En esta fase del proyecto se va a proceder a calibrar los
sensores seleccionados para poder detectar si existe un coche en la plaza de garaje
o no. En esta ocasión se ha seleccionado una fotorresistencia y un sensor ultrasónico
para tener más variedad de detección e intentar evitar falsos positivos.
Una fotorresistencia es un componente eléctrico cuya
resistencia disminuye con el aumento de la intensidad de la luz. Es decir,
cuando apenas incide luz ofrece una resistencia de varios mega ohmios y en el
caso contrario la resistencia es de unos 50 ohmios, dependiendo del modelo. Para
poder hacer una medición y posterior calibrado se ha creado un divisor de
tensión. De esta forma se pueden medir la caída de tensión que ofrece la fotorresistencia
y usando varios niveles de luminosidad crear una tabla con la que poder hacer
el calibrado. Los elementos usados para realizar esta medición han sido:
- Fotorresistencia modelo gl55
- Resistencia de 10 kilo ohmios
- Arduino Leonardo
- Cables macho-macho y macho-hembra
- Tablet con un programa que mide lúmenes (Para
tener una referencia)
Los valores recogidos se pueden ver en la siguiente imagen:
Donde
el primer valor, el voltaje, es el valor que leía el arduino y el segundo, los
lúmenes, la intensidad de luz que recibía el fotorresistor. Como se puede
apreciar la curva que representa este sensor no es lineal, pero si se acude al
datasheet del fotorresistor se puede apreciar que aplicando logaritmos la curva
se hace lineal. En este caso se va a proceder a actuar como si no se conociera
este dato y para poder calibrar el sensor se va a usar una tabla look-up. El procedimiento consiste en buscar una zona
de la curva lo más lineal posible y poner esos valores en una tabla. Cuando se
mida un nuevo valor se buscará el primer valor que lo sobrepase y el siguiente
a este usando para ello los valores de la tabla en amarillo, que son los que se
corresponden a los valores más lineales y se usará la siguiente función para
devolver el valor:
Donde
los valores se corresponden con lo siguiente:
- y0 es el valor del offset, que en este caso es 40
- x es el valor medido
- x0 es el valor anterior al medido
- x1 es el valor siguiente al medido
- y0 e y1 son el valor correspondiente a la salida en la tabla
- yx es el valor de salida
De
esta forma se obtendría el valor aproximado de la entrada recibida.
En
el caso del sensor ultrasónico, éste se ha utilizado para medir la distancia,
se trata del típico sensor ultrasónico HC-SR04.
Como se puede observar en el datasheet (http://e-radionica.com/productdata/HCSR04.pdf),
el principio básico de trabajo es el siguiente:
- Usa IO trigger durante al menos 10 microsegundos de señal a nivel alto.
- El módulo automáticamente manda ocho señales a 40KHz y detecta si hay algún
pulso de la señal de vuelta.
- El tiempo de salida a nivel alto es el tiempo de mandar el ultrasonido y
volver.
Según
el fabricante la ecuación necesaria para la identificación de la distancia es
la siguiente:
- Distancia = (Tiempo en nivel alto x velocidad del sonido (340m/s))/2
De
donde se puede obtener que:
- Distancia (cm) = microsegundos tomados / 58
Una
vez comenzado el calibrado podemos observar como los valores obtenidos oscilan
en comparación de los apreciados en el datasheet. El rango real obtenido se
encuentra entre los 3 cm y apróximadamente los 4 m. Al realizar dos
comprobaciones para obtener una gráfica lineal, asumiendo que el comportamiento
será lineal, se obtiene lo siguiente:
·
Distancia real= 30cm distancia
sensor = 27cm
·
Distancia real 20 cm distancia
sensor 18 cm
Como
se puede apreciar en la gráfica superior, se encuentra un offset de
aproximadamente +2 cm.
Una
vez obtenida esta información, se procede al cálculo de la media, mediana y
moda. La elección se hará tomando la
famosa "Regla del pulgar" que se puede ver en la siguiente imagen:
Teniendo
en cuenta que los datos no son categorías, todos los datos no son de interés ya
que en ciertas ocasiones por a naturaleza del sensor es posible recoger valores
erróneos y que no se trata de una distribución muy sesgada. Se debería hacer un
uso de la media para la calibración del sensor. El uso de la media sin más,
puede acarrear una serie de problemas ya que al ser una distancia relativamente
pequeña, una medición errónea en la calibración puede suponer el no correcto
funcionamiento del sistema completo. Como la definición del problema es bien
conocida, se puede hacer uso de la media móvil para evitar valores no deseados,
tal como describe el siguiente diagrama:
Consiguiendo
de este modo unos resultados más acordes con la realidad, evitado de este modo
problemas con las mediciones en la calibración.
El diagrama final del arduino quedaría de la siguiente forma:
Y el código correspondiente será el siguiente:
También se puede consultar en el git correspondiente:
https://github.com/iiotUHU/iiot/blob/master/calibracion.ino
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| //variables donde se almacenan la distancia en cm y el tiempo en us
long distancia;
long tiempo;
//definicion de las constantes utilizadas
const int echo=6; //pin de arduino donde se conecta echo
const int trigger=7;// pin de arduino donde se conecta trigger
const int offsetultra=2; // offset calculado de forma manual
const int NMEDIDAS=10; //numero de medidas para la calibracion
const int NMODAS=400;//numero de medidas posibles en la calibracion
const int maxmediamovil=17;//valor maximo correcto para el ultrasonido (media movil)
const int minmediamovil=9;//valor minimo correcto para el ultrasonido (media movil)
const int ESCENARIOSCALIBRAR=5; //numero de escenarios para calibrar
const char escenarios [ESCENARIOSCALIBRAR][6]={"VACIO","CORTO","LARGO","ALTO","BAJO"}; //nombre de los escenarios a calibrar
int mediasfoto[ESCENARIOSCALIBRAR];
int mediasultra[ESCENARIOSCALIBRAR];
// estructuras para la media movil para ultrasonido
int mediamovilultra=0;
int nmediamovilultra=0;
int medidas [NMEDIDAS];//arreglo para calcular media y mediana
int media;
int valoresmoda[NMODAS]; //ya que los valores se encuentran entre 2 y 400, cada vez que se mida se inserta en este arreglo y al final en el procesamiento, se comprueba la moda.
int moda;
//Para el LDR
const int foto1=A0;//pin para la medicion del LDR
const int fotooffset=40; //offset calculado experimentalmente para el LDR
const int NUMVALORESFOTO=8;
int valorfoto=0;
//creacion de la tabla look-up insertando los valores experimentales
int tablalu[NUMVALORESFOTO][2]={{306,423},{362,473},{471,491},{578,595},{647,611},{1033,656},{1303,699},{1343,719}};
void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(trigger, OUTPUT); /*activación del pin 9 como salida: para el pulso ultrasónico*/
pinMode(echo, INPUT); /*activación del pin 8 como entrada: tiempo del rebote del ultrasonido*/
}
void loop(){
int mediafoto;
int mediaultra;
int opcion;
for(int i=0;i<ESCENARIOSCALIBRAR;i++)
{
while (Serial.read() !='0') {
Serial.println("INTRODUZCA 0 PARA CONTINUAR");
}
Serial.println(escenarios[i]);
Serial.println("calibrando LDR");
mediasfoto[i]=calibraLDR();
Serial.println("calibrando ULTRA");
mediasultra[i]=calibraUltrasonico();
}
break;
}
delay(500);
}
int valorLookUp(int entrada){
int resultado=0;
int valorfiltrado=0;
if(entrada<tablalu[0][1] || entrada>tablalu[NUMVALORESFOTO-1][1]){
entrada=constrain(entrada,tablalu[0][1],tablalu[NUMVALORESFOTO-1][1]);
if(entrada==tablalu[0][1]){
resultado=tablalu[0][0];
}else{
resultado= tablalu[NUMVALORESFOTO-1][0];
}
}else{
//La calibracion se realiza a traves de una regresion por cuadrados minimos.
int i=0;
boolean encontrado=false;
while(i+1<NUMVALORESFOTO && !encontrado){
if(tablalu[i+1]>=entrada)
{
float x=entrada;
float x0=tablalu[i][1];
float x1=tablalu[i+1][1];
float y0=tablalu[i][0];
float y1=tablalu[i+1][0];
encontrado=true;
resultado= y0+(((x-x0)/(x1-x0))*(y1-y0));
}
i++;
}
}
return resultado;
}
int calibraLDR(){
//inicializacion de media,mediana y moda al comenzar el ciclo de medicion.
media=0;
for(int i=0;i<NMEDIDAS;i++)
{
medidas[i]=0;
}
//comienzo del ciclo de medicion
for(int i=0;i<NMEDIDAS;i++)
{
valorfoto=analogRead(foto1);
int valor=valorLookUp(valorfoto);
media+=valor;
//insertamos de forma ordenada
int j=0;
int k;
while( j<i && valor<medidas[j] ){
j++;
};
if(j==i){
medidas[j]=valor;
}else{
k=i;
while(k>=j){
medidas[k]=medidas[k-1];
k--;
}
medidas[j]=valor;
}
delay(5000);
}
Serial.println();
Serial.print("MEDIANA: distancia ");
Serial.print(medidas[NMEDIDAS/2]);
Serial.println(" lux");
Serial.print("MEDIA: distancia ");
int resultado=media/NMEDIDAS;
Serial.print(resultado);
Serial.println(" lux");
return resultado;
}
int calibraUltrasonico(){
//inicializacion de media,mediana y moda al comenzar el ciclo de medicion.
media=0;
//moda=0;
for(int i=0;i<NMODAS;i++)
{
valoresmoda[i]=0;
}
for(int i=0;i<NMEDIDAS;i++)
{
medidas[i]=0;
}
//comienzo del ciclo de medicion
for(int i=0;i<NMEDIDAS;i++)
{
digitalWrite(trigger,LOW); /* se estabiliza el sensor*/
delayMicroseconds(10);// ya que tarda segun las especificaciones unos 10us en pasar de un estado al otro
digitalWrite(trigger, HIGH); /* envío del pulso ultrasónico*/
delayMicroseconds(10); // ya que tarda segun las especificaciones unos 10us en pasar de un estado al otro
tiempo=pulseIn(echo, HIGH); /* Función para medir la longitud del pulso entrante. Mide el tiempo que transcurrido entre el envío
del pulso ultrasónico y cuando el sensor recibe el rebote, es decir: desde que el pin 12 empieza a recibir el rebote, HIGH, hasta que
deja de hacerlo, LOW, la longitud del pulso entrante*/
distancia= ((int(tiempo/58))+offsetultra);//distancia= int(0.017*tiempo); /*fórmula para calcular la distancia obteniendo un valor entero se trata de una aproximacin de us/58*/
//definimos que se encuentre dentro del rango establecido
distancia=constrain(distancia,3,400);
//vamos preparando la media
//Serial.println(distancia);
media+=distancia;
//Se adquieren los datos para una media movil simplificada
if(minmediamovil>distancia && distancia<maxmediamovil){
mediamovilultra=mediamovilultra+distancia;
nmediamovilultra=nmediamovilultra+1;
}
int mediamovilultra[ESCENARIOSCALIBRAR];
//preparamos la moda
valoresmoda[distancia]++;
//insertamos de forma ordenada
int j=0;
int k;
while( j<i && distancia<medidas[j] ){
j++;
};
if(j==i){
medidas[j]=distancia;
}else{
k=i;
while(k>=j){
medidas[k]=medidas[k-1];
k--;
}
medidas[j]=distancia;
}
delay(50);
}
moda=0;
valoresmoda[0]=1;
for(int i=0;i<NMODAS;i++){
if(valoresmoda[i]>moda){
moda=i;
}
}
Serial.println();
Serial.print("MEDIANA: distancia ");
Serial.print(medidas[NMEDIDAS/2]);
Serial.println(" cm");
Serial.print("MEDIA: distancia ");
int resultado=media/NMEDIDAS;
Serial.print(resultado);
Serial.println(" cm");
Serial.print("MEDIA MOVIL: distancia ");
resultado=mediamovilultra/nmediamovilultra;
Serial.print(resultado);
Serial.println(" cm");
Serial.print("MODA: distancia ");
Serial.print(moda);
Serial.println(" cm");
return resultado;
}
|
