Fase 1. Calibrado de sensores

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:

1. Usa IO trigger durante al menos 10 microsegundos de señal a nivel alto.
2. El módulo automáticamente manda ocho señales a 40KHz y detecta si hay algún pulso de la señal de vuelta.
3. 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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265

//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; }