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Tecnológico De Estudios Superiores De Ecatepec División Ingeniería En Sistemas Computacionales Profesor: Dr. Adolfo Meléndez Ramírez Materia: Fundamentos de Telecomunicaciones Integrantes Del Equipo: Grupo: 5501 Proyecto: CANSAT: Nano Satélite y Uso De Sensor De Temperatura y Humedad Fecha de Entrega: 26 de Octubre 2016

Índice

I Introducción II Objetivo III Marco Teórico III.1 ¿Qué es CANSAT? III.1.1.- Tipos de CANSAT III.2 ¿Qué es el protocolo ZigBee? III.2.1.- Características del Protocolo ZigBee

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III.3 ¿Qué es Xbee? III.3.1.- Elementos de una Red Xbee III.3.2.- Características III.4 ¿Qué es Arduino? III.5 Sensor DHT11 III.5.1.- Características del Sensor IV Desarrollo del Proyecto IV.1.- Materiales V Anexos VI Conclusiones VII Referencias

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I.- Introducción Descrito en este documento se hace presente el desarrollo práctico y técnico de la fabricación de un Cansat, desde los materiales, hasta las pruebas de funcionamiento. Cabe resaltar que se hace utilización de componentes que trabajan en conjunto con arquitecturas ARM como lo son algunos sensores, emisores y receptores, en este caso denominados como Xbee, entre otros componentes. Algunos de los desafíos que se presentan durante el proceso de desarrollo son por ejemplo   

La discusión de posibles diseños y de elementos mecánicos y artísticos que puedan integrarlo. Plantear una solución para mantenerlo con estabilidad a una altura considerable, Comprender el funcionamiento de las antenas y sensores también del monitoreo de la emisión y recepción de datos a través de señales analógicas y digitales.

Se mostrara el procedimiento adecuado de fabricación, desde el hardware hasta el software, haciendo utilización del entorno de Arduino para programar la funcionalidad de Xbee y de MatLab para graficar muestras obtenidas por los sensores de manera inalámbrica.

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Se mostraran los resultados obtenidos después de su construcción, que evidencien que la información proporcionada en este documento es la más prudente para su elaboración.

II.- Objetivo El alumno desarrollará nuevas habilidades al aprender nuevos conceptos de un dispositivo CANSAT para así llevarlos a la práctica, implementando un sistema de adquisición de datos a larga distancia, esto con el fin de obtener datos de temperatura y humedad del medio ambiente y así graficarlos para hacer una mejor interpretación sobre los mismos.

III.- Marco Teórico III.1.- ¿Qué es CANSAT (can - “lata” | sat - elite)? Un CANSAT se puede definir como un nano satélite del tamaño de una lata de refresco que es de fácil armado y de fácil lanzamiento. Estos

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aparatos normalmente deben ser completamente autónomos y pueden recibir o transmitir datos. III.1.1.- Tipos de CANSAT 

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Telemetry Es aquel CanSat cuyo objetivo principal es recoger y transmitir datos del vuelo y de condiciones meteorológicas en tiempo real para ser procesados por una estación de tierra. ComeBack La principal misión de éstos es aterrizar de forma controlada lo más cerca posible de una diana marcada por coordenadas GPS. Estos aparatos pueden guiarse por una posición conocida a través de un sistema de posicionamiento por satélite (GPS) o por un sistema de navegación inercial (INS). Openclass La mayoría de CanSat que se presentan en esta categoría son robots en fase experimental o pruebas de sistemas nuevos respecto a otros diseños y que aún no han sido probados. CanSat’s con alas o rotores Este tipo de aparatos son mucho más complejos de gobernar y requieren un sistema electrónico capaz de realizar muchas más correcciones por segundo debido a su mayor velocidad de descenso. CanSat’s con paracaídas o parapentes Estos aparatos son difíciles de gobernar con viento debido a la generalmente baja velocidad de descenso y a la gran superficie sustentadora que llevan incorporada.

III.2.- ¿Qué es el protocolo ZigBee? ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas diseñado por la ZigBee Alliance. Es un conjunto estandarizado de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante. ZigBee está basado en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (Wireless Personal Area Network, WPAN) y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. III.2.1.- Características del Protocolo ZigBee. 



ZigBee, también conocido como "HomeRF Lite", es una tecnología inalámbrica con velocidades comprendidas entre 20 kB/s y 250 kB/s. Los rangos de alcance son de 10 m a 75 m.

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Puede usar las bandas libres ISM (6) de 2,4 GHz (Mundial), 868 MHz (Europa) y 915 MHz (EEUU). La fabricación de un transmisor ZigBee consta de menos circuitos analógicos de los que se necesitan habitualmente. Diferentes tipos de topologías como estrella, punto a punto, malla, árbol. Acceso de canal mediante CSMA/CA (7) (acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones). Escalabilidad de red. Fragmentación Agilidad de frecuencia Gestión automatizada de direcciones de dispositivos Localización grupal Puesta de servicio inalámbrico Recolección centralizada de datos

III.3.- ¿Qué es XBEE? Los Xbee trabajan en la región de radiofrecuencia del espectro electromagnético. Las ondas de radio al chocar con un conductor, como un objeto metálico, inducen una corriente eléctrica. Por este motivo se pueden emplear antenas metálicas para la transducción de señales eléctricas que las computadoras pueden detectar y procesar.

III.3.1.- Elementos de una red de Xbee.  

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Coordinador: Es el responsable de mantener la red. Solo puede haber uno por red. Este es el que está enviando datos al Router. Router: Este es el que recibe los datos obtenidos por el Coordinador, si se quiere algo más preciso se aplica un programa para graficar esos datos que se están recibiendo. Xbee Shield: Para poder montar un Xbee en un Arduino

Xbee PRO S2B

Xbee Shield para Arduino

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III.3.2.- Características del Xbee PRO S2B            

3.3V @ 295mA 250kbps Max de memoria 63mW output (+17dBm) (1600m) de rango RPSMA conector Fully FCC certificado 6 10-bit ADC input pins 8 digitales IO pins 128-bit encriptación Local o over-air configuración AT o API comando Antena Externa Requerida

III.4.- ¿Qué es Arduino? Arduino es una plataforma de hardware de código abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación Processing. Es un dispositivo que conecta el mundo físico con el mundo virtual, o el mundo analógico con el digital.

 Arduino UNO

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 Microcontrolador: ATmega328  Voltage de funcionamiento: 5 V  Pines I/O digitales: 14 (de los cuales 6 proveen salida PWM)  Pines de entradas análogas: 6  Corrientes DC por cada pin I/O: 40 mA  Corrientes DC en el pin de 3.3 V: 50 mA  Memoria Flash: 32 KB (ATmega328) de los cuales 0.5 KB son utilizados por el bootloader  SRAM: 2 KB (ATmega328)  EEPROM: 1 KB (ATmega328)  Velocidad de reloj: 16 MHz

III.5.- Sensor De Temperatura y Humedad DHT11 El DHT11 es un sensor de temperatura y humedad que utiliza un sensor capacitivo de humedad y un termistor para medir el aire circundante, y muestra los datos mediante una señal digital en el pin de datos (no hay pines de entrada analógica).

III.5.1.- Características        

Alimentación: 3Vdc ≤ Vcc ≤ 5Vdc Rango de medición de temperatura: 0 a 50 °C Precisión de medición de temperatura: ±2.0 °C. Resolución Temperatura: 0.1°C Rango de medición de humedad: 20% a 90% RH. Precisión de medición de humedad: 4% RH. Resolución Humedad: 1% RH Tiempo de censado: 1 seg.

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IV.- Desarrollo del proyecto IV.1.- Materiales: 2 Arduinos UNO 2 Xbee PRO S2B 2 Adaptadores de Xbee para Arduino (Shield) 2 Protoboards Antenas de WIFI 1 Pila de 5V 1 Led Jumpers (cables para la conexión) 1 sensor de Temperatura y Humedad DHT11 1 Zumbador MatLab (para graficar los datos) Entorno de Arduino (programación del sketch a enviar al Arduino) Una lata de aluminio Una vez que ya se cuenta con todos estos materiales, procederemos a realizar el desarrollo del proyecto.

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Lo primero que se tiene que realizar es limpiar la memoria EEPROM de los arduinos, ya que si fueron utilizados anteriormente estos se quedan con la programación anterior. Para saber si la memoria se liberó se colocara un led en la salida 13, cuando esta prenda significara que el proceso de limpieza ha sido ejecutado correctamente.

Una vez realizada la limpieza de los arduinos procederemos a colocar nuestros Xbee sobre el Shield y a su vez estos sobre el Arduino. Y

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procederemos a abrir el programa que lleva por nombre XCTU.

Conectamos nuestros Xbee por medio del Arduino a la computadora y daremos clic en el icono del Xbee con la lupa en el lado superior izquierdo, esto para que el programa reconozca en automático cuales Xbee están conectados.

Aparecerá esta pantalla y ahí le indicaremos en que puerto COM están conectados nuestros Xbee.

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Nos mostrara esta ventana y aquí es vital que no cambiemos nada puesto que esto ya viene por default en nuestros Xbee, damos Finish.

Empezará a buscar y nos mostrara esta ventana, por default el programa nos colocara un Router (receptor de datos) y un Coordinador (emisor de datos)

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Ahora procederemos a configurar cada uno de ellos. En esta pantalla a nuestro Coordinador le asignaremos una PANID.

En la parte de Addressing en Destination Address High vamos a colocar lo mismo del Serial Number High y en Destination Address Low vamos a colocar lo mismo del Serial Number Low, estos son los datos del Xbee Router.

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Ya terminado esto daremos clic en el botón del lápiz o bien en Write.

Y haremos los mismos pasos pero ahora para el Router.

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Después vamos a realizar una prueba de que realmente ya se entienden entre ellos dos, así que iremos a la parte superior derecha y daremos clic en el icono del monitor. Y daremos clic en el botón de Open the Serial connection with the radio module.

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En la parte de la Console Log escribiremos un mensaje desde el coordinador.

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Aquí vemos que se entienden perfectamente.

Una vez que nuestros Xbee se lograron comunicar entre ellos, procederemos a realizar la creación de nuestro sketch que hará la

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recopilación de los datos del sensor. Así que abrimos el entorno de Arduino y ejecutamos el siguiente código. Este código se lo mandamos al Arduino que enviará datos (XbeeCoordinador)

Y este otro código se lo cargamos al Arduino que recibirá los datos, solo hay que ver que puerto COM corresponde a cada Arduino.

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Una vez creado esto vamos a realizar pruebas de conexión.

Aquí ya nos muestra datos de temperatura y humedad del medio ambiente.

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Ahora vamos a realizar la gráfica en el entorno de MatLab.

Aquí en esta parte del código estamos indicando que abra el puerto serial del Arduino que está fungiendo como Router para obtener los datos que está recibiendo y así poder graficarlos.

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Este código lo que va a estar realizando es cada que el puerto se abra obtiene datos, los gráfica y cierra el puerto, algo así como “abre” “obtiene” “cierra” y así varias veces.

Ya cuando ejecutemos nuestro código nos aparece la siguiente gráfica. Los datos de arriba son de Temperatura y los datos inferiores son de la

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humedad

que

existe

en

ese

momento.

V.- Anexos (Fotografías durante el desarrollo del proyecto).

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VI.- Conclusión General En el desarrollo de este proyecto, en un principio se comenzó con un sentimiento de emoción debido a que es la primera vez para todos que hacemos uso de otras tecnologías como en este caso que se implementó un nano satélite que es el CANSAT, un dispositivo que solo se conocía el nombre más sin embargo nunca se había ejecutado, es necesario comentar que no fue una tarea sencilla de realizar pues se tuvo que investigar cómo es que se conectan los Xbee y también investigar que componentes o materiales se necesitan, pero como equipo compartimos el mismo pensar sobre el aprendizaje, nos emociona aprender cosas nuevas semestre con semestre y este semestre no fue la excepción; pues bien luego de unas horas de análisis y pruebas se logró comprender el comportamiento y la estructura que se debe de manejar, lo que fue un punto de ayuda fue que se tiene un buen conocimiento y manejo en lo que son circuitos digitales motivo por el cual no fue de gran complejidad el armado del circuito que en este caso fue la conexión del Xbee con el Arduino y estos a su vez con el sensor de Temperatura y

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Humedad. Algo que nos desconcertaba un poco es la manera en cómo íbamos a elevar nuestro satélite, la primera idea fue hacer uso de un Dron pero a veces por falta de recursos no se pudo conseguir o bien compara las piezas para armarlo así que optamos por utilizar globos con Helio para elevarlo. Afortunadamente se obtuvo un resultado satisfactorio para todos, pues obtuvimos datos reales y en tiempo real, el circuito funciona adecuadamente y se hizo cumplimiento del objetivo.

Conclusiones Individuales En el desarrollo del proyecto que se presenta en esta documentación “CanSat” fue un parteaguas para mi conocimiento dentro de las Telecomunicaciones, debido a que lo que pretende este sistema es emular a una menor escala el funcionamiento de un satélite, que se encargara de adquirir datos de un sensor con señales digitales, para posteriormente transmitirlas con ayuda de una antena de forma inalámbrica a un receptor que se encargara de recibir los datos y graficarlos, la elaboración de un sistema DAS anteriormente fue indispensable para lograr este sistema, el conocimiento es progresivo y el uso de radiofrecuencias canales y protocolos de comunicación son indispensables la transmisión de datos, teniendo en claro los id del transmisor y del receptor cumpliendo el ciclo de comunicación del proyecto. (Caballero Olvera Miguel Ángel) Desde un punto de vista personal puedo mencionar que realizar este proyecto si fue un poco difícil ya que en el ámbito de buscar información sobre cómo hacer la conexión de los Xbee no fue sencillo de hallar ya que había paginas o había información que no fue de mucha utilidad, la verdad es emocionante trabajar con este tipo de proyectos ya que nos enfrentamos a nuevos proyectos, así como también hace que nuestro cerebro trabaje y nos haga reflexionar sobre qué sistema de datos se va a implementar y que es lo que se va a graficar. Creo que si esto se continúa y no se queda estancado o solo como un proyecto más creo que podemos realizar cosas nuevas que se pueda aplicar en algún caso de la vida real. (Campos Tiburcio Belen)

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Realizar este proyecto me permitió conocer el funcionamiento adecuado de un sistema inalámbrico que transmite información y que además implementa un sistema de adquisición de datos, utilizar nuevamente plataformas ARM nos llevó al camino adecuado del éxito en cuento a el desarrollo del proyecto, pienso que es indispensable todo este conocimiento adquirido para posteriores proyectos, nos involucró en temas afines a conectividad vía inalámbrica y también nos permitió trabajar con algunos otros componentes como los Xbee que actuaban como emisores y receptores de datos atravesó del aire mediante ondas (Fabián Herrera Edgar Eduardo) Gracias al proyecto realizado comprendimos e implementamos el uso del CANSAT, dicho elemento consiste en la transferencia de datos a distancia, en otras palabras la realización de un nano satélite. Para ello necesitamos haber entendido con claridad el proyecto anterior que llevo por nombre DAS, ya que se utilizaran los mismo fundamentos de medición por medio de un censor, solo que a diferencia del anterior la adquisición de datos esta vez será a distancia. (Martínez Flores Gabriel) En la realización de este proyecto, en un punto personal tuvo un grado de dificultad elevado, ya que sinceramente no se tiene mucho conocimiento, ni habilidades en lo que a telecomunicaciones se refiere, cabe mencionar que no fue una tarea sencilla de realizar ya que en internet la mayoría de la información que se encuentra sobre el proyecto no se le pude confirmar como fiable, pues bien, el proyecto se llama CANSAT que en palabras sencillas es un pequeño satélite que tiene la capacidad de capturar datos y enviarlos inalámbricamente hacia un dispositivo receptor; nunca nos imaginamos que no es necesario construir maquinaria muy grande para cumplir el objetivo que tiene un satélite artificial, este tipo de proyectos es una gran oportunidad para entrar un poco a temas aeroespaciales así como el de las telecomunicaciones, dando una opinión personal, este fue un gran proyecto, pues nos permitió explorar todo el conocimiento que se adquirió sobre los DAS, solo que en esta ocasión este DAS fue implementado en un dispositivo que no necesita de un medio de transmisión físico para trabajar y funcionar a la perfección. (Salas Cárdenas Luis Mario)

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Con este proyecto realizado me dio la oportunidad de ampliar mis conocimientos sobre el uso de un CANSAT o sistema te adquisición de datos a larga distancia en base a protocolos ya que gracias a esto pudimos obtener datos de una señal analógica de temperatura la cual nos indica la humedad que hay en el medio ambiente. La realización de este proyecto fue muy interesante y satisfactoria ya que gracias a esto supe manejar nuevos elementos como es Arduino, MatLab, Xbee y la utilización de los sensores de temperatura la cual nos permitirá obtener datos de la señal analógica para poder graficar y a la ves arrojar estadísticas de una mejor lectura haciendo posible comprender mejor la lectura en nuestro programa de MatLab, tuvimos varias fallas pero al final logramos el objetivo del proyecto y esperamos llevar lo a una utilización más útil en la sociedad. (Trujillo Caballero Erik)

VII.- Referencias 1. 2. 3. 4.

5. 6. 7. 8.

http://agelectronica.com/ag_tecnologias/tecnologia_1.php https://forum.arduino.cc/index.php?topic=376761.0 https://www.youtube.com/watch?v=eTUqYF3mgWM http://postgrado.info.unlp.edu.ar/Carreras/Especializaciones /Redes_y_Seguridad/Trabajos_Finales/Dignanni_Jorge_Pablo. pdf http://forum.arduino.cc/index.php?topic=307175.0 https://mecatronicauaslp.wordpress.com/2013/07/04/tutori al-xbee-parte-2-configuracion-xbee-serie-2/ https://mecatronicauaslp.wordpress.com/2013/07/14/tutori al-xbee-parte-4-xbee-arduino-softwareserial/ http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm

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9. https://learn.sparkfun.com/tutorials/exploring-xbees-andxctu/configuring-networks 10. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/EEPROMClear 11. https://mecatronicauaslp.wordpress.com/2013/07/14/tutori al-xbee-parte-4-xbee-arduino-softwareserial/ 12. https://mecatronicauaslp.wordpress.com/2013/07/04/tutori al-xbee-parte-2-configuracion-xbee-serie-2/ 13. https://www.youtube.com/watch?v=ypAL-gaybr4 14. https://www.youtube.com/watch?v=S0WTsiocpIs 15. http://xbee.cl/xbee-serie-2-configuracion/ 16. https://www.youtube.com/watch?v=rBj-bv3fZ3g 17. https://www.digi.com/hottag?ht=/xctu-windows 18. https://geekytheory.com/tutorial-arduino-comenzando-conxbee/ 19. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SoftwareSerialExample 20. https://www.youtube.com/watch?v=3_I975CsfN4 21. https://www.youtube.com/watch?v=oGPGIaicfAA 22. http://embedded-electronics.blogspot.mx/2014/11/dht11interfacing-with-matlab-and.html 23. http://www.prometec.net/sensores-dht11/ 24. https://www.mathworks.com/help/matlab/ref/str2num.html 25. http://www.centroculturadigital.mx/es/actividad/taller-decansat-satelites-de-lata.html 26. http://electronilab.co/tienda/sensor-de-temperatura-yhumedad-dht11/ 27. https://es.wikipedia.org/wiki/Cansat 28. https://es.wikipedia.org/wiki/Cansat#Tipos_de_CanSat 29. https://mecatronicauaslp.wordpress.com/2013/07/04/xbee -parte-1-que-es-un-xbee-y-que-es-necesario/ 30. http://xbee.cl/xbee-pro-63mw-rpsma/