensidad relativa. [26] . 2823. Desplazamiento típico de la longitud de onda predominante contra corriente directa @TC=25 ◦C

[26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2924. Presentación del lente LLNF-4T11-H. [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3025. Desplazamiento angular contra intensidad relativa típicas de algunos lentes provistos por el

fabricante LedEngine. [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3026. Presentación del sistema Cooling H. [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3227. Presentación de la fuente GWS500. [29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3228. Mapa interactivo de la red mundial actual de internet provista por Hurricane Electrics. [30] . 3329. Capas de la red LoRaWAN. [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3430. Capas de la red LoRaWAN. [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3531. Espacio del color sRGB. [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3632. Espacios del color CIE. Izquierda: CIE 1976. Derecha: CIE Lab . . . . . . . . . . . . . . . . . 3633. Coordenadas cromáticas CIE-XYZ / 1931 Commission Internationale de l’Eclairage. . . . . . 3734. Espacio del color HSV (Hue-Saturation-Value). [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3835. Espacio del color HSV (Hue-Saturation-Value). [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3936. Simulación del circuito de potencia para un canal V-0.1. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4137. Respuesta en tiempo de la conmutación con variación del ciclo útil. [36] . . . . . . . . . . . . 4138. Simulación del circuito de potencia para un canal V-0.2 y respuesta en tiempo de la conmu-

tación. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4239. Esquemático del circuito de control. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4340. PCB del circuito de control. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4341. Esquemáticos del circuito de potencia. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4442. PCB del circuito de potencia. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4543. Esquemático del circuito para adquisición de datos del color. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . 4544. PCB del circuito para adquisición de datos del color. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4645. Diagrama de bloques general del sistema V 0.1. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4746. Diagrama de bloques para elementos gráficos. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3

47. Diagrama de bloques para comunicación serial. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4848. Diagrama de bloques para conversión de los diferentes espacios del color. [36] . . . . . . . . . 4949. Diagrama de bloques para la adquisición de datos cromáticos. [36] . . . . . . . . . . . . . . . 4950. Diagrama de bloques para el microcontrolador. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5051. Entorno de desarrollo Atom. [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5052. Entorno de desarrollo Processing. [38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5153. Interfaz Versión 0.1. Muestra la composición del color con longitud de onda predominante

610nm. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6354. Interfaz Versión 0.1. Muestra la composición del color con longitudes de onda predominantes

de 660nm@90% y 450nm @10%. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6355. Interfaz Versión 0.2. Muestra la composición del color con longitudes de onda predominantes

de 517nm@100% y 453nm @100%. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6956. Interfaz Versión 0.2. Muestra la composición del color con longitudes de onda predominantes

de 660nm@900% y 740nm @100%. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6957. Modelado 3D del lente LLNF-4T11-H. [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7058. Modelado 3D del Led LZP-00H100. [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7059. Modelado 3D de la fuenteDC GWS500. [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7060. Modelado 3D del disipador. [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7161. Modelado 3D de la coraza para las luminarias. [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7162. Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 471nm. [36] . . . . . . . . . . . . . . 7263. Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 492nm. [36] . . . . . . . . . . . . . . 7364. Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 526nm. [36] . . . . . . . . . . . . . . 7365. Irradiancia espectral para una composición de color magenta. [36] . . . . . . . . . . . . . . . . 7466. Irradiancia espectral para una composición de color naranja a 3120K. [36] . . . . . . . . . . . 7467. Irradiancia espectral para una composición de color naranja a 4432K. [36] . . . . . . . . . . . 7568. Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 623nm. [36] . . . . . . . . . . . . . . 75

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Índice de tablas

1. Dualidad Onda - Partícula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152. Distribución de pines de la familia de sensores TCS32xx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213. Características eléctricas de la familia de sensores TCS32xx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214. Selección de filtro y escalado en frecuencia para los sensores TCS32xx . . . . . . . . . . . . . 225. Microcontroladores y sus características provistas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236. Comparativa entre mini-ordenadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237. Índices absolutos máximos del Mosfet IRFZ44N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268. Características eléctricas del LED LZP-00H100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279. Características ópticas del LED LZP-00H100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2910. Especificaciones ópticas de algunas lentes, incluida la pieza LLNF-4T11-H. . . . . . . . . . . . 3111. Temperaturas máximas de operación permitidas para luminarias LED según la norma RETILAP. 40

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1. Introducción

Esta investigación pretende expandir la información científica y tecnológica experimental a la fecha sobre laRadiación Fotosintéticamente Activa (radiación integrada del rango de longitudes de onda que son capaces deproducir actividad fotosintética en las plantas y otros organismos fotosintéticos como microalgas y bacterias).

La Fotosíntesis es el proceso por el cual el dióxido de carbono, el agua, algunos nutrientes inorgánicos yenergía lumínica se combinan para producir oxigeno y materia orgánica, la cual está compuesta compuestaen su mayoría por carbohidratos, lípidos y proteínas. Este proceso lo llevan a cabo de forma natural los orga-nismos fotosintéticos y es crucial para el equilibrio de los ciclos del agua, el oxígeno y el carbón en la tierra.La eficiencia de conversión de la luz durante la fotosíntesis está relacionada con la longitud de onda y lacantidad de fotones a la que están expuestas las estructuras fotosintéticas. La Radiación FotosintéticamenteActiva (PAR por sus siglas en inglés) es la luz capaz de excitar los pigmentos fotosintéticos dentro del rangode los 400nm a los 700nm. [1]

Aparentemente la tonalidad verde se decía que no influía en los procesos metabólicos de las plantas, estodebido al reflejo de sus longitudes de onda, permitiendo identificarles fácilmente por esta tonalidad. Resultóque para el año 2012, estudios en Japón, revelaron gracias a M.Johnkan y el talento humano de la central deinvestigación de energía eléctrica industrial que tonalidades verdes con longitudes de onda de 510nm, 520nmy 530nm activan procesos fotosintéticos específicos que aceleran el crecimiento. Su investigación práctica-mente descarta el uso de fluorescentes para el crecimiento de brotes de semillas, debido a sus resultadoscomparativos, donde se demuestra que tonalidades verdes son de mayor provecho que la luz emitida por lostubos fluorescentes. [2]

En 2013, Nestby y su equipo de trabajo del Instituto Noruego para la Investigación Agrícola y Ambien-tal “Bioforsk”, estudiaron a grandes rasgos los efectos fotosintéticos tras la variación de parámetros lumínicosy su rendimiento en la producción de fresa al interior de túneles, esto con el fin de investigar el potencial dela iluminación LED con diodos que proporcionan luz roja y azul, como medio para prolongar la temporadade cultivo en latitudes septentrionales. Nestby concluye que la iluminación LED tiene potencial como fuentede luz artificial para la producción de fresas, cuando la radiación PAR está por debajo de 400 µmol m-2 s-1,añade que, sin embargo, para beneficiarse plenamente de la luz sería necesario añadir calefacción al interiorde los túneles en invierno. [3]

Por su parte Huimin Li, Canming Tang y Zhigang Xuy de la Universidad Agrícola de Nanjing - China,determinaron el efecto de diferentes calidades de luz en plántulas de cultivo invitro empleando tubos fluores-centes y Leds RGB. Descubrieron que la luz led permitía un mayor rango de longitudes de onda y que estatecnología era la más adecuada para estudiar el estímulo fotosintético de las plantas, también que a mayorestimulo lumínico, las plantas manifestaban mayor transpiración, mayor concentración de clorofila, mayorconcentración de azúcar soluble, hojas más grandes y tallos de mayor diámetro. Los resultados de su inves-tigación demostraban que la relación Blue : Red = 3 : 1 era benéfica para la diferenciación y proliferaciónde plántulas, benéfica para su crecimiento, mientras que para su floración la relación Blue : Red = 1 : 3aportaba mayor estrés a las plantas, permitiendo cosechar mejores flores y frutos. [4]

Para el mismo año, Kuan-Hung Lin en el centro de investigación para la biodiversidad en Taiwan demostróque la calidad de la luz suplementaria puede ser utilizada estratégicamente para mejorar el valor nutricionaly el crecimiento de las plantas. Su estudio sobre las lechugas cultivadas bajo la luz LED RGBW, permitiómejoras notables en la producción. Kuan, comenta en su artículo que la gestión precisa de la irradiación yla longitud de onda puede ser prometedora en la maximización de la eficiencia económica de la producciónde la planta, la calidad y el potencial de nutriciónal de los vegetales cultivados en ambientes controlados. [5]

En el año 2014, Volkov y su equipo del Departamento de Química del Oakwood College en EE. UU.,determinaron que la respuesta electrofisiológica inducida a plantas presenta mayor estimulo frente a tonosdel azul y el rojo. Las longitudes de onda de 450nm, 670nm y 730nm estudiadas gracias al uso de la placaKPCI 3107, Lab View y Sigma Plot, generaban una respuesta potencial en lapsos de tiempo de 0,3ms y susamplitudes aproximadas llegaban a los 60mV. [6]

6

Para el año 2015, en la Universidad de Ankara-Turquía, se llevó a cabo una investigación con el objeti-vo de determinar los efectos de las luces LED y fluorescentes sobre el crecimiento de microalgas en unfotobiorreactor(PBR). Todos los parámetros y la fuente de iluminación (longitud de onda) se mantuvieroniguales para el crecimiento de Chlorella kessleri (UTEX 398), Botryococcus braunii (UTEX 572) y Synecho-coccus leopoliensis(UTEX B 625) en PBR cerrados. Se utilizaron LED rojo, LED azul y luces fluorescentesblancas como fuentes de iluminación para los PBR. Cada fuente de luz se utilizó para cultivar las tres especiesde algas. Los datos recogidos de los experimentos se analizaron usando ANOVA(ANalysis Of VAriance). Losresultados, después de un período de ocho días de crecimiento, mostraron que la luz LED roja era la fuentede iluminación más eficiente para producir el mayor número de células con el peso más alto. [7]

Por su parte, el profesor Vinicius Costa Galva y Cristiana Fankhauser en el centro de Genómica integrativode la Facultad de Biología y Medicina de la Universidad de Lausana en Suiza, reconocieron que el avancede los estudios del efecto de la luz sobre las plantas ha permitido medidas de señalización para estímulosde longitudes de onda entre 280nm–750nm, más adicionalmente, hacen un llamado a que el campo de es-tudio se enfoque en nuevos mecanismos que permitan a las plantas la adaptación a entornos cambiantes,contribuyendo a mejorar y/o identificar variedades con gran valor para la agricultura. Llevar un historialde datos sobre el efecto de la longitud de onda en organismos fotosintéticos como lo menciona el profesorVinicius permitirá a futuro disponer de hojas de datos para realizar agricultura de precisión, aceleraciónde reproducción bacteriana y mayor estimulo de captación de CO2 en microalgas mejorando su parámetrolumínico . [8]

Para el mismo año, Shibao y Tanaka, miembros del Instituto de Investigación del Medio Ambiente, Agricul-tura y Pesca en Osaka, Japón, realizaron una investigación sobre los efectos de las berenjenas iluminadas porLED rojo( Red Light Emitting Diode) junto con la relación a la densidad poblacional de la plaga conocidacomo trips del melón (Thrips palmi Karny) en condiciones de invernadero. Las longitudes de onda pico de lasmatrices LED rojas fueron 635nm y 660nm. La matriz LED se colocó en la parte superior de las berenjenas,iluminando directamente las plantas. Como resultado, la densidad de trips fue significativamente menor enlas berenjenas con iluminación LED roja que en las plantas de huevo sin LED. [9]

Para inicios del año 2017, Renata Szymanska en el Departamento de Física Médica y Biofísica de Cra-covia en Polonia, concluye que las luces LED de alta potencia permiten eliminar una gran cantidad de caloren las salas de cultivo y que la reducción de estrés térmico es otra manera importante de permitir que lasplantas alcancen su potencial. Las luces de cultivo LED pueden ser muy costosas pero son la fuente de luzpreferida para cultivadores expertos por su potencia, espectros ajustables y estrés térmico reducido, lo quepermite obtener resultados superiores. [10]

A priorí, podemos distinguir que investigadores de todo el planeta exponen en sus artículos que los vegetales,microalgas y bacterias necesitan porciones de luz para realizar sus procesos fisiológicos; conocer (perfecta-mente) sus umbrales lumínicos permitirá conseguir mejoras (notables) como cosechas de gran producción yde alta calidad, aceleración en la captación de carbono en el caso de las bacterias y mayor producción deoxigeno en el caso de algunas microalgas. A continuación, se plantea el diseño e implementación de un sistemaIoT (Internet of Things - Internet de las cosas) que permite llevar a cabo el monitoreo y control de fuentesde luz artificial basado en un estudio previo de sistemas de iluminación y la actual migración a sistemas contecnología LED y OLED cuyo espectro de radiación esta dado en una banda especifica, lo que proporcionaun menor gasto de potencia, y facilita irradiar el organismo fotosintético con la parte del espectro especificoque necesita según su necesidad y periodo de vida. [11] A continuación, se aborda la temática con fuentesinternacionales relevantes de la actualidad y se concluye a nivel nacional.

En el año 2017, la empresa japonesa Spread anuncio que tiene previsto cultivar más de 10 millones delechugas al año sustituyendo los agricultores humanos por robots para el año 2018. Las máquinas automati-zarán cada paso del proceso del cultivo, desde la germinación hasta la siembra, la cosecha y la preparaciónpara su envió, además del seguimiento de los niveles de dióxido de carbono y las condiciones de iluminaciónmediante luz LED.

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El huerto utilizará 17.500 luces repartidas en 18 bastidores de cultivo, llegando a 16 niveles de altura.Estas luces se utilizan para simular el día y la noche y acompañadas de un sistema de monitorización delproceso de fotosíntesis favorecen un crecimiento dos veces y media más rápido que un huerto aire libre.Además se reducen los productos de desecho en un 40% y el rendimiento crece unas 100 veces.

Pero Spread no es la única empresa de desarrollo de huertos verticales en Japón. El experto fisiólogo vegetalShigeharu Shimamura también ha puesto en marcha un huerto a escala industrial en el interior de una fábricade Japón inspirado durante una estancia en la prefectura de Miyagi, en el este de Japón por el terremoto ylos tsunamis del 2011 que afectaron gravemente a la zona dejándola sin víveres.

Figura 1: Japón: Empresa Mirai/General Electric en el año 2004 y desde ese momento ha trabajado en laproducción en cultivos interiores. [13]

El huerto que cubre casi la mitad del tamaño de un campo de fútbol, está construido en una antigua fábricade semiconductores de Sony Corporation en Kashiwa en la prefectura de Chiba utilizando lámparas LED dediseño especial y está sometido a estrictos controles.

Figura 2: Chicago: Green Sense Farm (GSF), con la ayuda de Philips en el ańo 2010. [14]

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En Chicago, EE.UU, la empresa Philips esta construyendo una red global de granjas de verduras verticalesen interiores. Green Sense Farms está transformando la agricultura al cultivar verduras de hoja en torresverticales apiladas, los 365 días del año. Sus cultivos son de alta calidad y consistencia (homogeneidad)dado que emplean controles computarizados automatizados, que proporcionan la cantidad precisa de luz,nutrientes, agua, temperatura y humedad, para de esa manera cosechar durante todo el año.

Durante el GreenTech 2016 en Amsterdam, los productores e investigadores que buscaban una mayor fle-xibilidad y precisión en sus sistemas de iluminación LED para el crecimiento de las plantas, probaron elnuevo módulo de producción de Philips GreenPower LED “Dynamic”. En este módulo, se pueden ajustarde forma individual, tanto los colores de los LED en el espectro (rojo lejano, rojo, blanco y azul) como lasintensidades de luz, mediante un software especializado que se les suministra, creando fórmulas específicaspara cada necesidad de cultivo.

Figura 3: Amsterdan: Proyecto Philips presentado en el ańo 2016. [15]

En Colombia, se evidencia poco aporte científico en el campo de la luminotecnia, colorimetría, radiometríay espectrometría, no obstante se destaca una investigación de la Universidad Nacional, la cual expone que:En el área de la biotecnología es fundamental la correcta medición de la radiación fotosintéticamente activa(PAR) cuando es necesario evaluar el efecto ejercido por la luz sobre la productividad de las plantas y otrosmicroorganismos fotosintéticos. Los sensores PAR comerciales disponibles para realizar estas determinacionestienen picos máximos de respuesta en el intervalo entre 400nm y 700nm. Como resultado de esta respuestaespectral es común encontrar múltiples no linealidades que conducen a errores y por lo tanto tener detectoresinexactos y a veces inadecuados para varios análisis. Lucia Atehortúa, Ph.D en su articulo colectivo presentael desarrollo de una herramienta que utiliza un espectrómetro con longitudes de onda entre 200nm y 1100nmpara estimar el alcance y la irradiancia en el rango de radiación fotosintéticamente activa de 400nm a 700nm,su objetivo fue mejorar la calidad de la información que se puede obtener de experimentos biológicos yoptimizar la adquisición y procesamiento de datos mediante plataformas de software. [1]

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2. Formulación del problema

La electrónica aplicada, ha logrado contribuir al control de una serie de factores limitantes para el rendi-miento fotosintético de las plantas, bacterias y microalgas como lo son el control de agua, nutrientes, dióxidode carbono, oxigeno, temperatura y humedad, logrando valiosos aportes en el rendimiento fotosintético. Noobstante, el parametro lumínico, que juega un papel esencial en la fotosíntesis poco ha sido explorado yaque en primera instancia los fabricantes de sistemas de iluminación restringen con patentes sus diseños decontrol y de alta potencia, privando a los investigadores de sus métricas.

Fabricantes como Phillips y General Electric entre otros, ofrecen al mercado diversas lamparas de ilumi-nación y en algunos casos se diseñan enormes arreglos de leds con iluminación fija o invariable, restringiendosolo su uso a determinado tipo de plantas u organismo. Sumado a esto, los investigadores de diversas tesisde Maestría y Doctorado realizan un proceso poco fiable para llevar la trazabilidad de sus datos, dado queno son fácilmente replicables, pero, nos ilustran sobre el método científico iterado que permite obtener me-joras en el proceso de crecimiento y floración de diversas genéticas de plantas, expansión en la población debaterias y mayor reproducción en microalgas, entre otros hallazgos. [16]

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3. Objetivos

3.1. General:

Diseñar, simular e implementar un sistema IoT modular para el monitoreo y control de fuentes de luzartificial.

3.2. Específicos:

Seleccionar las herramientas necesarias de software y hardware priorizando tecnologías FLOSS (Free-Libre-Open-Source-Software) para su desarrollo e implementación.

Caracterizar los dispositivos electrónicos (Fuentes LED y transductores) para garantizar una adecuadaadquisición de datos inmersos en el sistema.

Seleccionar un estandar y una arquitectura para la transmisión de datos.

Elaborar la interface y circuitos impresos para la entrada de potencia y control.

Diseñar e implementar una interfaz hombre-máquina (HMI) capaz de interactuar con el hardware,visualizar y almacenar en tiempo real los datos representativos de una fuente de luz.

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4. Metodología

Para el desarrollo del presente proyecto se implementará la metodología de desarrollo SCRUM caracterizadapor:

Adoptar una estrategia de desarrollo incremental, en lugar de la planificación y ejecución completa delproducto o artefacto de software y hardware.

Solapamiento de las diferentes fases del desarrollo, en lugar de realizar una tras otra en un ciclosecuencial o en cascada.

Visualizar la meta de desarrollo partiendo el problema en pequeños fragmentos para resolver de manerasimple lo particular de algo complejo general.

El proyecto aborda 5 fases operativas para concluir con un prototipo o producto mínimo viable, innovadoren su campo del conocimiento y de apoyo para la expansión de la información científica sobre la RadiaciónFotosintéticamente Activa (RFA).

4.1. Análisis del estado de la técnica

Al realizar la búsqueda del estado de la técnica, también se deben buscar técnicas en competencia. Se tratade ideas que pueden no parecerse en nada a este proyecto, pero que sirven para lo mismo. Es importanteestudiar las técnicas en competencia por dos razones:

La mayoría de las invenciones constituyen la solución a un problema, y la mayoría de los problemastienen más de una solución posible. Se deben examinar las demás soluciones, puesto que algunas puedenofrecer más ventajas que la nuestra.

Si se intenta explotar la idea comercialmente, las soluciones alternativas pueden constituir una duracompetencia. Para poder argumentar con eficacia que la solución de este proyecto es mejor que lasalternativas, se tiene que conocer esas alternativas.

4.2. Diseño e implementación Electrónica

El diseño y desarrollo electrónico involucra tres ramas fundamentales de la tecnología: el hardware (todo loque tiene que ver con tarjetas electrónicas, circuitos impresos o PCB, componentes electrónicos y accesorios),el firmware (son las instrucciones o programas de muy bajo nivel que por lo general están en los microproce-sadores, microcontroladores o sistemas embebidos a los que el usuario común no puede acceder ni alterar),y el software (programas residentes en dispositivos tales como servidores, computadoras, teléfonos, etc.).

4.3. Diseño e implementación de Software

El proceso para el desarrollo de software, también denominado ciclo de vida del desarrollo de software es unaestructura aplicada al desarrollo de un producto o fragmento estable de software. El estándar internacionalque regula el método de selección, implementación y monitoreo del ciclo de vida del software es ISO 12207,que intenta sistematizar o formalizar la aparentemente desorganizada tarea de desarrollar software.

4.4. Integración Total

Finalmente, se describirá la implementación y engranaje entre las piezas de software y hardware, las diversaspruebas de calibración, los resultados y proyectos futuros.

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5. Capítulo I : Conceptos físicos acerca de la luz y la iluminación.

5.1. Luminotecnia y Colorimetría.

La ciencia que estudia la iluminación se denomina Luminotecnia. La luminotecnia estudia las distintas for-mas de producción de la luz (artificial), así como su control y aplicación para fines específicos. En esta areadel conocimiento se le llama lámpara a todas las fuentes de luz artificiales y luminaria a los aparatos dondese colocan estas lámparas. Una lámpara (fuente luminosa, ampolleta, tubo, foco) es un convertidor de ener-gía eléctrica en radiación electromagnética visible (luz). Toda fuente luminosa (lámpara) tiene propiedadesfísicas, a saber como: flujo luminoso, intensidad luminosa, luminancia e iluminancia entre otras.

Desde el punto de vista sensorial los colores se dividen en: colores fríos (violetas, verdes oscuros, azules)y colores cálidos (amarillos, naranjas, rojos y verdes claros). Por síntesis aditiva, el físico alemán HermannGunther Grassmann concluye que es posible conseguir todos los colores mezclando tres franjas del espectrovisible en la proporción adecuada, siempre que ninguno de los tres iluminantes elegidos se puedan obtenerpor mezcla de los otros dos. Dos radiaciones cromáticamente equivalentes a una tercera, son equivalentesentre si. Decimos que las radiaciones son cromáticamente equivalentes cuando producen iguales sensacionesde matiz, saturación y brillo, teniendo distinta distribución espectral. La colorimetría comprende una ampliagama de estandares enlazados a las leyes de Grassmann. [17]

Figura 4: Propiedades del color. Izquierda: Propiedad Aditiva. Derecha: Propiedad Sustractiva. [33]

Segunda ley de Grassmann: cualquier radiación cromática que se mezcle aditivamente con otra,puede ser sustituida por otra radiación cromáticamente equivalente.

Tercera ley de Grassmann: Siempre que dos superficies nos produzcan la misma sensación cromáticapodemos variar su luminancia, manteniendo constante el matiz y la saturación, sin que varíe la igualdadcromática entre las dos superficies.

Cuarta ley de Grassmann: Como cualquier color puede crearse por síntesis aditiva de los coloresprimarios y al hacer esto sumamos sus respectivas luminancias, podemos deducir que la luminancia deun color cualquiera equivale a la suma de las luminancias de sus componentes primarios.

Para conseguir luz blanca con la mezcla de tres colores deben emplearse cantidades iguales de rojo, verde yazul, aunque en el experimento de Grassmann basado en el cono de colores de Munsell no se utilizan igualescantidades en termino de lúmenes sino en unidades tricromáticas. Las unidades T están relacionadas con loslúmenes de la siguiente forma:

1 unidad T de rojo = 0,30 lúmenes de rojo.

1 unidad T de verde = 0,59 lúmenes de verde.

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1 unidad T de azul = 0,11 lúmenes de azul.

3 unidades T = 0,30 de rojo + 0,59 de verde + 0,11 de azul = 1 lúmen de blanco.

Un color cualquiera C puede expresarse matemáticamente como:

cC = iR ∗ jG ∗ kB (1)

Esta ecuación recibe el nombre de ecuación tricromática del color C, en la que C, R, G y B solo tienensignificado cualitativo y no representan cantidad numérica alguna. En cambio los coefícientes c, i, j y krepresentan las luminancias correspondientes a cada color. (Vega, 2006)

MatizLa tonalidad, HUE o matiz, se representa en grados (0o − 360o) denominado también tono, tinte y color,es la propiedad del color que se refiere al estado puro del color, el color puro al cual más se acerca. Es lacualidad por la cual diferenciamos y damos su nombre al color.

Saturación o brilloEste concepto representa la viveza o palidez de un color, su intensidad, y puede relacionarse con el ancho debanda de la luz que estamos visualizando, describe la pureza del color, es decir, la intensidad o palidez delmismo.

5.2. Dualidad Onda-Partícula.

La Luz es radiación energética vista como oscilación de las diferentes ondas electromagnéticas. Estas ra-diaciones energéticas se diferencian por la longitud de sus ondas. Cada radiación energética en el área de400 hasta 700 nanómetros se le llama Luz, dado que podemos percibirle en nuestro Organo de la Vista y leinterpretamos con colores registrando impulsos eléctricos en nuestro cerebro por la fisiología de la visión.El cielo es azul porque las moléculas de aire dispersan (absorben y emiten) las longitudes de onda cortas(azules y violetas). Al atardecer o al amanecer la luz del sol debe hacer un largo recorrido a través de laatmósfera hasta llegar a nuestros ojos y gran parte de la luz azul e incluso verde se refleja y se dispersa,quedando los tonos naranjas y rojos.

Figura 5: Espectro Visible.

Newton fue quien primeramente concibió la teoría ondulatoria o propagación de rayos lumínicos, que mastarde fue ampliada por Laplace, Huygens y otros físicos. Actualmente a la Luz se se atribuyen propiedades de

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onda y de partícula. Lo que se designa como luz blanca es la impresión creada por el conjunto de radiacionesque son visibles por nuestro ojo; la luz blanca cuando es descompuesta produce el fenómeno de arco iris.

Tabla 1: Dualidad Onda - Partícula.Ondas Partícula

Contínuo - No Local Discreto - LocalizadoLongitud de onda Energía

Frecuencia MomentoDifracción- interferencia Efecto ComptonEcuaciones de Maxwell Mecánica de Newton

5.3. Propagación y reflexión de la luz.

La luz emitida por una fuente luminosa es capaz de llegar hasta otros objetos e iluminarlos.Este recorrido de la luz desde la fuente luminosa hasta los objetos, se denomina rayo luminoso.El rayo luminoso marca la dirección de propagación de la onda y es perpendicular al frente de ondas.

Figura 6: Rayo luminoso y frente de Onda en superficies esféricas y planas.

El frente de ondas es la agrupación de puntos del espacio alcanzados por la onda en un tiempo fijo (seencuentran en la misma fase de vibración de la perturbación).

Principio de Huygens: Cada punto del frente de ondas puede considerarse como foco emisor de on-das secundarias. El nuevo frente de ondas será la envolvente de estas ondas.

Principio de Fermat: Para ir de un punto a otro la luz se propaga por el camino óptico de tiempomínimo.

Figura 7: Reflexión de la luz

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La reflexión de la luz se puede explicar en un modelo de partículas:

Una partícula que choca elásticamente con una pared se refleja.

Algunas cosas son visibles porque son fuentes de luz y otras porque reflejan la luz donde el ángulo de reflexiónes igual al de incidencia.

5.4. Intensidad y flujo luminoso.

La intensidad luminosa es la magnitud de la energía lumínica por unidad de superficie. Es máxima cerca dela bombilla y disminuye rápidamente a medida que se aleja de la fuente. La relación entre la luz emitida poruna fuente (bombilla) y la distancia viene definida por la ley de la inversa del cuadrado. Esta ley afirma quela intensidad de la luz cambia en proporción inversa al cuadrado de la distancia. La unidad de la intensidadluminosa es la candela (Cd). (Harper, 2004)

La ecuación de la intensidad luminosa I está dada por :

I =L

D2=

luz

distancia2[W ]

[m2]= [Cd] (2)

El flujo es la potencia emitida en forma de radiación luminosa sensible al ojo humano. Físicamente, el flujoluminoso es la cantidad de luz emitida por una fuente luminosa (lámpara) en la unidad de tiempo (segundo).Su unidad de medida es el Lúmen. El flujo luminoso se denota con la letra griega φ. (Harper, 2004)

Flujo luminoso (en lúmenes) es una medida de la potencia luminosa total que emite una lámpara (cantidadpercibida). La intensidad luminosa (en candelas) es una medida de cuánto brillo tiene el haz en una direcciónparticular. Equivalente a 1 candela por estereorradián. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderadade la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible.

φ =Cd

Sr

(3)

5.5. Luminancia e Iluminancia

La luminancia también definida como brillantez es la intensidad luminosa emitida en una dirección deter-minada por una superficie luminosa o iluminada. Expresa el efecto de la luminosidad que una superficieproduce sobre el ojo humano, ya sea fuente primaria (lámpara) o secundaria (refleja la luz), se designa conla letra L. (Harper, 2004)

L =Iα

ACos(α)=

candelas

metro2[Cd]

[m2](4)

LuminosidadEs un término que se usa para describir cuan claro o cuan oscuro parece un color y se refiere a la cantidadde luz percibida (una camisa en el sol o en la sombra).

Por otra parte la iluminancia se define como el flujo luminoso por unidad de superficie, se designa conel símbolo E y se mide en LUX (lumen/m2). El lux expresa el flujo luminoso por unidad de tiempo pormetro cuadrado de superficie y se mide con un instrumento llamado luxómetro. (Harper, 2004)

E =FlujoLuminoso

unidaddesuperficie=

φ

S=

lm

m2= Lux [lx] (5)

Al flujo luminoso recibido por una superficie (iluminancia) se le aplican dos leyes:

Ley inversa de los cuadrados (esta ley se aplica solamente cuando el flujo luminoso incide en formaperpendicular a la superficie).

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Ley del coseno (aplica cuando el flujo luminoso no es perpendicular a la superficie).

Figura 8: Energía luminosa recibida por una superficie con componentes horizontal y vertical.

5.6. El efecto de la luz en las plantas

Desde que la NASA comenzó a experimentar con LEDs para cultivar plantas en la década de los 80’s, se aconocido que los diferentes espectros de luz tienen efectos muy variados en las plantas. Algunos espectrosestimulan el crecimiento vegetativo y otros aumentan el rendimiento en flores y frutos. Gracias al espectro deluz variable disponible de la tecnología LED es que finalmente se está empezando a comprender la relaciónentre el espectro de la luz y el crecimiento de las plantas.

Existen millones de receptores de fotosíntesis en una hoja de una planta verde. Cada receptor incluye pig-mentos especializados que absorben frecuencias específicas durante la fotosíntesis. Mediante la medición dela cantidad de oxígeno producido bajo diferentes espectros de luz se ha podido medir la cantidad de actividadfotosintética bajo cada espectro de luz irradiado. Esto ha producido un mapa detallado (no preciso) de cualesespectros de luz están relacionados con el tipo de crecimiento de las plantas. [18]

La luz ultravioleta (10nm – 400nm)Aunque la exposición excesiva a la luz ultravioleta es peligroso para la flora, pequeñas cantidades de luz UVcercano pueden tener efectos beneficiosos. En muchos casos, la luz ultravioleta es un factor muy importantepara los colores de las plantas, sabores y aromas. Los estudios muestran que 385 nm de luz UV promueve laacumulación de compuestos fenólicos, mejora la actividad antioxidante de los extractos de plantas, pero notiene ningún efecto significativo en los procesos de crecimiento.

La luz azul (430nm – 450nm)Esta gama de espectro activa criptocromos y fototropinas para mediar respuestas de las plantas tales comola curvatura fototropica, la inhibición del crecimiento de elongación, el movimiento del cloroplasto, aperturade los estomas y la regulación del crecimiento de las plántulas. Afecta a la formación de clorofila, procesosde fotosíntesis, y a través del sistema criptocromo y fitocromo, plantea la respuesta fotomorfogenetica.

En términos más prácticos, estas longitudes de onda estimulan el crecimiento vegetativo y son esencialesen la iluminación para las plántulas y plantas jóvenes durante la fase vegetativa de su ciclo de crecimiento,sobre todo cuando el “estiramiento” debe ser reducido o eliminado. También estimula la producción de pig-mentos secundarios que pueden mejorar los colores y se sabe que también estimula la producción de terpeno(es decir, fragancia).

La luz verde (500nm – 550nm)La mayoría luz verde se refleja en la planta y juega un papel mucho menor en el crecimiento de las plantas.Sin embargo, hay algunos aspectos importantes de la luz en este rango por lo que una cierta cantidad de

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luz en este rango de espectro es beneficioso. La luz verde se utiliza a veces como una herramienta paraprovocar respuestas específicas de plantas, tales como el control de los estomas, fototropismo, el crecimientofotomorfogenetico y la señalización del medio ambiente. Cuando se combina con longitudes de onda azul,rojo y rojo lejano, la luz verde completa un tratamiento de espectro amplio para comprender la actividadfisiológica de la planta. La función de la luz verde es menos conocida que los otros espectros, y sólo hayciertas especies de plantas que requieren luz verde para el crecimiento normal. Sus efectos parecen estar muyligados a una cepa específica.

La luz roja (640nm – 680nm)La luz roja afecta a la reversibilidad fitocromo y es el más importante para la floración y fructificación. Estaslongitudes de onda estimulan el crecimiento del tallo, floración y producción de frutos, y la producción declorofila.

La longitud de onda fundamental 660nm tiene una acción fotosintética muy fuerte en la mayoría de lasplantas y también exhibe la acción más alta en rojo de absorción de fitocromo regulado en germinación, lafloración y otros procesos. Estas longitudes so eficaces para la extensión del ciclo de luz o interrupción denoche con el propósito de inducir la floración de las plantas de día largo o para prevenir la floración de lasplantas de día corto.

Rojo lejano (730nm)Aunque la longitud de onda 730nm está fuera del rango fotosintéticamente activo, tiene la acción más fuerteen la forma de absorción de rojo lejano del fitocromo, la conversión de nuevo a la forma de absorción derojo. Se hace necesario que las plantas requieren valores relativamente bajos de fotoequilibrio fitocromo pa-ra florecer. Puede ser utilizado al final de cada ciclo de luz para promover la floración en plantas de día corto.

Además, una mayor proporción de rojo lejano al rojo que se encuentra en la luz del sol puede desenca-denar la respuesta-estiramiento sombra donde una planta al detectar que está a la sombra basada en unaproporción elevada del rojo lejano al rojo-estirará para tratar de elevar su yema por encima de sus competi-dores. Por esta razón demasiado rojo lejano no se recomienda, si se desean plantas compactas, o en general.Sin embargo, pequeñas cantidades o rojo lejano conforme a lo dispuesto por California LightWorks es muybeneficioso. [18]

Figura 9: Longitud de onda contra tasa relativa de fotosíntesis. [19]

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6. Capítulo II : Caracterización de dispositivos electrónicos.

6.1. Transductores y sensores de luz.

Conversores de luz a voltajeComúnmente llamados dispositivos LTV, son soluciones que combinan un fotodiodo y un amplificador detras-impedancia en un solo encapsulado monolítico. Proporcionan una salida de tensión analógica lineal quees proporcional a la intensidad de la luz incidente.

Figura 10: Conversores de luz a tensión. [20]

Conversores de luz a frecuenciaComunmente llamados dispositivos LTF, realizan las funciones de detección de luz, acondicionamiento deseñal y conversión analógico-digital en un encapsulado monolítico, este dispositivo convierte intensidad deluz en frecuencia.

Figura 11: Conversores de luz a frecuencia. [20]

Conversores digitales de luzCombinan un fotodiodo de banda ancha (350nm− 1100nm), con fotodiodo de bloqueo de luz visible en unsolo circuito integrado de la familia CMOS; a continuación se muestran tablas de conversores de luz delproveedor internacional Mouser Electronis, 2017.

Figura 12: Conversores digitales de luz. [20]

Cada uno de los dispositivos descritos cuenta con un tipo de encapsulado de acuerdo a sus características yarquitectura; en la imagen se aprecian los principales encapsulados disponibles en el mercado:

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Figura 13: Presentación de algunos encapsulamientos para transductores de luz. [20]

Una vez estudiados los principales tipos de transductores-sensores y sus hojas de datos asociadas por losfabricantes, se debe seleccionar el dispositivo con las mejores características posibles teniendo como requeri-mientos:

Capacidad de lectura del mayor rango posible de radiacón incidente.

Adaptabilidad para diversas placas de desarrollo.

Flexibilidad en cuanto a diseño (tamaño) y bajo costo.

Posterior a evaluar los principales transductores-sensores de luz que se comercializan en el mercado y tenien-do presente los requerimientos del proyecto, se descartan dispositivos programables (plug and play) dado suelevado costo, adicional a que no permiten la misma flexibilidad en cuanto a diseño, por lo tanto se optapor la familia de sensores de color TCS3200 y TCS3210 dado que son sensores de bajo costo, y fácilmenteadaptables a entornos de desarrollo o microcontroladores.

Sensores TCS3210 y TCS3200Estos sensores transforman una señal de color a frecuencia con polarización de 2.7V a 5.5V, básicamentefiltran los datos RGB de una fuente de iluminación y le convierten en una señal cuadrada con una frecuenciadeterminada proporcional a la composición de luz irradiada.

Figura 14: Funcionalidad de la familia de sensores TCS - Diagrama de bloques. [21]

Algunas de sus características son:

Alta resolución.

Error de no linealidad típico del 2% sobre los 50 kHz.

Es capaz de capturar un amplio espectro de luz visible. (350-900 nm)

Soporta temperaturas entre -40◦C y 70◦C.

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El sensor TCS3210 consta de una matriz de 4x6 fotodiodos, 8 con filtros rojos, 8 con filtros verdes, 8con filtros azules y 8 sin filtros para hacer el barrido general del espectro.

El sensor TCS3200 consta de una matriz de 8x8 fotodiodos, 16 con filtros rojos, 16 con filtros verdes,16 con filtros azules y 16 sin filtros para hacer el barrido general del espectro.

Figura 15: Presentación de los sensores seleccionados. Izquierda: Configuración de pines de cada sensorTCS32xx. Derecha: Encapsulado del dispositivo asociado. [21]

Tabla 2: Distribución de pines de la familia de sensores TCS32xxPIN NÚMERO ENTRADA/SALIDA DESCRIPCIÓNGND 4 Polarización Todos los voltajes son referenciados a tierraOE 3 Entrada Habilita Fo ( se activa en nivel bajo)

OUT 6 Salida Salida de Fo para el microcontroladorS0 1 Entrada Pin para selección de la frecuencia de operaciónS1 2 Entrada Pin para selección de la frecuencia de operaciónS2 7 Entrada Pin para selección de filtroS3 8 Entrada Pin para selección de filtro

VDD 5 Polarización Voltaje de alimentación (2.7V a 5.5V)

Tabla 3: Características eléctricas de la familia de sensores TCS32xx.PARÁMETRO CONDICIONES VALOR TÍPICO UNIDAD

VDD - Voltaje de alimentación 5 VVOH - Voltaje de salida - nivel alto 4.5 VVOL - Voltaje de salida - nivel bajo 0.25 VIIH - Corriente de entrada - nivel alto 5 µA

Modo encendido 1.4 ACorriente de suministro

Modo hibernado 0.1 µAS0=H; S1=H 600 kHzS0=H; S1=L 120 kHzEscalado de frecuenciaS0=L; S1=H 12 kHz

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Figura 16: Características típicas del sensor TCS32xx. Izquierda: Respuesta espectral de los fotodiodos.Derecha: Frecuencia de salida normalizada vs. desplazamiento angular. [21]

El dispositivo TCS3200 es más costoso que el TCS3210 ya que contempla una cantidad mayor de filtros, estootorga mayor exactitud y precisión a la hora de realizar el muestreo de la composición del color, en otraspalabras, permite resultados más confiables. No obstante, se contempla trabajar con ambos dispositivospara poder corregir por software la dispersión posible del conjunto de valores obtenidos de medicionesrepetidas, permitiendo disminuir en costes el diseño del prototipo final. En la siguiente tabla se describenlas combinaciones que habilitan cada uno de los filtros y su escalado en frecuencia, el cual está directamenterelacionado con la cantidad de muestras tomadas por el dispositivo. Para el proyecto se selecciona un escaladoen frecuencia del 20% ya que proporciona una ventana de acción adecuada para la lectura de los anchos depulso, evitando el consumo en exceso de recursos por parte del microcontrolador.

Tabla 4: Selección de filtro y escalado en frecuencia para los sensores TCS32xxS2 S3 TIPO DE FILTRO S0 S1 ESCALA SALIDAFo0 0 Red 0 0 Sensor apagado0 1 Blue 0 1 2%1 0 Sin Filtro 1 0 20%1 1 Green 1 1 100%

6.2. Entornos de desarrollos: microcontroladores y mini-ordenadores

Un microcotrolador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las instrucciones grabadas ensus memorias. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Unmicrocontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidadcentral de procesamiento, memoria y periféricos de entrada-salida; a continuación se muestra una tabla demicrocontroladores y sus características provistas por diferentes compañias a la fecha, 2017.

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Tabla 5: Microcontroladores y sus características provistasTexas Instruments STMicroelectronics

MSP430 ARM Cortex M3 SPC5 32bits STM8SC28X ARM Cortex M4 STM8 STM8T

X28X+Cortex M3 ARM Cortex R4 STM32 STM32 L1Freescale Semiconductor NXPSemiconductorsS12 RS08 Cortex M0 LPC900S12X ColdFire 32bits MCU Cortex M3 CPL700

Qorivva 32bits MCU Kinetics MCUs Cortex M4 OPT/ROMMAC7xxx 32bits ColdFire 32bits MCU ARM 7 ARM9

Microchip AtmelPIC 8bits dsPIC 16bits DSC AVR 8bits ARM BasedPIC 16bits PIC 32bits MCU AVR 32bits 8051 Architecture

Cypress SemiconductorPSOC3 MPU 8055PSOC5 ARM Cortex 3

Los miniordenadores, son computadores reducidos a bajo coste, ideados para potenciar la informática asectores que no tuvieran acceso, como por ejemplo zonas de cultivo.

Tabla 6: Comparativa entre mini-ordenadoresRaspberry Pi3 ODROID-C2

ProcesadorBCM2837 64-bit quad-core ARM,

Cortex-A53,ARMv8Amlogic S905 64-bit quad-core ARM,

Cortex-A53 ARMv8Velocidad 1,2GHz 1,5GHz

RAM 1GB 2GB

GPIO40 pin incluyendo

GPIO / UART / I2C / I2S40 pin incluyendo

GPIO / UART / I2C / I2S / ADCKernel Linux 4.4 Linux 3.14

Wireless 101Ethernet 100Mbit, Wifi 802.11n,

Bluetooth BLE 4.0Ethernet 1000Mbit, no Wifi, no Bluetooth

Luego de realizar una inspección detallada de los microcontroladores y mini-ordenadores que podrían serempleados se procede a seleccionar el circuito integrado programable con mayores prestaciones posiblesteniendo en cuenta:

Placa de desarrollo de bajo costo.

Arquitectura ARM Cortex-M3 o superior.

Cantidad de pines digitales para control PWM en cuadratura.

Velocidad de procesamiento mayor a 60 MHz.

Dispositivo para impreso superficial de bajo costo.

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Figura 17: Placa de desarrollo TIVA C Series TM4C123G. [22]

La plataforma de evaluación y desarrollo TIVA C Series-TM4C123G de LaunchPad comparada con otras he-rramientas de hardware es de bajo costo para microcontroladores ARM Cortex-M4F. Su plataforma destacael dispositivo TM4C123GH6PMI microcontrolador embebido en su núcleo, cuenta con interfaz USB 2.0, mó-dulo de hibernación y módulo para la tarea de modulación de ancho de pulso PWM(Pulse-width modulation).Es ampliamente utilizada para aplicaciones de diseño y desarrollo de sistemas integrados, automatizaciónde edificios, monitoreo de sistemas, pruebas y mediciones, electrónica de consumo, comunicaciones y redes,pasatiempos y educación. En particular y para el desarrollo del presente proyecto, la tarea del dispositivo seenfocará en la adquisición de señales provenientes de sensores especializados en la luz.

Raspberry PiEl mini-ordenador Raspberry Pi o computador de placa simple de bajo costo tiene por propósito en esteproyecto soportar las diferentes interfaces de control, el almacenamiento de datos y la generación de señalesPWM(Pulse-width modulation) que permiten ajustar la cantidad de potencia a entregar a las luminarias.

Este proyecto habilita señales PWM en los pines GPIO que solicite de una Raspberry Pi empleando lalibrería pi-blaster. La técnica utilizada es extremadamente eficiente: no usa la CPU y proporciona pulsosmuy estables. El entorno de compilación se basa en Autotools para permitir la compilación en RaspberryPi, o compilación cruzada.

Pese a que la Raspberry Pi contempla dos pines para generación de señales PWM por hardware, se decideemplear la librería pi-blaster que genera este tipo de señales por software permitiendo que prácticamentetodos los pines GPIO sirvan para el propósito de generar señales PWM. Esto le permite al sistema ser muchomás escalable dado que puede controlar varias luminarias sobre el mismo sistema.

Para lograr su adecuado funcionamiento es necesario crear un archivo especial (FIFO) en la ruta /dev/pi-blaster. Es importante tener en cuenta que cuando se usa pi-blaster, los pines GPIO se configuran comosalida y establece algunos parametros por defecto como: la frecuencia del PWM, la cantidad de pasos quepuede controlar, el período máximo y mínimo de un pulso.

Posterior a la instalación de la librería, se pueden apreciar los parámetros por defecto:

Cantidad de canales: 8.

Pines GPIO 4,17,18,27,21,22,23,24.

24

Frecuencia PWM: 100 Hz.

Pasos de PWM: 1000.

Periodo máximo (100%): 10000 µs.

Periodo mínimo (0.100%): 10 µs.

Para mayor entendimiento de esta novedosa funcionalidad, se sugiere visitar el sitio oficial de pi-blasterdirectamente en sus repositorios de github. [23]

Figura 18: Disposición de pines del mini-ordenador Raspberry Pi2. [24]

6.3. Tecnología MOSFET

Los transistores bipolares y MOSFET manejan un principio operativo similar. Fundamentalmente, ambostipos de transistores son dispositivos de carga controlada, lo que significa que su corriente de salida es propor-cional a la carga establecida en el semiconductor por el electrodo de control. Teóricamente, las velocidadesde conmutación de los dispositivos bipolares y MOSFET son casi idénticas, determinadas por el tiemporequerido para que los portadores de carga viajen a través de la región del semiconductor. Los valores típicosen dispositivos de potencia son aproximadamente de 20 a 200 picosegundos dependiendo del dispositivo.

Figura 19: Modelos de esquema equivalente al dispositivo Mosfet. [25]

25

Los modelos de la anterior figura se basan en la estructura real del dispositivo MOSFET y se puede utilizarprincipalmente para el análisis de corriente continua. Muestra los principales mecanismos de ruptura, es de-cir, el encendido inducido dv/dt del transistor bipolar parásito presente en todos los MOSFET de potenciay el encendido inducido dv/dt del canal, en función de la impedancia de terminación de la puerta o gate. LosMOSFET de potencia moderna son prácticamente inmunes a la activación dv/dt del transistor npn parásitodebido a las mejoras de fabricación para reducir la resistencia entre las region base-emisor. Comprender estosmodelos permite contemplar los efectos parásitos asociados al dispositivo y se puede usar muy eficazmentepara modelar la característica de degradación inducida por dv/dt de cualquier MOSFET.

La popularidad y la proliferación de la tecnología MOSFET para aplicaciones digitales y de potencia estáimpulsada por dos de sus principales ventajas sobre los transistores de unión bipolar. Uno de estos beneficioses la facilidad de uso de los dispositivos MOSFET en aplicaciones de conmutación de alta frecuencia. Lostransistores MOSFET son más sencillos de manejar porque su electrodo de control está aislado del silicioconductor de la corriente, por lo tanto, no se requiere una corriente continua de ENCENDIDO. Una vez quese encienden los transistores MOSFET, su corriente de accionamiento es prácticamente cero. Además, la posi-bilidad de controlar carga(energía) y el tiempo de almacenamiento en los transistores MOSFET se reduce engran medida. Como resultado, la tecnología MOSFET promete utilizar circuitos de accionamiento mucho mássimples y eficientes con importantes beneficios económicos en comparación con los dispositivos bipolares. [25]

Mosfet IRFZ44NLos MOSFET de potencia HEXFET avanzados de International Rectifier utilizan técnicas de procesamientoavanzadas para lograr una resistencia a la exposición extremadamente baja por área de silicio. Este beneficio,combinado con la velocidad de conmutación rápida y el diseño de dispositivo reforzado por el que los MOS-FET de potencia HEXFET son bien conocidos, proporciona al diseñador un dispositivo extremadamenteeficiente y confiable para usar en una amplia variedad de aplicaciones. El paquete TO-220 es universalmentepreferido para todas las aplicaciones comerciales industriales a niveles de disipación de potencia de aproxi-madamente 50 vatios. La baja resistencia térmica y el bajo costo del paquete del TO-220 contribuyen a suamplia aceptación en toda la industria.

A continuación se aprecian los parámetros mas relevantes del dispositivo.

Tabla 7: Índices absolutos máximos del Mosfet IRFZ44NParámetro Valor Max Unidad

ID@TC = 25 ◦C 49ID@TC = 100 ◦C

Corriente de drenaje continuo35

IDM Corriente de drenaje pulsado 160A

PD@TC = 25 ◦C Disipación de potencia 94 WVGS Voltaje Gate-Source +-20 VIAR Corriente de avalancha 25 ARθ Resistencia térmica 62 ◦C/W

6.4. Tecnología LED para la agricultura de precisión.

El emisor LED LZP-00H100 incorpora múltiples longitudes de onda críticas para un crecimiento adecuadode la plantas. Produce un valor de flujo fotónico fotosintético (PPF) de hasta 106 µmol/s, la lente primariade vidrio y otros materiales de alta calidad utilizados en el paquete están diseñados para ofrecer una robustezmonumental ante condiciones desafiantes de ambiente con altas temperatura y humedad.

Características principales:

Tecnología de propósito especifico para aplicaciones orientadas a la horticultura y la agricultura deprecisión.

Empaquetado cerámico para montaje superficial Ultrafino Photon Flux (PPF) con lente de vidriointegrada.

26

Emisor disponible en estrella de 4 canales con longitudes de onda fundamentales (azul 453nm, rojoprofundo 660nm, rojo lejano 740nm y verde 517nm) en un solo paquete LED.

Disipación de potencia hasta de 70 W en una huella de emisor compacta de 12.0 mm x 12.0 mm

Resistencia térmica más baja en la industria de tecnologías led por espaciamiento del paquete, aproxi-madamente 0.5 ◦C/W.

Mezcla de fotodiodos basada en posicionamiento inteligente matricial para una alta uniformidad enradiación de longitudes de onda.

Figura 20: Presentación del Led LZP-00H100 del fabricante ledEngine. [26]

Tabla 8: Características eléctricas del LED LZP-00H100Características eléctricas típicas @ TC = 25 ◦C

Parámetros Rojo Profundo660nm

Rojo Lejano740nm

Azul453nm

Verde517nm

Unidad

Voltaje de caída en directo(@ IF = 700mA)

18.8 8.2 25.6 14.4 V

Voltaje de caída en directo(@ IF = 1000mA)

20.6 8.8 26.4 15.0 V

Coeficiente de temperatura -36.8 -8.0 -16.0 -11.6 mV/◦CResistencia térmica 0.5 ◦C/W

27

Figura 21: Potencia espectral relativa típica frente a la longitud de onda @ TC = 25 ◦C [26]

Figura 22: Patrón típico de radiación espacial. Desplazamiento angular contra intensidad relativa. [26]

28

Tabla 9: Características ópticas del LED LZP-00H100Características ópticas típicas @ TC = 25 ◦CParámetros asociados

a los fotodiodosinternos del led.

Rojo Profundo660nm

Rojo Lejano740nm

Azul453nm

Verde517nm

Total Unidad

Cantidad de fotodiodos 8 4 8 4 24Actividad catalítica(@ IF = 700 mA)

31.2 12.6 28.7 5.7 78.2 µmol/s

Actividad catalítica(@ IF = 1000 mA)

43.6 16.2 37.8 7.5 106.0 µmol/s

Flujo radiante(@ IF = 700 mA)

5.7 2.1 7.6 1.3 16.7 W

Flujo radiante(@ IF = 1000 mA)

8.0 2.7 10.3 1.7 22.7 W

Figura 23: Desplazamiento típico de la longitud de onda predominante contra corriente directa @TC=25 ◦C[26]

El fabricante recomienda entre sus notas de aplicación 700mA como modo de trabajo por canal con el pro-pósito de considerar exactitud en la radiación entregada por el dispositivo, la exactitud está relacionada conel sesgo de una estimación. Cuanto menor es el sesgo más exacta es una estimación.

De esa manera la longitud de onda típica resultante se encontraría en rangos bien definidos.

Rojo profundo: 655 - 670nm de longitud de onda pico.

Rojo lejano: 723 - 745nm de longitud de onda máxima.

Azul: 453 - 460nm de longitud de onda dominante.

Verde: 520 - 530nm de longitud de onda dominante.

A su vez el fabricante recomienda emplear lentes para aumentar la homogeneidad de la luz irradiada, enfocaro dispersar según el propósito que se quiera considerar.

29

Lente LLNF-4T11-HEsta familia de lentes se combina con la familia de diodos emisores LZP de densidad de flujo alta y com-pacta. La lente maximiza los lúmenes utilizables en la zona objetivo. Esta solución de iluminación no soloproporciona el alcance o la distancia requerida para aplicaciones de iluminación amplias, sino que lo hacecon un haz uniforme y de alta uniformidad, eliminando reflejos molestos o sombras.

Figura 24: Presentación del lente LLNF-4T11-H. [27]

Figura 25: Desplazamiento angular contra intensidad relativa típicas de algunos lentes provistos por elfabricante LedEngine. [27]

Características principales del lente LLNF-4T11-H:

30

La óptica de reflexión interna total (TIR) proporciona calidad para haces de luz bien controlados.

Diseñado específicamente para la familia de emisores LED Engin LZP.

Proporciona una excelente uniformidad de color y cantidad de luz.

Su gradiente de luz suave elimina los puntos calientes y minimiza el resplandor.

El material del lente de PMMA grado óptico UL-rated permite el uso de condiciones de alta corrientey temperatura.

Como se puede apreciar en la grafica anterior, la lente LLNF-4T11-H permite concentrar la radiaciónPAR(Photosynthetically Active Radiation) corrigiendo el desplazamiento angular propio del LED LZP-00H100, adicionalmente proporciona homogeneidad en la zona a irradiar y eleva 2.8 veces la cantidad delúmenes proporcionados por el LED. El fabricante aclara que se deben emplear sistemas de refrigeraciónpese a que el dispositivo soporte altas temperaturas.

Tabla 10: Especificaciones ópticas de algunas lentes, incluida la pieza LLNF-4T11-H.Características ópticas típicas

Ángulodel haz

Campoangular

Eficienciaóptica

Intensidadsobre el ejeLente

grados grados % cd/lmLLNF-4T11-H 21 49 80 2.8LLFL-6T11-H 35 69 80 1.5LLWF-6T11-H 47 96 75 1.0

6.5. Sistema de alimentación y disipación de calor.

Claramente el sistema en general requiere de una fuente de alimentación que permita energizar los compo-nentes de los circuitos de potencia y control. Para ello y pensando en permitir al sistema manipular no solouna luminaria sino varias, se decide adquirir la fuente GWS500.Algunas de sus características relevantes son:

Alta eficiencia, hasta 93%.

Entrada de corriente alterna posible entre 85-264V.

Dispone de un sistema de refrigeración por convección de 250 W.

Voltaje de salida por defecto equivalente a 36V, pero puede emplearse un rango ajustable entre 32-40V.

Flujo máximo de corriente equivalente a 7A.

Potencia máxima a entregar equivalente a 500W.

Empleando esta fuente, el sistema tiene la capacidad de energizar todos los circuitos de potencia y controlde hasta siete luminarias considerando que cada LED de 70W opere al 100%. Adicionalmente, su peso ytamaño compacto lo hace favorable para instalaciones sobre techos falsos o cielo rasos.

Disipador Cooling HPara disminuir el efecto o la influencia las perdidas del LED vistas en forma de calor, se decide emplearuna solución de refrigeración activa, es decir, la unión de un disipador y un ventilador que succiona el airey permite que se garanticen las condiciones térmicas adecuadas tanto del LED como de la lente.

Algunas de sus características mas destacadas:

Vida útil líder en la industria.

31

Funcionamiento silencioso del ventilador.

Utilizado comúnmente en aplicaciones arquitectónicas, colgantes, de seguimiento, puntuales y descen-dentes.

Muy eficiente, consumo de 0.18 W.

Disipación de potencia térmica de hasta 53 W

Figura 26: Presentación del sistema Cooling H. [28]

Figura 27: Presentación de la fuente GWS500. [29]

32

7. Capítulo III : Estándares y arquitecturas inmersas en elsistema.

7.1. El Internet de las cosas - IoT(Internet of Things)

Internet evolucionó de una manera que jamás hubiéramos imaginado. Al principio, los avances se dabanlentamente. Hoy en día, la innovación y la comunicación se producen a gran velocidad.

Desde su humilde comienzo como Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET) en 1969,que interconectaba unos pocos sitios, hoy se predice que Internet interconectará 50.000 millones de objetospara el año 2020. En la actualidad, Internet proporciona conexiones globales que hacen posible que exista lanavegación web, los medios sociales y los dispositivos móviles inteligentes.

Figura 28: Mapa interactivo de la red mundial actual de internet provista por Hurricane Electrics. [30]

La evolución de Internet experimentó cuatro fases distintivas, cada fase tiene un efecto más profundo en losnegocios y en la sociedad que la fase anterior.

FASE 1: comenzó hace 20 años aproximadamente y se la denomina “conectividad”. El correo electró-nico, la navegación web y la búsqueda de contenido fue solo el principio.

FASE 2: comenzó a fines de la década de los noventa y fue la fase de la “economía interconectada”.Ese fue el comienzo del comercio electrónico y de las cadenas de suministro conectadas digitalmente.Cambió la forma en que hacemos compras y en que las empresas llegan a nuevos mercados.

FASE 3: comenzó a principios de la década de 2000 y se conoce como la fase de las “experienciascooperativas”. Esta fase se rige por el amplio uso de los medios sociales, la movilidad, los servicios devídeo y la computación en la nube. Esta fase transformó por completo el mundo laboral.

33

FASE 4: La fase actual se denomina “Internet de las cosas” (IoT). En esta fase, se conectan personas,procesos, datos y objetos, lo que transforma la información en acciones que crean nuevas capacidades,experiencias más valiosas y oportunidades sin precedentes..

En la práctica, Internet es, básicamente, una red de redes. Cada uno de nosotros se conecta a Internetmediante un cable físico o medios inalámbricos. Bajo esta red de redes, yace una verdadera red troncal deconexiones que acercan el mundo a nuestros dispositivos informáticos personales. Aunque en la ilustración,el mapa del tráfico mundial está muy simplificado, describe la conexión entre países y continentes.

En la actualidad, más del 99% de los objetos que se encuentran en el mundo físico aún no están conec-tados a internet. Sin embargo, un fenómeno denominado “Internet de las cosas” activará todo lo que puedaimaginarse. Mediante el uso de microsensores en la red, los objetos cotidianos se conectarán y se volveráninteligentes.

El IoT incorpora cuatro pilares para lograr que las conexiones en red tengan más importancia y valorque nunca: personas, procesos, datos y objetos. La información de estas conexiones da lugar a decisiones yacciones que crean nuevas capacidades, experiencias más valiosas y una oportunidad económica sin prece-dentes para personas, empresas y países.

Las interacciones entre los elementos de los cuatro pilares crean una riqueza de nueva información. Lospilares interactúan de forma tal que establecen tres conexiones principales en el entorno del IoT: personasque se comunican con personas (P2P), máquinas que se comunican con personas (M2P) y máquinas que secomunican con máquinas (M2M).

Los métodos que utilizamos para comunicarnos continúan evolucionando. Si bien en el pasado nos limi-tábamos a interactuar cara a cara, los avances en tecnología extendieron significativamente el alcance delas comunicaciones. Desde las pinturas rupestres hasta la imprenta, la radio, la televisión y la telepresencia,cada desarrollo nuevo mejoró nuestra capacidad para comunicarnos con los demás y ahora con las cosas.

7.2. Arquitectura para comunicación wireless mediante tecnología LoRa

En este proyecto se consumen servicios de una red de área amplia LoRa WAN, wan, clase A, diseñada ypuesta en servicio por el grupo de telecomunicaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.El modelo LoRaWAN contiene tres capas básicas, como son la capa de aplicación, la capa de control deacceso al medio, mac, y la capa física o de transmisión.

Figura 29: Capas de la red LoRaWAN. [31]

34

Capa físicaLa capa física comprende la interfaz de radio (en la cual se discrimina las bandas ism de acuerdo a región)y las técnicas de modulación, fhss y fsk. Para el caso fhss el espectro se logra generando una señal css convariaciones continuas de frecuencia. Esta técnica tiene la ventaja de que las compensaciones en tiempo y fre-cuencia son equivalentes. Los sistemas fsk y lora tienen modulación de envolvente constante, lo que significaque los dos esquemas son de bajo costo y de baja potencia con estados de alta eficiencia, los cuales se puedenreutilizar sin modificación. también debido a la ganancia en procesamiento asociado a lora, la potencia desalida del transmisor puede ser reducido y comparable con un enlace convencional FSK mientras mantengao mejore las mismas prestaciones del enlace.

El alto bt, mayor a 1, y su natural asincronismo hace que la señal lora sea inmune a los mecanismos deinterferencia dentro y fuera de la banda. También provee excelente inmunidad a los mecanismos de interfe-rencia de impulsos de amplitud (AM) dado que el periodo de símbolo lora es mas largo que las ráfagas decorta duración para los saltos rápidos del sistema fhss. Los valores típicos para la figura de selectividad fueradel canal es de 90 dB y el rechazo en el canal es mejor a 20 dB. los valores típicos para la modulación FSKes de 50 dB y de rechazo de -6 dB respectivamente. Es resistente al efecto Doppler que causa unos pequeñosdesplazamiento a los pulsos lora lo cual los hace despreciables en el eje temporal de la señal banda base.Por estos motivos el sistema que utiliza lora es ideal para enlaces de comunicaciones de datos móviles talescomo sistemas de monitorización, aplicaciones del transporte, de infraestructura, de seguimiento, entre otros.

Capa macLa capa mac esta compuesta por las subcapa LoRaWAN esclavo, las subcapas hal y spi, donde la capa macdefine la clase del estándar que se va a implementar, ya sea clase A,B, o C. En este campo se describiránlas especificaciones del lwan para la clase A. También en la capa mac se definen características claves pararedes como la encriptación y la seguridad para m2m, optimización de la rata de bit adaptativa, calidad deservicio y otras aplicaciones de avanzada.

lwan Clase ATodos los nodos se pueden implementar como clase A. con las capas: física, MAC y de aplicación las cualesforman el estándar. La clase se definen en la capa de MAC. Luego de ser transmitido el mensaje, el nodoabre dos ventanas de recepción de corto tiempo. La primera ventana de tiempo inicia utilizando el fin de latransmisión como referencia.

Figura 30: Capas de la red LoRaWAN. [32]

La primera ventana RX1 utiliza la frecuencia en función de la freceuncia de transmisión, y la velocidad dedatos en función de la velocidad de datos de transmisión. La ventana RX1 se abre después de un retardo tR1

segundos, al rededor de 20 µS, como se muestra en la figura anterior, dicho retardo se especifica de acuerdo alas bandas regionales utilizadas, las cuales están especificadas en los parámetros regionales lwan. Por defectola primera ventana RX1, la velocidad de datos es idéntica a la de transmisión.

La segunda ventana RX2 tiene parámetros fijos tanto la frecuencia como de velocidad de datos, perose pueden cambiar a través de los comandos mac. El retardo tR2 es de aproximadamente de 20 µS. Losparámetros, por defecto, son especificados por las banda regionales de los estándares lwan. La longitud dela ventana de recepción debe ser al menos el tiempo requerido por el transceptor del nodo para detectar el

35

preámbulo del mensaje de recepción.

7.3. Estándares y espacios del color.

De acuerdo al estándar RGB (Red Green Blue) el dato de color puede tomar valores enteros entre un rangode 0− 255 y a partir de su valor presente en cada canal se puede realizar un cálculo de valores triestímulosRGB en coordenadas cromáticas.

Figura 31: Espacio del color sRGB. [33]

Para realizar la conversión de RGB a coordenadas cromáticas CIE XYZ tenemos que normalizar detal manera que sR, sG y sB son variables de entrada a la equación de conversión:

varR =sR

255; varG =

sG

255; varB =

sB

255(6)

Figura 32: Espacios del color CIE. Izquierda: CIE 1976. Derecha: CIE Lab

36

Si el dato (varR, varG, varB > 0,04045) se procede a efectuar la siguiente ecuación:

varR = (varR + 0,055

1,055)2,4

; varG = (varG + 0,055

1,055)2,4

; varB = (varB + 0,055

1,055)2,4

(7)

de lo contrario:varR =

varR12,92

; varG =varG12,92

; varB =varB12,92

(8)

Seguido a ello, escalamos los datos porcentuales de tal manera que:

varR = varR ∗ 100 ; varG = varG ∗ 100 ; varB = varB ∗ 100 (9)

Finalmente,X = varR ∗ 0,4124 + varG ∗ 0,3576 + varB ∗ 0,1805 (10)

Y = varR ∗ 0,2126 + varG ∗ 0,7152 + varB ∗ 0,0722 (11)

Z = varR ∗ 0,0193 + varG ∗ 0,1192 + varB ∗ 0,9505 (12)

Figura 33: Coordenadas cromáticas CIE-XYZ / 1931 Commission Internationale de l’Eclairage.

Las salidas X, Y y Z son un estándar de iluminación - (sD65/2). [34]

Para realizar la conversión de RGB al modelo HSL (del inglés Hue, Saturation, Lightness − Matiz,Saturación, Luminosidad), también llamado HSI (del inglés Hue, Saturation, Intensity − Matiz, Saturación,Intensidad), tenemos que:

varR =sR

255; varG =

sG

255; varB =

sB

255(13)

37

Con el dato obtenido, se procede a seleccionar el valor mínimo, máximo y delta máximo del RGB:

varMin = min(varR, varG, varB) (14)

varMax = max(varR, varG, varB) (15)

∆Max = varMax − varMin (16)

El primer dato obtenido en la conversión es la luminosidad o intensidad luminosa, de tal manera que:

L =varMax + varMin

2(17)

Si el ∆Max = 0; H (Hue) y S (Saturation) son cero, tratandose así de un color en la escala de grises, sincroma.Si L < 0,5 entonces la saturación viene dada por:

S =∆Max

varMax + varMin

(18)

de lo contrario:

S =∆Max

2− varMax − varMin

(19)

Ahora, para determinar la Matiz, tenemos que:

varR =varMax−varR

6+ ∆Max

2

∆Max

; varG =varMax−varG

6+ ∆Max

2

∆Max

; varB =varMax−varB

6+ ∆Max

2

∆Max

(20)

Si varR es el valor máximo la matiz estaría dada por:

H = ∆B −∆G (21)

Si varG es el valor máximo la matiz estaría dada por:

H =1

3−∆R −∆B (22)

Si varB es el valor máximo la matiz estaría dada por:

H =2

3−∆G −∆R (23)

Figura 34: Espacio del color HSV (Hue-Saturation-Value). [33]

38

Para realizar la conversión de RGB al modelo HSV (del inglés Hue, Saturation, Value − Matiz, Sa-turación, Valor), también llamado HSB (del inglés Hue, Saturation, brightness – Matiz, Saturación, Brillo),tenemos que:

varR =sR

255; varG =

sG

255; varB =

sB

255(24)

Con el dato obtenido, se procede a seleccionar el valor mínimo, máximo y delta máximo del RGB:

varMin = min(varR, varG, varB) (25)

varMax = max(varR, varG, varB) (26)

∆Max = varMax − varMin (27)

El primer dato obtenido en la conversión es el Valor o Brillo, de tal manera que:

V = ∆Max (28)

Si el ∆Max = 0; H (Hue) y S (Saturation) son cero, de lo contrario:

S =∆Max

varMax

(29)

Para determinar la Matiz, realizamos el mismo proceso que en la conversión RGB-HSL.

Para realizar la conversión de RGB al modelo CMY (del inglés Cian, Magenta, Yellow − Cian, Magenta,Amarillo) tenemos que:

C = 1−R

255; M = 1−

G

255; Y = 1−

B

255(30)

Figura 35: Espacio del color HSV (Hue-Saturation-Value). [33]

7.4. Reglamento técnico de iluminación y alumbrado público - RETILAP

El objeto fundamental del reglamento es establecer los requisitos y medidas que deben cumplir los sistemasde iluminación y alumbrado público, tendientes a garantizar: Los niveles y calidades de la energía lumínicarequerida en la actividad visual, la seguridad en el abastecimiento energético, la protección del consumidory la preservación del medio ambiente; previniendo, minimizando o eliminando los riesgos originados por lainstalación y uso de sistemas de iluminación. [35]

39

Mediante Resolución 40122 de febrero 8 de 2016 se adiciona y modifica en definiciones aplicables a lám-paras y luminarias que usan tecnología LED, disponibilidad a la fecha y pruebas mínimas para ingresaral mercado nuevos productos. A continuación se denotan todas las pruebas que deberían realizarse a lasluminarias del sistema si se quisiera entrar al mercado:

Protección contra choques eléctricos.

Resistencia al aislamiento y rigidez dieléctrica.

Ensayo térmico para cableado interno y externo

Ensayo de endurancia(fatiga), aplicable si la luminaria tiene algún tipo de controlador de potencia airradiar.

Resistencia al fuego y llama de las partes que soportan elementos bajo tensión.

Flamabilidad de materiales no metálicos, mediante prueba de hilo incandescente a 650 ◦C para partesno portadoras de corriente, y 750 ◦C para partes que mantengan contacto con portadores de corriente.

En operación normal, los efectos térmicos de las fuentes luminosas, de los componentes eléctricos y delcerramiento de la luminaria deben ser adecuados para disipar el calor, de forma tal que sus partes nosuperen las temperaturas máximas de operación establecidas en la norma RETILAP.

Tabla 11: Temperaturas máximas de operación permitidas para luminarias LED según la norma RETILAP.Parte o componente Temperatura máxima ◦C

Aislamiento de cables eléctricosEl incremento en temperatura no debe superar

los 30 ◦C. Para PVC será de 75CContactos de portalámparas cerámicos,

marcación T1 o T2165 ◦C para T1 y 210C para T2

Interruptores marcados individualmente 55 ◦CSuperficie de montaje 90 ◦C

Partes a ser manipuladas o tocadas frecuentementePartes metálicas: 70 ◦C

Partes no metálicas: 85 ◦CDispositivos de encendido reemplazables 80 ◦C

Termoplásticos 95-120 ◦CPlasticos termoestables 90-165 ◦C

Otros materiales 70-230 ◦C

40

8. Capítulo IV : Diseño y simulación de circuitos electrónicos.

8.1. Simulación de circuitos.

Figura 36: Simulación del circuito de potencia para un canal V-0.1. [36]

Figura 37: Respuesta en tiempo de la conmutación con variación del ciclo útil. [36]

41

Figura 38: Simulación del circuito de potencia para un canal V-0.2 y respuesta en tiempo de la conmutación.[36]

Una vez se ha generado el diseño y se comprueba su funcionalidad mediante simulación, se procede a realizarel diseño de la PCB, para pasar a la etapa de implementación, para este diseño se hace uso del softwareEAGLE versión 7 con licencia académica.

8.2. Diseño de circuitos Impresos.

Eagle PCB Design & Schematic SoftwareEs una aplicación de software para la automatización de diseño electrónico programable con captura es-quemática, diseño de placa de circuito impreso, auto-router y características de fabricación asistida porordenador. Contiene un editor esquemático, para el diseño de diagramas de circuitos. Las piezas se puedencolocar en muchas hojas y conectarse a través de los puertos. El editor de diseño de PCB permite la ano-tación de señalización al esquema y emplea un enrutamiento automático para conectar las trazas o pistasconductoras en función de las conexiones definidas en el esquema.

42

Figura 39: Esquemático del circuito de control. [36]

Figura 40: PCB del circuito de control. [36]

43

Figura 41: Esquemáticos del circuito de potencia. [36]

44

Figura 42: PCB del circuito de potencia. [36]

Figura 43: Esquemático del circuito para adquisición de datos del color. [36]

45

Figura 44: PCB del circuito para adquisición de datos del color. [36]

46

9. Capítulo V : Diseño e implementación de interfaces para elmonitoreo y control de fuentes de luz artificial.

9.1. Pautas para el diseño de Software.

Todo buen trabajo de software comienza a partir de las necesidades personales del programador. Es impor-tante tener en cuenta que cuando se escribe software para una puerta de enlace de cualquier tipo, hay quetomar la precaución de alterar el flujo de datos lo menos posible y nunca eliminar información a menos quelos receptores o usuarios obliguen a hacerlo. Los buenos programadores saben que escribir, los mejores, quereescribir y reutilizar.

De acuerdo a la metodología de desarrollo de este proyecto, se ubican los requerimientos en una pila or-denada por prioridad de acuerdo a cuando deben implementarse, decisión que debe tomarse en conjuntocon el diseño de hardware. En caso de requerirse un cambio a un requerimiento se sugiere tratarle como unnuevo requerimiento y agregarse a la pila. Los requerimientos que se encuentran al principio de la pila debenestar bien detallados y en los del final el detalle debe ser escaso. De esa manera se concibe la realización desoftware de este proyecto.

Inicialmente se realizan unos diagramas de bloques, entendibles como la representación gráfica del fun-cionamiento interno del sistema, estos diagramas van mejorando con el paso de los requerimientos.

A continuación se exponen los diagramas finales.

Figura 45: Diagrama de bloques general del sistema V 0.1. [36]

47

Figura 46: Diagrama de bloques para elementos gráficos. [36]

Figura 47: Diagrama de bloques para comunicación serial. [36]

48

Figura 48: Diagrama de bloques para conversión de los diferentes espacios del color. [36]

Figura 49: Diagrama de bloques para la adquisición de datos cromáticos. [36]

49

Figura 50: Diagrama de bloques para el microcontrolador. [36]

Entorno de desarrollo AtomEs un editor de código de fuente abierta para macOS, Linux, y Windows con soporte para plug-ins escritosen Node.js, incrustando Git Control, desarrollado por GitHub, es considerado el editor de texto hackeabledel siglo XXI, por su capacidad a la hora de compilar y cargar código fuente a casi cualquier microcontro-lador. Atom es una aplicación de escritorio construida utilizando tecnologías web. La mayor parte de lospaquetes tienen licencias de software libre y es construido y mantenido por su comunidad. Está basado enElectrón (Anteriormente conocido como Atom Shell), Un framework que permite aplicaciones de escritoriomultiplataforma usando Chromium y Node.js

Figura 51: Entorno de desarrollo Atom. [37]

Entorno de desarrollo Processing Es un software flexible útil para codificar dentro del contexto de lasartes visuales asociadas a un artefacto de hardware. Desde 2001, Processing ha promovido la alfabetizaciónde software dentro de las artes visuales y la alfabetización visual aplicada a la tecnología de capa física. Haydecenas de miles de estudiantes, artistas, diseñadores, investigadores y aficionados que utilizan el Processingpara el aprendizaje y la creación de prototipos dadas sus ventajas:

Descarga gratuita y código abierto.

50

Programas interactivos con salida 2D, 3D o PDF.

Integración OpenGL para aceleración 2D y 3D.

Disponible para GNU / Linux, Mac OS X, Windows, Android y ARM

Más de 100 librerías que extienden el software básico.

Gran parte de sus librerías emplean Java como lenguaje base; este lenguaje de programación, de propósitogeneral, concurrente, orientado a objetos fue diseñado específicamente para tener tan pocas dependencias deimplementación como fuera posible. Su intención es permitir que los desarrolladores de aplicaciones escribanel programa una vez y lo ejecuten en cualquier dispositivo (conocido en inglés como WORA, o “write once,run anywhere”), lo que quiere decir que el código que es ejecutado en una plataforma no tiene que serrecompilado para correr en otra.

Figura 52: Entorno de desarrollo Processing. [38]

9.2. Adquisición, procesamiento y acondicionamiento de datos del color.

Código fuente del microcontrolador

/∗Sensor LaunchPadCommentVCC 3V3GND GNDS0 31 Se l e c c i on para s a l i d a de esca lado de f r e cuenc i aS1 32 Se l e c c i on para s a l i d a de esca lado de f r e cuenc i aS2 33 Se l e c c i on de l t i p o de f o t od i odoS3 34 Se l e c c i on de l t i p o de f o t od i odoOE 39 h a b i l i t a c i n de s a l i d a ( a c t i v e low )OUT 40 Sal ida−−>Onda CuadradaOpciones s e l e c c i o n a b l e s−−−−−−−−−−−−−−−−−−

S0 S1 Escalado de f r e cuenc i a de s a l i d a

51

L L ApagadoL H 2%H L 20%H H 100%

S2 S3 Tipo de f i l t r o s e l e c c i onadoL L RojoL H AzulH L Sin f i l t r oH H Verde∗/

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ LIBRERIAS y CONSTANTES∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

/∗∗∗∗Pines Lectura RGBW∗∗∗∗/int pinR = 23 ;int pinG = 24 ;int pinB = 25 ;int pinW = 26 ;/∗∗∗∗−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−∗∗∗∗/

/∗∗∗∗Pines Lectura RGBW∗∗∗∗/int S0 = 31 ;int S1 = 32 ;int S2 = 33 ;int S3 = 34 ;int OEPin = 39 ;int outPin = 40 ;// Constantes a j u s t a b l e s s i se presentan l e c t u r a s pobres// deb ido a l e f e c t o ru ido generado por o t ra s f u en t e s de l u zconst int Rc = 100 ; //Responsiv idad r e l a t i v a c l a raconst int Rr = 99 ; // Responsiv idad r e l a t i v a ro jaconst int Rg = 65 ; // Responsiv idad r e l a t i v a verdeconst int Rb = 70 ; // Responsiv idad r e l a t i v a a zu l/∗∗∗∗−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−∗∗∗∗/

/∗∗∗∗Numero de Muestras d e l Promediador∗∗∗∗/const int nMuestras = 200 ;/∗∗∗∗−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−∗∗∗∗/

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ SETUP CONFIGURACIN INICIAL∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

void setup ( ) {c o n f i g u r a r S e r i a l ( ) ;configurarSalidasPWM ( ) ;con f i gu ra rP ine sSen so r ( ) ;

}

void c o n f i g u r a r S e r i a l ( ) {S e r i a l . begin ( 9600 ) ;

}

52

void configurarSalidasPWM () {pinMode ( pinR , OUTPUT) ; // ro jopinMode (pinG , OUTPUT) ; // verdepinMode ( pinB , OUTPUT) ; // azu lpinMode (pinW , OUTPUT) ; // b lanco

}

void con f i gu ra rP ine sSen so r ( ){pinMode ( outPin , INPUT) ;pinMode (OEPin , OUTPUT) ;d i g i t a lWr i t e (OEPin , LOW) ; // Hab i l i da e l e sca lado de f r e cuenc i apinMode (S0 , OUTPUT) ;pinMode (S1 , OUTPUT) ;d i g i t a lWr i t e (S0 , HIGH) ; // con f i gura e l e sca lado de f r e cuenc i ad i g i t a lWr i t e (S1 , LOW) ;pinMode (S2 , OUTPUT) ;pinMode (S3 , OUTPUT) ;

}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ LOOP BUCLE PRINCIPAL∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

void loop ( ) {leeSerialRGBW2PC (4 , 1 0 ) ; //# Canales , # veces que se r e p i t es e r i a l S e n s o r ( ) ;

}

void leeSerialRGBW2PC( int cana les , int veces ){for ( int i =0; i<veces ; i++){

for ( int j =0; j<cana l e s ; j++){leerBandaRGBW ( ) ;

}}

}

void leerBandaRGBW() {switch ( l e e rPue r to ( ) ) {case ’R ’ :analogWrite ( pinR , l e e rPue r to ( ) ) ;break ;

case ’G ’ :analogWrite (pinG , l e e rPue r to ( ) ) ;break ;

case ’B ’ :analogWrite ( pinB , l e e rPue r to ( ) ) ;break ;

case ’W’ :analogWrite (pinW , l e e rPue r to ( ) ) ;break ;

}}// l e e e l puer to s e r i a l

53

int l e e rPue r to ( ) {while ( S e r i a l . a v a i l a b l e ()<=0) {}return S e r i a l . read ( ) ;

}

struct SensorColor {int r [ nMuestras ] ;int g [ nMuestras ] ;int b [ nMuestras ] ;int cPulse [ nMuestras ] ;int rPul se [ nMuestras ] ;int gPulse [ nMuestras ] ;int bPulse [ nMuestras ] ;f loat promedio ( int a r r e g l o [ ] ) {

f loat suma = 0 ;for ( int x = 0 ; x < nMuestras ; x++){

suma += ar r e g l o [ x ] ;}suma /= nMuestras ;return suma ;

}} ; struct SensorColor datosSensor ;

void s e r i a l S e n s o r ( ) {for ( int i =0; i<nMuestras ; i++){

l ee rDatosSensor ( i ) ;}enviarDatosSensor ( ) ;

}

void enviarDatosSensor ( ) {struct SensorColor s enso r = datosSensor ;

S e r i a l . p r i n t ( " cPulse="+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . cPulse ))+"&" ) ;S e r i a l . p r i n t ( " rPul se="+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . rPul se ))+"&" ) ;S e r i a l . p r i n t ( " gPulse=␣"+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . gPulse ))+"&" ) ;S e r i a l . p r i n t ( "bPulse="+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . bPulse ))+"&" ) ;S e r i a l . p r i n t ( " r="+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . r ))+"&" ) ;S e r i a l . p r i n t ( "g="+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . g))+"&" ) ;S e r i a l . p r i n t ( "b="+Str ing ( s enso r . promedio ( s enso r . b ) ) ) ;S e r i a l . p r i n t l n ( "" ) ;

}

void l e e rDatosSensor ( int i ) {int t imeout = 1000000;

d i g i t a lWr i t e (S2 , HIGH) ; // Se con f i gura para tomar l e c t u r a s in f i l t r od i g i t a lWr i t e (S3 , LOW) ;int cPulse = pu l s e In ( outPin , LOW, timeout ) ; // r e a l i z a l a l e c t u r aint Ac = cPulse ∗ Rc ; // a j u s t a l e c t u r a con e l v a l o r// de r e spons i v i dad r e l a t i v a c l a ra

d i g i t a lWr i t e (S2 , LOW) ; // Se con f i gura para tomar l e c t u r a f i l t r o ro jod i g i t a lWr i t e (S3 , LOW) ;

54

int rPul se = pu l s e In ( outPin , LOW, timeout ) ; // r e a l i z a l a l e c t u r aint Ar = rPulse ∗ Rr ; // a j u s t a l a l e c t u r a con e l v a l o r// de r e spons i v i dad r e l a t i v a ro jaint Cr = Ar − Ac ; // ap l i c a correcc ion para su l e c t u r a c l a ra

d i g i t a lWr i t e (S2 , HIGH) ; // Se con f i gura para tomar l e c t u r a f i l t r o verded i g i t a lWr i t e (S3 , HIGH) ;int gPulse = pu l s e In ( outPin , LOW, timeout ) ; // r e a l i z a l e c t u r a

int Ag = gPulse ∗ Rg ; // a j u s t a l a l e c t u r a con e l v a l o r// de r e spons i v i dad r e l a t i v a verdeint Cg = Ag − Ac ; // ap l i c a correcc ion para su l e c t u r a c l a ra

d i g i t a lWr i t e (S2 , LOW) ; // Se con f i gura para tomar l e c t u r a f i l t r o a zu ld i g i t a lWr i t e (S3 , HIGH) ;int bPulse = pu l s e In ( outPin , LOW, timeout ) ; // r e a l i z a l e c t u r aint Ab = bPulse ∗ Rb; // a j u s t a l a l e c t u r a con e l v a l o r// de r e spons i v i dad r e l a t i v a a zu lint Cb = Ab − Ac ; // ap l i c a correcc ion para su l e c t u r a c l a ra

//Encuentra composicion r e l a t i v a de l o s c o l o r e s en pasos de 0 a 255int r , g , b ;

i f (Cr < Cg && Cg < Cb) { // orden de l c o l o r RGBr = 255 ;g = 128 ∗ Cr / Cg ;b = 16 ∗ Cr / Cb ;

}else i f (Cr < Cb && Cb < Cg) { // orden de l c o l o r RGB

r = 255 ;b = 128 ∗ Cr / Cb ;g = 16 ∗ Cr / Cg ;

}else i f (Cg < Cr && Cr < Cb) { // orden de l c o l o r RGB

g = 255 ;r = 128 ∗ Cg / Cr ;b = 16 ∗ Cg / Cb ;

}else i f (Cg < Cb && Cb < Cr) { // orden de l c o l o r RGB

g = 255 ;b = 128 ∗ Cg / Cb ;r = 16 ∗ Cg / Cr ;

}else i f (Cb < Cr && Cr < Cg) { // orden de l c o l o r RGB

b = 255 ;r = 128 ∗ Cb / Cr ;g = 16 ∗ Cb / Cg ;

} else { // (Cb < Cg && Cg < Cr) // orden de l c o l o r RGBb = 255 ;g = 128 ∗ Cb / Cg ;r = 32 ∗ Cb / Cr ;

}

datosSensor . r [ i ] = r ;

55

datosSensor . g [ i ] = g ;datosSensor . b [ i ] = b ;datosSensor . cPulse [ i ] = cPulse ;datosSensor . rPul se [ i ] = rPulse ;datosSensor . gPulse [ i ] = gPulse ;datosSensor . bPulse [ i ] = bPulse ;

}

9.3. Interfaz para el monitoreo y control de fuentes de luz LED V-0.1.

Código fuente de la Raspberry Pi

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ LIBRERIAS y CONSTANTES∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

import contro lP5 . ∗ ; // Graf icos i n t e r a c t i v o simport p ro c e s s i ng . s e r i a l . ∗ ; //Lectura y e s c r i t u r a s e r i a limport java . u t i l .Map; //para crear d i c c i ona r i o s

/∗Var iab l e s p r e v i s t a s para g r a f i c o s i n t e r a c t i v o s ∗/ControlP5 i n t e r f a z ;S l ider2D sl iderOnda ;s l i d e rV s l iderV1 , s l iderV2 , s l iderV3 , s l i d e rV4 ;

/∗Def in i c i on de v a r i a b l e s para e s c r i b i r datos PWM a l TIVA∗/S e r i a l pu e r t oS e r i a l ;int LINE_FEED = 10 ; // <LF> cons tantint R = 0 ; //Tono ro joint G = 0 ; //Tono verdeint B = 0 ; //Tono azu lint W = 0; // B r i l l of loat C,M,A;f loat s a tu rac i on = 0 . 0 ;f loat matiz = 0 . 0 ;f loat anguloMatiz= 0 . 0 ;f loat luminancia = 0 . 0 ;f loat X,Y,Z ;

/∗ Tipo de datos para almacenar im g e n e s . g i f , . jpg , . tga , . png ∗/PImage img , img2 , img3 ;

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ SETUP CONFIGURACIN INICIAL∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

void setup ( ) {s i z e (1350 , 800 ) ; //Define un t ama o para l a i n t e r f a zimg = loadImage ( " imagenes / tux . png" ) ;img2 = loadImage ( " imagenes / cromatico . png" ) ;img3 = loadImage ( " imagenes / e s p e c t r o v i s i b l e . png" ) ;

// Comprueba d i s p o n i b i l i d a d de puerto s e r i a l en l a maquinap r i n t l n ( "Puerto␣ S e r i a l ␣ d i s p on i b l e . " ) ;p r i n t l n ( " D i spo s i t i v o : ␣"+S e r i a l . l i s t ( ) [ 0 ] ) ;

56

pue r t oS e r i a l = new S e r i a l ( th i s , S e r i a l . l i s t ( ) [ 0 ] , 9600 ) ;pu e r t oS e r i a l . b u f f e rUn t i l (LINE_FEED) ; // carac t e r en a s c i i b r e a k l i n e

// Creamos 4 S l i d e r s// s l i d e rVx = new s l i d e rV ( ub i cac ion x , ub i cac ion y , ancho , largo , co l o r ) ;s l i d e rV1 = new s l i d e rV (50 , 200 , 90 , 255 , #FF0000 ) ;s l i d e rV2 = new s l i d e rV (150 , 100 , 90 , 255 , #03FF00 ) ;s l i d e rV3 = new s l i d e rV (250 , 100 , 90 , 255 , #009BFF) ;s l i d e rV4 = new s l i d e rV (350 , 200 , 90 , 255 , #FFFFFF) ;

//Graficamos puntero pan t a l l a a zu li n t e r f a z = new ControlP5 ( t h i s ) ; // t h i s es e l con tex to a c t ua l ( programa )s l iderOnda = i n t e r f a z . addSlider2D ( "onda" )

. s e tPo s i t i o n (600 , 240) //x , y

. s e t S i z e (200 , 200) //ancho , l a r go

. setMinMax (0 , 0 , 500 , 100) //Define v a l o r e s minimos y maximos// de ampl i tud y f r e cuenc i a. setValue (150 , 5 0 ) ; // Asigna unos va l o r e s i n i c i a l e s

smooth ( ) ; //Dibuja todas l a s geometr iasframeRate ( 2 4 ) ; // ( f p s )

}

/∗∗∗∗∗∗ INICIO FUNCIONES ADICIONALES SETUP∗∗∗∗∗∗//∗ Funcion para in c ru s t a r imagenes , d i bu j a r s l i d e r s y v i s u a l i z a d o r de onda . ∗//∗ Esta f u n c i n es un buc l e que d i bu j a en e l l i en zo , por eso se l lama draw . ∗//∗ Se e j e cu t a e l numero de veces de l a tasa de r e f r e s c o frame ra t e ∗/void draw ( ) {

dibujarImagenes ( ) ;r e n d e r i z a r S l i d e r s ( ) ;g ra f i ca rV i sua l i zadorOnda ( ) ;r x t x S e r i a l ( ) ;RGBtoConvert ( ) ;r e f r e z caTex to s ( ) ;

}

/∗ Clase S l i d e r ∗/c l a s s s l i d e rV {

// a t r i b u t o s d e l o b j e t oint x , y , w, h , p ; //h=a l to , p=rango de 0 a 255 ( a l t u r a )c o l o r c o l ;boolean s l i d e ;S t r ing texto ;// cons t ruc t o r d e l o b j e t opub l i c s l i d e rV ( int _x, int _y, int _w, int _h, c o l o r _col ) {

x = _x; //Posic ion Xy = _y; //Posic ion yw = _w; //Anchoh = _h; //Altop = 60 ; //Valor (0−255) d e l PWM i n i c i a l ( porcen ta j e )c o l = _col ; //Colors l i d e = true ;t exto = "" ;

}// F u n c i n que render i za e l o b j e t o

57

pr i va t e void render ( ) {noStroke ( ) ; //Sin contorno , l i n e a de a fuera de l r e c t n g u l of i l l ( c o l ) ; // co l o r de r e l l e n or e c t (x−1, y−4, w, h+10);f i l l ( 100 , 100 ,100 , 100 ) ; //Rojo , Verde , Azul , Al far e c t (x , h−p+y−5, w−2, 1 3 ) ;t h i s . e s c r i b i r E t i q u e t a s ( ) ;t h i s . mouseOver ( ) ;

}p r i va t e void e s c r i b i r E t i q u e t a s ( ) {

f i l l ( 2 5 5 ) ;t e x tS i z e ( 1 1 ) ;int porcenta j e = p ∗ 100 / 255 ; //Porcenta jet exto = s t r ( po r c en ta j e ) + "␣ %" ;t ex t ( texto , x+2, h−p+y+6);

}p r i va t e void mouseOver ( ) {

i f ( s l i d e==true && mousePressed==true && mouseX < x+w && mouseX > x) {i f ( (mouseY<=y+h+150) && (mouseY>=y−150)) {

p = h−(mouseY−y ) ;i f (p<0) {

p=0;} else i f (p>h) {

p=h ;}

}}

}}

void dibujarImagenes ( ) {background ( 0 ) ; //Color de fondo 0=negroimage ( img , 1200 , 500 ) ; // img , po s i c i on x , po s i c i on yimage ( img2 , 100 , 400 ) ;image ( img3 , 550 , 8 0 ) ;

}

void r e n d e r i z a r S l i d e r s ( ) {s l i d e rV1 . render ( ) ; //Renderiza s l i d e rs l i d e rV2 . render ( ) ;s l i d e rV3 . render ( ) ;s l i d e rV4 . render ( ) ;

}

void gra f i ca rV i sua l i zadorOnda ( ) {pushMatrix ( ) ;t r a n s l a t e (820 , 340 ) ; //Define pos i c i onnoStroke ( ) ; // De sha b i l i t a e l t r a zo ( contorno ) .f i l l ( 5 0 ) ; //Color de l l enador e c t (0 , −100, 500 , 200 ) ;strokeWeight ( 1 ) ; //Ancho de l t r a zo ( l n e a s en l o s o b j e t o s )l i n e (0 , 0 , 200 , 0 ) ;s t r oke ( c o l o r (R,G,B) ) ; //Color d e l t r a zo RGBstrokeWeight ( 2 ) ;

58

for ( int i =1; i <500; i++) {//Define t ama o entre −PI , PIf loat y0 = cos (map( i −1, 0 , s l iderOnda . getArrayValue ( ) [ 0 ] , −PI , PI ) )∗ s l iderOnda . getArrayValue ( ) [ 1 ] ;f loat y1 = cos (map( i , 0 , s l iderOnda . getArrayValue ( ) [ 0 ] , −PI , PI ) )∗ s l iderOnda . getArrayValue ( ) [ 1 ] ;l i n e ( ( i −1) , y0 , i , y1 ) ;

}popMatrix ( ) ; // h t t p s :// proce s s ing . org / r e f e r ence /popMatrix_ . html

}

void r e f r e z caTex to s ( ) {t e x tS i z e ( 1 6 ) ; // Tama of i l l ( 2 5 5 ) ; //Color d e l t e x t ot ex t ( "LECTURA␣DE␣DATOS" , 490 , 480 ) ;t ex t ( "Control ␣ r o j o ␣␣␣=" + s l id e rV1 . texto , 490 , 500 ) ;t ex t ( "Control ␣ verde ␣=" + s l id e rV2 . texto , 490 , 520 ) ;t ex t ( "Control ␣ azu l ␣␣␣=" + s l id e rV3 . texto , 490 , 540 ) ;t ex t ( "Control ␣ b r i l l o ␣=" + s l id e rV4 . texto , 490 , 560 ) ;t ex t ( "SENSADO" , 490 , 600 ) ;t ex t ( "R␣=" + R, 490 , 620 ) ;t ex t ( "G␣=" + G, 490 , 640 ) ;t ex t ( "B␣=" + B, 490 , 660 ) ;t ex t ( "C␣=" + C + "␣ %" , 620 , 620 ) ;t ex t ( "M␣=" + M + "␣ %" , 620 , 640 ) ;t ex t ( "Y␣=" + A + "␣ %" , 620 , 660 ) ;t ex t ( "Matiz␣=" + anguloMatiz + "␣ " , 800 , 620 ) ;t ex t ( " Saturac ion ␣=" + satu rac i on + "␣ %" ,800 , 640 ) ;t ex t ( "Luminancia␣=" + luminancia + "␣ %" ,800 , 660 ) ;t ex t ( " Pos i c i on ␣X␣=" + X,1040 , 6 20 ) ;t ex t ( " Pos i c i on ␣Y␣=" + Y,1040 , 6 40 ) ;t ex t ( " Pos i c i on ␣Z␣=" + Z, 1040 , 6 60 ) ;t e x t S i z e ( 2 5 ) ; // Tama ot ex t ( "COMBINATORIAS␣RGBW" , 100 , 7 0 ) ;t ex t ( "ESPECTRO␣VISIBLE" , 800 , 90 ) ;t e x t S i z e ( 1 6 ) ;S t r ing c r e d i t o s = "Este ␣obra␣ e s t ␣ bajo ␣una␣ l i c e n c i a ␣MIT␣Copyright

␣␣ ( c ) ␣2016␣RadiationPAR" ;f i l l ( 2 5 5 ) ;t ex t ( c r ed i t o s , 920 , 520 , 300 , 400 ) ;

}

f loat t iempoRefrescoDato = 100 ; //mSint FPS = 24 ; //tiempoFPS=1/ f p s ;int buc l e s = ( int )Math . c e i l ( t iempoRefrescoDato /1000∗FPS ) ; // redondeoint contadorBucles = 1 ; //Se i n i c i a e l contador en 1 vezvoid r x t x S e r i a l ( ){

//Se envian y rec i b en l o s datos a c i e r t a v e l o c i dadi f ( contadorBucles>=buc l e s ){

escribePWMSerial ( ) ;contadorBucles = 0 ;

} else {contadorBucles++;

}}

59

void escribePWMSerial ( ) {// Escr ibe por puer to S e r i a l c a ra c t e r e s a s c c i (0−255)pue r t oS e r i a l . wr i t e ( ’R ’ ) ;pu e r t oS e r i a l . wr i t e ( ( s l i d e rV1 . p )∗45/100) ; //Se a j u s t a operacion a l 55%pue r t oS e r i a l . wr i t e ( ’G’ ) ;pu e r t oS e r i a l . wr i t e ( s l i d e rV2 . p ) ;pu e r t oS e r i a l . wr i t e ( ’B ’ ) ;pu e r t oS e r i a l . wr i t e ( s l i d e rV3 . p ) ;pu e r t oS e r i a l . wr i t e ( ’W’ ) ;pu e r t oS e r i a l . wr i t e ( s l i d e rV4 . p ) ;// pue r t oS e r i a l . c l e a r ( ) ;

}

void s e r i a lEven t ( S e r i a l port ) {t ry {

St r ing get = nu l l ;// Rec i b i r datos por puer to s e r i a l de una v a r i a b l ewhile ( pu e r t oS e r i a l . a v a i l a b l e ( ) > 0) {

get = pue r t oS e r i a l . r e adSt r ingUnt i l (LINE_FEED) ;i f ( get != nu l l ) {

p r i n t ( get ) ; // Pr in t s S t r ingHashMap<Str ing , Str ing> va l o r e s = conversionGET ( get ) ; // Dicc ionar ioR = par s e In t ( va l o r e s . get ( " r " ) ) ;G = par s e In t ( v a l o r e s . get ( "g" ) ) ;B = par s e In t ( v a l o r e s . get ( "b" ) ) ;s l iderOnda . setColorValue ( c o l o r (R,G,B) ) ;s l iderOnda . setColorBackground ( c o l o r (R, G, B) ) ;

}}// pue r t oS e r i a l . c l e a r ( ) ;

} catch ( Exception e ) {p r i n t l n ( " I n i t i a l i z a t i o n ␣ except ion " ) ;// dec ide what to do here

}}

void keyPressed ( ) {//Cuando se pu l s e una t e c l ai f ( key==’ s ’ | | key==’S ’ | | key==’q ’ | | key==’Q’ ) {

e x i t ( ) ; // Salimos de l programa}

}

HashMap<Str ing , Str ing> conversionGET ( St r ing get ) {HashMap<Str ing , Str ing> va l o r e s = new HashMap<Str ing , Str ing >() ;S t r ing [ ] pseudoValores = get . s p l i t ( "&" ) ;// va l o r e s predeterminadosva l o r e s . put ( " r " , "0" ) ;v a l o r e s . put ( "g" , "0" ) ;v a l o r e s . put ( "b" , "0" ) ;for ( int i =0; i<pseudoValores . l ength ; i++){

St r ing [ ] c lave_valor = pseudoValores [ i ] . s p l i t ( "=" ) ;i f ( c lave_valor . l ength != 2){

return va l o r e s ;

60

}St r ing c l ave = clave_valor [ 0 ] ;S t r ing va lo r = clave_valor [ 1 ] ;v a l o r e s . put ( c lave , va l o r ) ;

}return va l o r e s ;

}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗FUNCIONES COLORIMETRIA∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void RGBtoConvert ( ) {

f loat Rp = ( f loat )R; //R primadof loat Gp = ( f loat )G;f loat Bp = ( f loat )B;

f loat Rnorm , Gnorm , Bnorm ;Rnorm = Rp/255 ;Gnorm = Gp/255 ;Bnorm = Bp/255 ;

f loat [ ] valoresRGB = { Rnorm , Gnorm , Bnorm} ;f loat colorMax = max( valoresRGB ) ; // Obtenemos e l v a l o r maximo de l a r r e g l of loat colorMin = min ( valoresRGB ) ; // Obtenemos e l v a l o r maximo de l a r r e g l o

f loat de l t a = colorMax+colorMin ;luminancia = ( de l t a /2)∗100 ; // 1=100%

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ RGB−CMY ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/C = (1 − Rnorm)∗100 ; //CianM = (1 − Gnorm)∗100 ; //MagentaA = (1 − Bnorm)∗100 ; //Amari l lo

/∗∗∗∗ Se dec ide l a ecuacion para e l a j u s t e de Saturac ion ∗∗∗∗/

i f ( luminancia < 0 . 5 ) {sa tu rac i on = ( de l t a /( colorMax + colorMin ) )∗100 ;

} else {sa tu rac i on = ( de l t a / (2 . 0 − colorMax + colorMin ) )∗100 ;

}

/∗∗∗∗∗ Se dec ide l a ecuacion para e l a j u s t e de l a matiz ∗∗∗∗∗/boolean ca l cu l ado = f a l s e ;i f (R>=G && R>=B && ca l cu l ado==f a l s e ){ //R es Mayor

matiz = (Gnorm−Bnorm)/ de l t a ;ca l cu l ado=true ;

}i f (G>=R && G>=B && ca l cu l ado==f a l s e ){ //G es Mayor

matiz = 2 .0 + (Bnorm−Rnorm)/ de l t a ;ca l cu l ado=true ;

}i f (B>=R && B>=G && ca l cu l ado==f a l s e ){ //B es Mayor

matiz = 4 .0 + (Rnorm−Gnorm)/ de l t a ;// ca l cu l ado=true ;// no es necesar io

}

61

anguloMatiz = matiz ∗ 60 ; // Convier te a gradosi f ( matiz <0) {

anguloMatiz += 360 ; //Se proyec ta a un ngulo en t re 0 y 360}

/∗∗∗∗∗ Se dec ide l a ecuacion para e l a j u s t e de pos i c i on XYZ ∗∗∗∗∗/i f (Rnorm > 0.04045){

Rnorm = pow ( ( (Rnorm + 0 .055 ) / 1 .055 ) , 2 . 4 ) ;} else {

Rnorm = Rnorm / 12 . 9 2 ;}i f (Gnorm > 0.04045){

Gnorm = pow ( ( (Gnorm + 0 .055 ) / 1 .055 ) , 2 . 4 ) ;} else {

Gnorm = Gnorm / 12 . 9 2 ;}i f (Bnorm > 0.04045){

Bnorm = pow ( ( (Bnorm + 0.055 ) / 1 .055 ) , 2 . 4 ) ;} else {

Bnorm = Bnorm / 12 . 9 2 ;}Rnorm = Rnorm ∗ 100 ;Gnorm = Gnorm ∗ 100 ;Bnorm = Bnorm ∗ 100 ;

X = Rnorm ∗ 0 .4124 + Gnorm ∗ 0 .3576 + Bnorm ∗ 0 . 1 805 ;Y = Rnorm ∗ 0 .2126 + Gnorm ∗ 0 .7152 + Bnorm ∗ 0 . 0 722 ;Z = Rnorm ∗ 0 .0193 + Gnorm ∗ 0 .1192 + Bnorm ∗ 0 . 9 505 ;

// p r i n t l n (R,G,B,Rnorm,Gnorm,Bnorm, colorMax , colorMin , matiz , anguloMatiz ) ;

f loat anguloRadian=PI∗anguloMatiz /180 ; // conv i e r t e angu los a rad ianess t r oke ( 2 5 5 ) ; //Pinta de b lanco e l s i g u i e n t e t ra zotrazoAngular (250 , 557 , anguloRadian , 110 ) ;// pos i c i on x , po s i c i on y , anguloRadian en radianes , magnitud

p r i n t l n ( "RGB" ) ;p r i n t l n (Rp,Gp,Bp ) ;

// p r i n t l n ("CMY") ;// p r i n t l n (C,M,A) ;p r i n t l n ( "HSL" ) ;p r i n t l n ( anguloMatiz , sa turac ion , luminancia ) ;// p r i n t l n ("XYZ") ;// p r i n t l n (X,Y,Z ) ;

}

void trazoAngular ( int x , int y , f loat anguloRadian , f loat magnitud ){strokeWeight ( 4 ) ; // Anade un grosor a l t r a zol i n e (x , y , x+cos ( anguloRadian )∗magnitud , y−s i n ( anguloRadian )∗magnitud ) ;// l i n e ( x1 , y1 , x2 , y2 )

}

62

Figura 53: Interfaz Versión 0.1. Muestra la composición del color con longitud de onda predominante 610nm.[36]

Figura 54: Interfaz Versión 0.1. Muestra la composición del color con longitudes de onda predominantes de660nm@90% y 450nm @10%. [36]

9.4. Interfaz para el monitoreo y control de fuentes de luz LED V-0.2.

En vista de que la perfección en el diseño se alcanza no cuando ya no hay nada que agregar, sino cuando yano hay nada que quitar. Se diseña una nueva interfaz para el control de las luminarias, teniendo en cuentalos comentarios de agrónomos y personas habidas en el cuidado de las plantas. Lo más grande, después detener buenas ideas, es recoger las buenas ideas de sus usuarios. Esto último es a veces lo mejor. Nunca debeolvidarse que es necesario buscar activamente retroalimentación sobre el trabajo que se realiza. Esto permite

63

mejorar el sistema.

Es por ello que la versión 0.2 atiende una necesidad adicional, esta necesidad se centra en la creaciónde archivos a modo de bitácora que alojan comentarios sobre el cuidado de las plantas asignando comoparámetros relevantes la fecha, hora y composición del color al realizar una nueva anotación.

Código fuente de la Raspberry Pi

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ LIBRERIAS y CONSTANTES∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

import contro lP5 . ∗ ;import java . i o . F i l eWr i t e r ;import java . i o . Buf feredWriter ;

ControlP5 radiationPAR ;ControlP5 boton ;ControlP5 g r a f i c o ;ControlP5 txt ;ControlP5 cp5 ;

int colorFondo = co l o r ( 0 , 0 , 0 ) ;int co lo rTab l e ro = 200 ;S t r ing t ex tCu l t i vo = "" ;

Knob control_A ;Knob control_B ;Chart myChart ;Text labe l myTextlabelA ;

Pr intWriter output ;Buf feredWriter wr i t e r ;/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ SETUP CONFIGURACIN INICIAL∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

void setup ( ) {s i z e ( 700 , 400 ) ; //Tamano de pan t a l l a 7 pu lgadas//Dibuja todas l a s geometr ias en e l l i e n z o de l a i n t e r f a z g r a f i c asmooth ( ) ;noStroke ( ) ; // De sha b i l i t a e l t r a zo ( contorno )

radiationPAR = new ControlP5 ( t h i s ) ;i o tCont ro l ( ) ;boton = new ControlP5 ( t h i s ) ;boton_ON_OFF( ) ;g r a f i c o = new ControlP5 ( t h i s ) ;longitud_de_onda ( ) ;txt = new ControlP5 ( t h i s ) ;t e x t l a b e l s ( ) ;cp5 = new ControlP5 ( t h i s ) ;a l l InOne ( ) ;

}

void setPWM( int pin , f loat duty ) {

64

output = createWr i t e r ( "/dev/pi−b l a s t e r " ) ;output . p r i n t l n ( pin+"="+duty ) ;output . f l u s h ( ) ;output . c l o s e ( ) ;

}

void draw ( ) {background ( colorFondo ) ;// f i l l (100 ,100 ,100 ,100) ;//Rojo , Verde , Azul , Al faf i l l ( co l o rTab l e ro ) ; //Color de r e l l e n or e c t (0 , he ight /2 , width , he ight / 2 ) ; // Div i s i on de pan t a l l af i l l ( 0 , 1 0 0 ) ;r e c t ( 80 , 40 , 140 , 320 ) ;

myChart . push ( " incoming" , ( s i n ( frameCount ∗ 0 . 2 ) ∗ 1 5 ) ) ; // der−i z q//myChart . u n s h i f t (" incoming " , ( s in ( frameCount ∗0 . 1 )∗20 ) ) ; // i zq−der

f i l l ( 2 5 5 ) ;t ex t ( txt . get ( Tex t f i e l d . c l a s s , " Bitacora " ) . getText ( ) , 360 , 130 ) ;t ex t ( textCul t ivo , 360 ,180 ) ;t e x t S i z e ( 1 0 ) ; // de f in imos e l t ama o de l a l e t r aSt r ing Date = fechaYhora ( ) ;f i l l ( 2 5 , 25 , 112 ) ;t ex t (Date , 470 , 350 ) ;

}

void i o tCont ro l ( ){control_A = radiationPAR . addKnob( " contro l_Vegetat ivo " )

. setRange (0 ,255)

. setValue (13) //Valor i n i c i a l PWM1

. s e tPo s i t i o n (100 ,70)

. setRadius (50)

. s e tDragDi rec t i on (Knob .HORIZONTAL)

. setNumberOfTickMarks (10)

. setTickMarkLength (4 )// . snapToTickMarks ( t rue ) // r e p l i c a dato a env iar;

control_B = radiationPAR . addKnob( " contro l_Florac ion " ). setRange (0 ,255). setValue (69) //Valor i n i c i a l PWM2. s e tPo s i t i o n (100 ,210). setRadius (50). s e tDragDi rec t i on (Knob .HORIZONTAL). setNumberOfTickMarks (10). setTickMarkLength (4 )// . snapToTickMarks ( t rue ) // descomentar para s a l t o s de 10%. setColorForeground ( c o l o r (255 ) ). setColorBackground ( c o l o r (255 , 0 , 0 ) ). s e tCo lo rAct ive ( c o l o r (255 ,255 ,0 ) );

}

void contro l_Vegetat ivo ( int valorPWM) {

65

colorFondo = co l o r (valorPWM) ;p r i n t l n ( "Dato␣para␣ cana l ␣A␣−−>␣Nive l ␣PWM: "+valorPWM) ;/∗ i f (valorPWM > 150){

GPIO. d i g i t a lWr i t e (18 , GPIO.HIGH) ;}e l s e {

GPIO. d i g i t a lWr i t e (18 , GPIO.LOW) ;}∗/f loat duty = valorPWM/255 . 0 ;p r i n t l n ( duty ) ;setPWM(27 , duty ) ;

}

void contro l_Florac ion ( int valorPWM2) {colorFondo = co l o r (valorPWM2 ) ;p r i n t l n ( "Dato␣para␣ cana l ␣B␣−−>␣Nive l ␣PWM: "+valorPWM2 ) ;f loat duty2 = valorPWM2/255 . 0 ;p r i n t l n ( duty2 ) ;setPWM(22 , duty2 ) ;

}

void boton_ON_OFF(){boton . addIcon ( " i con " ,10)

. s e tPo s i t i o n (600 ,200)

. s e t S i z e (70 ,50)

. setRoundedCorners (20)

. setFont ( createFont ( " fontawesome−webfont . t t f " , 40) )

. s e tFont Icons (#00 f204 , #00f205 ) // Se l e cc iona e l icono de l f i c h e r o . t t f// . s e t S c a l e (0 . 9 , 1 ). s e tSwitch ( t rue ). hideBackground ( );

}

/∗ICONO PARA CERRAR APP∗/void i con ( boolean theValue ) {

p r i n t l n ( "Encendido" , theValue ) ;i f ( theValue==true ){

setPWM(22 , 0 ) ;setPWM(27 , 0 ) ;

e x i t ( ) ;}

}

void longitud_de_onda ( ){myChart = g r a f i c o . addChart ( " l ong i tud ␣de␣onda" )

. s e tPo s i t i o n (250 , 259)

. s e t S i z e (200 , 100)

. setRange (−20 , 20)

. setView (Chart . LINE) // use Chart . PIE , Chart .AREA

. setStrokeWeight ( 1 . 5 )

. setColorCapt ionLabe l ( c o l o r (25 ,25 , 112 ) );

66

myChart . addDataSet ( " incoming" ) ;myChart . setData ( " incoming" , new f loat [ 1 0 0 ] ) ;

}

/∗CAMPOS DE TEXTO − TEXT LABEL∗/void t e x t l a b e l s ( ){

PFont font = createFont ( "Georgia " , 2 0 ) ;txt . addText f i e ld ( "Bitacora " )

. s e tPo s i t i o n (250 ,205)

. s e t S i z e (200 ,40)

. setFont ( f ont )

. setFocus ( t rue )

. setColorCapt ionLabe l ( c o l o r (25 ,25 , 112 ) )

. s e tCo lo r ( c o l o r ( 255 , 0 , 0 ) );

txt . addText f i e ld ( " t ex tCu l t i vo " ). s e tPo s i t i o n (480 ,260). s e t S i z e (200 ,40). setFont ( createFont ( "Georgia " , 20 ) ). setAutoClear ( f a l s e ). setColorCapt ionLabe l ( c o l o r (25 ,25 , 112 ) ). s e tCo lo r ( c o l o r ( 255 , 0 , 0 ) );

txt . addBang ( " l imp ia r " ). s e tPo s i t i o n (580 ,320). s e t S i z e (80 ,40). getCaptionLabel ( ) . a l i g n ( ControlP5 .CENTER, ControlP5 .CENTER);

myTextlabelA = txt . addText label ( " l a b e l " ). setText ( "Sistema␣IoT␣para␣ e l ␣ c on t r o l ␣LED" ). s e tPo s i t i o n (50 ,10). setColorValue ( c o l o r ( 255 , 0 , 0 ) ). setFont ( createFont ( "Georgia " , 20 ) );

textFont ( f ont ) ;}

pub l i c void l imp ia r ( ) {txt . get ( Tex t f i e l d . c l a s s , " t ex tCu l t i vo " ) . c l e a r ( ) ;

}

void contro lEvent ( ControlEvent theEvent ) {i f ( theEvent . i sAss ignableFrom ( Tex t f i e l d . c l a s s ) ) {

St r ing archivoName = txt . get ( Tex t f i e l d . c l a s s , " t ex tCu l t i vo " ) . getText ( ) ;S t r ing texto = theEvent . ge tSt r ingValue ( ) ;t ry {wr i t e r = new Buf feredWriter (new Fi l eWr i t e r ( "/ i o t a g r o l e d /"

+ archivoName + " . txt " , t rue ) ) ;w r i t e r . wr i t e ( fechaYhora ( ) + "\n" + texto + "\n" ) ;wr i t e r . c l o s e ( ) ;} catch ( IOException e ){

67

p r i n t l n ( "Algo␣ t e r r i b l e ␣a␣ suced ido . . . " ) ;}

p r i n t l n ( " contro lEvent : ␣ crea ␣ arch ivo ␣ ’ "+ archivoName +" ’ : ␣"+ texto) ;

}}

pub l i c void input ( S t r ing theText ) {// au t oma t i c a l l y r e c e i v e s r e s u l t s from c o n t r o l l e r inputp r i n t l n ( "Campo␣de␣ texto ␣ de l ␣ cont ro l ador ␣ ’ input ’ ␣ : ␣"+theText ) ;

}

S t r ing fechaYhora ( ){int s = second ( ) ; // Valores de 0 a 59int min = minute ( ) ; // Valores de 0 a 59int h = hour ( ) ; // Valores de 0 a 23int y = year ( ) ; // Valores de 2015 , 2014 , e t cint m = month ( ) ; // Valores de 1 a 12int d = day ( ) ; // Valores de 1 a 31return "Hora : ␣" + h + " : " + min + " : " + s + "\n"

+ "Fecha : ␣" + d + "/" + m + "/" + y ;}

void a l l InOne ( ){Group g3 = cp5 . addGroup ( "Controlador " )

. s e tPo s i t i o n (500 ,100)

. s e t S i z e (100 ,100)

. setBackgroundColor ( c o l o r (255 ,100) );

cp5 . addS c r o l l a b l eL i s t ( "Fuente" ). s e tPo s i t i o n (10 ,10). s e t S i z e (80 ,100). setGroup ( g3 ). addItems ( java . u t i l . Arrays . a sL i s t ( "Mod␣1" , "Mod␣2" ,

"Mod␣3" , "Mod␣4" , "Mod␣5" , "Al l ␣ in ␣One" ) );

}

68

Figura 55: Interfaz Versión 0.2. Muestra la composición del color con longitudes de onda predominantes de517nm@100% y 453nm @100%. [36]

Figura 56: Interfaz Versión 0.2. Muestra la composición del color con longitudes de onda predominantes de660nm@900% y 740nm @100%. [36]

69

10. Análisis de resultados

10.1. Prototipo

Figura 57: Modelado 3D del lente LLNF-4T11-H. [39]

Figura 58: Modelado 3D del Led LZP-00H100. [39]

Figura 59: Modelado 3D de la fuenteDC GWS500. [39]

70

Figura 60: Modelado 3D del disipador. [39]

Posterior al modelado 3D de cada uno de los componentes de la mecánica asociada a la luminaria, claramentecon medidas reales, se procede a diseñar una coraza que utiliza principios físicos como lo son la concavidad yla convexidad para un mejor aprovechamiento de la luz, emplea una forma desde la biónica que es el hexágono,otorgando un excelente aprovechando del espacio con menor perímetro posible. Los orificios en vista superior,corresponden a brocas comerciales y permiten contribuir al flujo de aire al interior de la luminaria. Además,contempla tres conexiones laterales que responden a dos sistemas: estructural con imanes de neodimio yeléctrico con contactores de cobre.

Figura 61: Modelado 3D de la coraza para las luminarias. [39]

Por parte de la calibración del sensor y con el apoyo del laboratorio de ensayos eléctricos e industrialesde la Universidad Nacional de Colombia, se generaron diversas mediciones de calibración para asegurar la

71

calidad del dispositivo. El laboratorio cuenta con las condiciones necesarias para realizar pruebas, ya que seencuentra aislado de ruido e interferencias, adicional el sitio presenta condiciones de ausencia total de luz, loque garantiza calidad en las mediciones. Para ello, se utilizó un espectrorradiómetro SP-200 para determinarla longitud de onda irradiada por un LED RGB y de forma paralela se realizaron las mismas mediciones connuestro sistema de medición basado en la familia de sensores TCS32xx.

El espectrorradiómetro multifuncional SP-200 cuenta con un versátil diseño que utiliza accesorios inter-cambiables para permitir la medición del resplandor espectral, la irradiancia y el flujo luminoso de unafuente de luz. El SP-200 detecta qué cabezal de medición está conectado y cambia automáticamente lasunidades de medida y los archivos de calibración, lo que lo convierte en el espectrorradiómetro más ver-sátil y rentable disponible en el mercado. Su usabilidad se ve reforzada por las características únicas queincluyen un láser de punto blanco interno para mediciones de radiancia que proyecta una imagen circularen el dispositivo bajo prueba. Esto muestra al usuario la región que se va a medir y elimina las molestias deun visor. El SP-200 también tiene la capacidad de ejecutar simultáneamente hasta 16 instrumentos en unasola computadora, lo que permite la captura de muchos puntos de prueba para tareas de alto rendimiento. [40]

Básicamente, se tomaron datos variando intensidad de voltaje en alimentación y distancia, para lograrmayor homogeneidad en los datos obtenidos, a continuación se muestran datos relevantes y gráficos genera-dos por el espectroscopio óptico. El software además de indicarnos la longitud de onda medida, nos muestrala tendencia del color, tornando la curva obtenida del color al cual tiende.

Figura 62: Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 471nm. [36]

Una vez realizado un barrido en frecuencia con la toma de diferentes muestras del color en el espectro deradiación fotosinteticamente activa, se establece la respuesta de la familia de sensores TCS32xx para cadauno de los filtros rojo, verde, azul y sin filtro, con el fin de establecer un modelo matemático que permitadescribir el comportamiento del sensor.

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Figura 63: Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 492nm. [36]

Figura 64: Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 526nm. [36]

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Figura 65: Irradiancia espectral para una composición de color magenta. [36]

Figura 66: Irradiancia espectral para una composición de color naranja a 3120K. [36]

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Figura 67: Irradiancia espectral para una composición de color naranja a 4432K. [36]

Figura 68: Irradiancia espectral con longitud de onda equivalente a 623nm. [36]

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El error cuadrático medio (ECM) del estimador para el sensado mide el promedio de los errores al cuadrado,es decir, la diferencia entre el estimador y lo que se estima. El ECM es una función de riesgo, correspondienteal valor esperado de la pérdida del error al cuadrado o pérdida cuadrática. La diferencia se produce debido ala aleatoriedad o porque el estimador no tiene en cuenta la información que podría producir una estimaciónmás precisa. [41]

Gracias a la toma de datos de los sensores, operando en concurrente con las mediciones del espectrorra-diómetro se logran ajustar constantes para reducir al máximo el ECM, de esa manera la toma de datosque realizan los sensores TCS32xx otorgan mejores resultados, evidentemente apreciables en las sesiones detrabajo con el laboratorio de ensayos eléctricos de la Universidad Nacional.

const int Rc = 100 ; //Responsiv idad r e l a t i v a para cana l s in f i l t r oconst int Rr = 99 ; // Responsiv idad r e l a t i v a para canal con f i l t r o ro jaconst int Rg = 65 ; // Responsiv idad r e l a t i v a para canal con f i l t r o verdeconst int Rb = 70 ; // Responsiv idad r e l a t i v a para canal con f i l t r o a zu l

Dadas las funcionalidades del sistema en general y analizando el proyecto como un proyecto de aplicación,enfocado a la agricultura de precisión, se logran resultados muy valiosos dado que se aprovechan tecnologíasFLOSS(Free-Libre OpenSource Software) y se da pauta para el concepto de ciencia abierta. Claramente dis-poner de datos centralizados y bitácoras asociadas al cuidado de las plantas, teniendo en cuenta el parámetrolumínico como eje central, permitirá a futuro determinar la composición de color con el cual cada genéticavegetal tiene un mayor estimulo fotosintético a través de sus diferentes estadios: germinación, vegetación,floración.

Con este proyecto se logra expandir la información científica y tecnológica experimental a la fecha sobrela Radiación Fotosintéticamente Activa (radiación integrada del rango de longitudes de onda que son capa-ces de producir actividad fotosintética en las plantas y otros organismos fotosintéticos como microalgas ybacterias), el uso del sistema puede emplearse para el propósito especifico de otros investigadores y puede serclonable directamente en el repositorio: https://github.com/RadiationPAR/interfazProcessingRGBW

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11. Conclusiones

Seleccionar las herramientas adecuadas para todo de desarrollo de software y hardware visualizandorequerimientos y escalabilidad de un producto final conlleva a la disminución de complejidad.

Concebir como buena practica en programación un esquema MVC(modelo, vista, controlador) al mo-mento de desarrollar software permite que la integración de nuevas funcionalidades y cambios de lasexistentes sean mucho más fáciles de realizar, de lo contrario y con la evolución del programa se puedehacer engorroso depurar los errores de compilación.

Es relevante considerar parámetros como la velocidad de conmutación, resistencia a compuerta y efectosparásitos asociados al dispositivo Mosfet, en el momento de realizar diseños de circuitos que garanticenun adecuado control de potencia en la carga, de lo contrario se pueden presentar efectos visibles comopor ejemplo el parpadeo en la luz.

Implementar un mecanismo para la generacion de señales de control PWM por software le permitea la raspberry pi y al sistema en general la funcionalidad de controlar no solo un arreglo de LED’ssino multiples arreglos dado que se tiene la posibilidad de implementar todos los pines GPIO para talpropósito.

Tener en cuenta un sobredimensionamiento en potencia no menor al 20% para cada uno de los elementosinmersos en los circuitos de potencia aporta a que los dispositivos no excedan sus capacidades térmicasy a su vez su operabilidad no se vea afectada.

Contemplar dispositivos electrónicos para el sensado de variables con curvas características de altaselectividad y menor desviación estándar permite otorgar al sistema mayor precisión en los datos.

Es relevante, destacar el uso y comprensión de los diferentes espacios del color para estudiar adecuada-mente el posible el efecto que puede llegar a tener ciertas composiciones de luz no solo en las plantas,sino en cualquier otro organismo fotosintético; físicamente los colores no existen, evocan a señales deenergía con características bien definidas, no obstante resulta curioso notar que el color Magenta, notiene asociada una longitud de onda fundamental a diferencia de otras composiciones primarias comolos son el amarillo y el cian; para este caso en particular se hace necesario comprenderle en otrosespacios del color, preferiblemente en el CIE XYZ.

Implementar tecnologías análogas como lentes, permite valiosas prestaciones como lo son concentrarla radiación corrigiendo el desplazamiento angular propio del LED LZP-00H100, proporcionar homo-geneidad en la zona a irradiar y elevar la cantidad de lúmenes proporcionados por el LED.

El diseño de una coraza hexagonal modular que emplea principios físicos como la concavidad y laconvexidad le permite a la luminaria un mejor aprovechamiento de la luz, adicionalmente haber con-templado, orificios en vista superior, permite contribuir al flujo de aire al interior de la luminaria queen conclusión aporta a las condiciones térmicas adecuadas que garantizan la vida útil de tecnologíasLED empleadas.

Consumir los servicios de la red LoRa aporta al sistema valiosas prestaciones como lo son el envió dedatos wirless sin incurrir en gastos dado que emplea banda libre para su transmisión, el almacena-miento, la centralización y seguridad de la información, adicionalmente le permite al usuario final lavisualización de métricas en tiempo real, características de un sistema IoT robusto.

El sistema en general esta en capacidad de permitirle al usuario final el control total de la potencia airradiar en cada uno de los controladores de luz, adicionalmente le permite crear archivos a modo debitácora que alojan comentarios sobre el cuidado de las plantas asignando como parámetros relevantesla fecha, hora y composición del color al realizar una nueva anotación.

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12. Referencias

Referencias

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