Archivo de la categoría: Hardware

Ingenieros desarrollan un tentáculo robótico magnético que puede pasar por los estrechos conductos del pulmón

Ingenieros y científicos han desarrollado un prototipo de robot que puede llegar a algunos de los conductos bronquiales más estrechos de los pulmones para tomar muestras de tejido o administrar terapia contra el cáncer.


Este tentáculo robótico magnético mide solo 2 milímetros de diámetro. Se utilizarán imanes en el exterior del paciente para guiar el robot a su lugar.

El dispositivo ha sido desarrollado por un equipo de ingenieros, científicos y médicos con sede en el Laboratorio STORM de la Universidad de Leeds, que es pionero en el uso de sistemas robóticos para ayudar en los procedimientos de endoscopia y catéter, en los que se inserta un tubo fino en el cuerpo.

Los investigadores han publicado su desarrollo en la revista Soft Robotics.

La prueba del prototipo se basó en pruebas de laboratorio en la que se utilizó una réplica tridimensional de un árbol bronquial, modelado a partir de datos anatómicos. La próxima fase de la investigación investigará la efectividad del dispositivo para navegar por los pulmones de un cadáver.

Límites de la tecnología existente

Actualmente, los médicos utilizan un instrumento llamado broncoscopio para realizar un examen de los pulmones y las vías respiratorias. El procedimiento consiste en pasar un instrumento basado en un tubo flexible de unos 3,5 a 4 milímetros de diámetro a través de la nariz o la boca hasta los conductos bronquiales. Debido a su tamaño, este broncoscopio solo puede llegar hasta los niveles superiores del árbol bronquial.

Para profundizar en los pulmones, se pasa un catéter o tubo fino —que mide unos 2 milímetros de diámetro— a través del broncoscopio y luego hacia los conductos más estrechos de los pulmones. Pero los médicos tienen limitaciones para operar un broncoscopio con este método, y es difícil lograr la movilidad del instrumento y el catéter hasta donde son necesarios.


Clic en la imagen para ver video

El tentáculo robótico magnético, en cambio, fue desarrollado para ser mucho más maniobrable y utiliza un sistema de guía personalizado para cada procedimiento.

El profesor Pietro Valdastri, director del laboratorio STORM que supervisó la investigación, dijo: “Un robot o catéter tentáculo magnético que mide 2 milímetros y cuya forma se puede controlar con campos magnéticos para adaptarse a la anatomía del árbol bronquial puede llegar a la mayoría de las áreas del pulmón, y sería una herramienta clínica importante en la investigación y el tratamiento de un posible cáncer de pulmón y otras enfermedades pulmonares.

“Nuestro sistema utiliza un sistema de guía magnético autónomo que elimina la necesidad de que los pacientes estén bajo rayos X mientras se realiza el procedimiento”.

Tecnología innovadora

Para desarrollar el sistema robótico, el equipo de investigación tuvo que superar dos grandes desafíos. En primer lugar, tenían que hacer un dispositivo que fuera pequeño, flexible y capaz de navegar por las curvas y torsiones de la anatomía del árbol bronquial.

En segundo lugar, necesitaban un sistema autónomo para guiar hasta su lugar el tentáculo robótico magnético, eliminando la necesidad de que un médico maniobre manualmente un instrumento para colocarlo en su lugar, lo que a menudo implica que el paciente esté expuesto a rayos X y puede ser un desafío técnico para el personal medico.

Robot pequeño y flexible

Para reducir el tamaño del robot manteniendo la capacidad de control del movimiento, los investigadores lo fabricaron a partir de una serie de segmentos cilíndricos interconectados, cada uno de 2 milímetros de diámetro y de poca longitud. Los segmentos fueron hechos de un material elastomérico blando similar al caucho, que impregnaron con pequeñas partículas magnéticas.

Debido a la presencia de partículas magnéticas, los segmentos interconectados pueden moverse con cierta independencia bajo el efecto de un campo magnético externo. El resultado es un tentáculo robótico magnético muy flexible, capaz de cambiar de forma y lo suficientemente pequeño como para evitar trabarse en las estructuras anatómicas de los pulmones.

Sistema de guiado

Se usarían imanes montados en brazos robóticos en el exterior del paciente para guiar el dispositivo hacia los pulmones en un proceso que se haría a la medida de cada procedimiento. La ruta a través del árbol bronquial se planifica a partir de exploraciones preoperatorias de los pulmones de un paciente y se programa en el sistema robótico. A medida que se mueven los imanes fuera del paciente, aplican fuerzas sobre las partículas magnéticas en los segmentos del catéter, lo que hace que cambien de forma o dirección. Esto permite maniobrar el robot a través de los pulmones y al sitio de una lesión sospechosa.

Una vez en la ubicación a la que se deseaba llegar, el robot se usa para tomar una muestra de tejido o administrar un tratamiento.

Puede pasar tiempo antes de que la tecnología de «tentáculos magnéticos» esté disponible en un entorno hospitalario. El laboratorio STORM de la Universidad de Leeds está revolucionando la tecnología utilizada en las investigaciones endoscópicas y de catéteres. Han creado un prototipo de endoscopio de bajo costo , utilizado para investigar el tracto gastrointestinal superior, que podría usarse en países de ingresos bajos a medios donde la falta de acceso a equipos costosos está obstaculizando los programas de detección. La tecnología magnética también es el núcleo de un sistema de colonoscopia robótica que es más fácil de operar para el personal y más cómodo para los pacientes.

El laboratorio STORM es parte del Centro de Investigación del Cáncer de Leeds, que se inauguró a principios de año.
________________________________________
Artículo original: University of Leeds, News Wise, www.newswise.com/articles/engineers-develop-a-magnetic-tentacle-robot-to-pass-into-the-narrow-tubes-of-the-lung

Artículos relacionados:

Con la naturaleza como modelo, BirdBot logra gran eficiencia energética al caminar

Si un Tyrannosaurus Rex -que vivió hace 66 millones de años- presentaba una estructura de patas similar a la de un avestruz que hoy corre por la sabana, entonces podemos suponer que las patas de las aves resistieron la prueba del tiempo, lo que es un buen ejemplo de selección evolutiva.

Graciosas, elegantes, poderosas: la forma de caminar y correr de las aves no voladoras como el avestruz es una maravilla mecánica. Los avestruces, algunos de los cuales pesan más de 100 kg, corren por la sabana a una velocidad de hasta 55 km/h. Se cree que el excelente desempeño locomotor del avestruz es posible gracias a la estructura de las patas del animal. A diferencia de los humanos, cuando las aves doblan las patas hacia atrás levantan las patas hacia el cuerpo.

¿Por qué los animales hacen esto? ¿Por qué este patrón de movimiento del pie es energéticamente eficiente para caminar y correr? ¿Y se puede transferir la estructura de las patas del ave con todos sus huesos, músculos y tendones a robots caminadores?


Alexander Badri-Spröwitz ha dedicado más de cinco años a este tema. En el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS), dirige el https://dlg.is.mpg.de/ Grupo de Locomoción Dinámica. Su equipo trabaja en la interfaz entre biología y robótica en el campo de la biomecánica y el neurocontrol. El foco principal del grupo es la locomoción dinámica en animales y robots.

Junto con su estudiante de doctorado Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz ha construido una pata de robot que, al igual que su modelo natural, es energéticamente eficiente: BirdBot necesita menos motores que otras máquinas y, en teoría, podría ser escalado a un gran tamaño. Badri-Spröwitz, Aghamaleki Sarvestani, el especialista en robótica Metin Sitti, director de MPI-IS, y la profesora de biología Monica A. Daley de la Universidad de California, Irvine, publicaron su investigación en la reconocida revista Science Robotics el 16 de marzo de 2022.


Al caminar, los humanos levantan los pies y doblan las rodillas, pero los pies y los dedos de los pies apuntan hacia delante, casi sin cambios de posición. Se sabe que los pájaros son diferentes: en la fase de balanceo, doblan las patas hacia atrás. Pero, ¿cuál es la función de este movimiento?

Badri-Spröwitz y su equipo atribuyen este movimiento a un acoplamiento mecánico. “No es el sistema nervioso, no son los impulsos eléctricos, no es la actividad muscular”, explica Badri-Spröwitz. “Presumimos una nueva función del acoplamiento pie-pata a través de una red de músculos y tendones que se extiende a través de múltiples articulaciones”. Estos músculos-tendón en varias articulaciones coordinan el giro de la pata en la fase de balanceo. En este robot, han implementado la mecánica acoplada en la pata y el pie, lo que permite que el robot camine de manera eficiente y robusta.

Los resultados de estas pruebas que demuestran el funcionamiento del mecanismo en un robot, llevan a creer que también para las aves similares se producen estos beneficios de eficiencia”, explica.

El acoplamiento de las articulaciones de las patas y los pies, y las fuerzas y movimientos involucrados, podrían ser la razón por la cual un animal grande como un avestruz no solo puede correr rápido, sino también estar de pie sin cansarse, especulan los investigadores. Una persona que pesa más de 100 kg también puede estar de pie bien durante mucho tiempo, pero solo con las rodillas ‘trabadas’ en una posición extendida. Si la persona se agacha un poco, se vuelve extenuante después de unos minutos. Al ave, sin embargo, no parece importarle la estructura de la articulación de sus patas; muchas aves incluso se paran erguidas mientras duermen.

La pata de un pájaro robótico debería poder hacer lo mismo: no debería ser necesaria la potencia de un motor para sostener la estructura en pie.

El robot camina en la caminadora

Para probar su hipótesis, los investigadores construyeron una pata robótica modelada a partir de la pata de un pájaro no volador. Construyeron su pata de pájaro artificial de tal modo que su pie no tiene motor, sino una articulación equipada con un mecanismo de resorte y cable. El pie se acopla mecánicamente al resto de articulaciones de la patas mediante cables y poleas.

Cada pata contiene solo dos motores: el motor de la articulación de la cadera, que balancea la pata hacia adelante y hacia atrás, y un pequeño motor que flexiona la articulación de la rodilla para levantar la pata.

Después del ensamblaje, los investigadores pusieron a BirdBot en una caminadora para observar cómo se plegaba y desplegaba el pie del robot.


“Las articulaciones de los pies y las patas no necesitan activación en la fase de apoyo”, dice Aghamaleki Sarvestani. “Los resortes impulsan estas articulaciones, y el mecanismo de resorte-tendón en las múltiples articulaciones coordina los movimientos. Cuando la pata entra en la fase de balanceo, el pie desacopla el resorte de la pata, o resorte músculo-tendón, como creemos que sucede en los animales”, agrega Badri-Spröwitz. Un video AQUI muestra a BirdBot caminando en el laboratorio del grupo de investigación.

Cero esfuerzo al estar de pie y al flexionar la pata y la rodilla

Al estar de pie, la pata no gasta nada de energía. “Antes, nuestros robots tenían que trabajar extendiendo un resorte o con un motor, ya sea cuando estaban de pie o cuando levantaban la pata, para evitar que la pata chocara contra el suelo durante el balanceo de la pata. Este gasto de energía no es necesaria en las patas de BirdBot”, dice Badri-Spröwitz y Aghamaleki Sarvestani agrega: “En general, el nuevo robot requiere solo una cuarta parte de la energía de su predecesor”.

De nuevo en la cinta deslizante, el robot comienza a correr y, con cada movimiento de la pata, el pie afloja el resorte de la pata. Para levantarse, el movimiento amplio de la pata afloja el cable y las restantes articulaciones de la pata se balancean flojas. Esta transición de estados entre estar de pie y balancear las patas se logra en la mayoría de los robots por medio un motor en la articulación. Un sensor envía una señal a un controlador, que enciende y apaga los motores del robot.

“Antes, los motores se turnaban dependiendo de si la pata estaba en la fase de balanceo o de apoyo. Ahora el pie asume esta función en la máquina para caminar, cambiando mecánicamente entre el apoyo y el balanceo. Solo necesitamos un motor en la articulación de la cadera y un motor para doblar la rodilla en la fase de balanceo. Dejamos el enganche y desenganche del resorte de la patas a la mecánica inspirada en las aves. Esto es sólido, rápido y de bajo consumo, dice dice Badri-Spröwitz.

En varios de sus primeros estudios de biología, Monica Daley observó que la estructura de las patas del ave no solo ahorra energía al caminar y estar de pie, sino que también está adaptada por la naturaleza para que el animal difícilmente tropiece y se lastime. En experimentos con gallinas de Guinea corriendo sobre baches ocultos, cuantificó la notable robustez de locomoción de las aves.

El sistema tiene integrada una inteligencia morfológica que le permite al animal actuar con rapidez, sin tener que pensar en ello. Daley había demostrado que los animales controlan sus patas durante la locomoción no solo con la ayuda del sistema nervioso. Si un obstáculo inesperado se encuentra en el camino, no siempre es el sentido del tacto o la vista del animal el que entra en juego.

“La estructura con sus músculos-tendones de múltiples articulaciones, y su movimiento único del pie pueden explicar por qué hasta las aves grandes y pesadas corren tan rápido, con tanta fuerza y con un consumo energético eficiente. Asumiendo que todo en el ave se basa en la detección y la acción, y el animal pisa un obstáculo inesperado, no es posible que el animal pudiese reaccionar lo suficientemente rápido. La percepción y la detección, incluso la transmisión de los estímulos y la reacción, llevan tiempo”, dice Daley.

Sin embargo, el trabajo de 20 años de Daley sobre pájaros en movimiento demuestra que los pájaros responden más rápido de lo que permite el sistema nervioso, lo que indica que en el control existen contribuciones mecánicas. Ahora que el equipo desarrolló BirdBot, un modelo físico que demuestra directamente cómo funcionan estos mecanismos, todo tiene más sentido: la pata se adapta mecánicamente si hay un bache en el suelo. El cambio ocurre de inmediato y sin demora. Al igual que las aves, el robot presenta una gran robustez de locomoción.

Ya sea en la escala de un Tyrannosaurus Rex, o una pequeña codorniz. O una pata robótica pequeña o grande, teóricamente ahora se pueden implementar patas de un metro de altura para transportar robots con un peso de varias toneladas y que caminen con poca energía.

La información adquirida a través de BirdBot en el desarrollo realizado en Dynamic Locomotion Group y la Universidad de California, Irvine, nos lleva a un nuevo conocimiento sobre los animales, que se adaptan a la evolución. Los robots permiten poner a prueba la hipótesis de la Biología, y en ocasiones confirmarlas, y así avanzar en ambos campos.

________________________________________
Artículo original: BirdBot achieves energy-efficient gait with minimal control using avian-inspired leg clutching. Alexander Badri-Spröwitz, Alborz Aghamaleki Sarvestani, Metin Sitti y Monica A. Daley. Science Robotics, Vol 7, Issue 64. DOI: 10.1126/scirobotics.abg4055

Artículos relacionados:

Medición de temperatura y humedad con DHT11

El sensor integrado DHT11 permite obtener datos de la temperatura y humedad ambiente con facilidad. Es utilizable perfectamente en estaciones meteorológicas, locales o remotas, sistemas de control ambiental en el hogar, y equipos de monitoreo de invernaderos, cultivos o jardines.

Una de las ventajas de este sensor es que, a diferencia de otros sensores analógicos, como el LM35, nos envía la información en serie, de modo que se puede conectar a una entrada digital del microcontrolador. Así se evitan los problemas de ruido inherentes a las líneas que conducen señales analógicas.



Rangos de medición y precisión del DHT11:

  • Rango de humedad: 20-90% HR (Humedad Relativa)
  • Precisión de humedad: ±5% HR (Humedad Relativa)
  • Rango de temperatura: 0-50 °C
  • Precisión de temperatura: ±2% °C
  • Voltaje de funcionamiento: 3 V a 5,5 V.

Veremos primero un poco sobre la Humedad. Luego estudiaremos cómo mide la humedad el DHT11. Después explicaremos cómo conectarlo a un Arduino y mostraremos un código de ejemplo para utilizar el DHT11 en tus proyectos.

¿Qué es la Humedad Relativa?

El DHT11 mide humedad relativa. La humedad relativa es la cantidad de vapor de agua en el aire ( e, o «presión de vapor real» ) respecto al punto de saturación de vapor de agua en el aire ( es , o «presión de vapor estándar», que es el valor correspondiente a 100%). En ese punto de saturación ( es ), el vapor de agua comienza a condensarse y acumularse en las superficies formando rocío.

El punto de saturación cambia con la temperatura del aire. El aire frío puede contener menos vapor de agua al saturarse, y el aire caliente puede contener más vapor de agua al saturarse.

La fórmula para calcular la humedad relativa es:



DHT11, un sensor integrado para la temperatura y humedad

El DHT11 se puede comprar en dos presentaciones: el sensor individual, que es una cápsula plástica integrada como la que se ve en la foto inicial de este artículo, o el mismo módulo básico DHT11 pero soldado en una placa de circuito impreso de base.

Hay una diferencia de precio que, a nuestro entender, no es justificada. La versión con plaqueta base (Printed Circuit Board) viene con un resistor de polarización a VCC (pull-up) y en ocasiones un LED que indica que está alimentado. La versión  sin plaqueta base tiene 4 pines y la versión con plaqueta base tenemos 3 pines.

Las conexiones son levemente diferentes, y en cada modelo hay que leer los rótulos en el borde de la plaqueta para identificar bien dónde hacer las conexiones. Lo más importante es determinar cuál es la alimentacion, VCC, generalmente +5V, y cuál es tierra o negativo. El pin de señal, identificado con S, OUT, DOUT, DATA, como es obvio queda determinado por descarte.



DHT11 sin plaqueta base

Los pines de la versión sin PCB del DHT11 son:

  • VCC: alimentación
  • I/O: transmisión de datos
  • NC: no conecta, pin al aire
  • GND: conexión a tierra



DHT11 sobre plaquetas

Los pines de la versión con PCB del DHT11 son:

  • GND: conexión con tierra
  • DATA: transmisión de datos
  • VCC: alimentación

Características técnicas del DHT11

Siempre es aconsejable dar una mirada a la hoja de características técnicas para ver detalles de funcionamiento el DHT11.

Hoja de datos del DHT11

Modelo DHT11
Alimentación de 3,5 V a 5 V
Consumo 2,5 mA
Señal de salida Digital
Temperatura  
Rango de 0°C a 50°C
Precisión a 25°C ± 2°C
Resolución 1°C (8-bit)
Humedad  
Rango de 20% RH a 90% RH
Precisión entre 0°C y 50°C ± 5% RH
Resolución 1% RH

¿Cómo envía datos el DHT11?

La señal de salida es digital, enviada en serie por una sola línea.

Hay al menos dos versiones del sensor de temperatura y humedad DHT11, veremos cómo tendríamos que conectarlo a un Arduino. En cualquiera de los casos, ingresamos a un pin digital.

La alimentación puede ser de 3,5V a 5V. No es problema al conectarlo a un Arduino estándar, ya que tenemos salida de 5V. No funcionará alimentándolo con la salida de 3,3 V, ya que el valor está por debajo de las especificación de alimentación del módulo.

Antes de conectar el sensor es conveniente ver estas consideraciones:

  • La hoja de datos recomienda un resistor de polarización (pull-up) de 5 kΩ para un cable de longitud de hasta 20 metros. No es un valor que se consiga fácil, por lo que utilizaremos un valor estándar de 4.7KΩ, o mejor 5.6KΩ.
  • Se recomienda tomar mediciones cada 5 segundos. Un periodo menor puede ocasionar que los datos no sean precisos.

Una vez leídas y entendidas las consideraciones, veremos los diagramas para los dos modelos.

Conexionado para el DHT11

Para conectar el circuito de una aplicación típica con un DHT11, debemos poner un resistor de polarización (pull-up) conectado a la salida digital.

El sensor tiene 4 pines: VCC (de 3,5V a 5V), la entrada/salida digital, un pin sin uso (NC, no conectado), y la toma de tierra GND.




El diagrama de conexión es el siguiente:



Conexionado para el DHT11 sobre una plaqueta base

El DHT11 ya soldado en un PCB posee el resistor pull-up. Puede resultar muy útil en ocasiones, pero si añadimos un cable de más de 20 metros, deberemos tener en cuenta este factor.

Este módulo con DHT11 dispone de 3 pines: la toma de tierra GND, DATA para los datos, y la alimentación VCC (de 3,5V a 5V). En la siguiente imagen se puede ver el esquema de conexión con Arduino.



Diferentes versiones del módulo DHT11 montado sobre una plaqueta

Debido a la amplia variedad de montajes que se encuentran en el mercado, todas ellas con diferentes disposiciones de señales al exterior, es importante leer la indicación impresa en la plaqueta. Por lo general se observa un signo +, un signo -, y la señal marcada como S, OUT, DOUT o DATA. Es recomendable mirar muy bien las indicaciones antes de conectar, en especial dónde se debe aplicar la alimentación: GND o tierra y VCC o 3,5 a 5V



Programando el DHT11 desde el IDE de Arduino

Mostrar Humedad y Temperatura en el Monitor Serie

Para trabajar con el DHT11 en el Arduino, lo más práctico es instalar la biblioteca DHTlib, que ya viene con todas las funciones necesarias para obtener las lecturas de humedad y temperatura del sensor.

Es fácil de instalar, simplemente descargue el archivo DHTlib.zip en el enlace a continuación y abra el IDE de Arduino. Luego vaya a Sketch > Include Library > Add .ZIP Library y seleccione el archivo DHTlib.zip

DHTlib

Una vez que se ha instalado, cargue este programa de ejemplo en Arduino y abra el monitor serie:

#include <dht.h>
dht DHT;
#define DHT11_PIN 7

void setup(){
  Serial.begin(9600);
}

void loop(){
  int chk = DHT.read11(DHT11_PIN);
  Serial.print("Temperatura = ");
  Serial.println(DHT.temperature);
  Serial.print("Humedad = ");
  Serial.println(DHT.humidity);
  delay(5000);
}

Si todo funciona correctamente, debería ver las lecturas de humedad y temperatura a intervalos de 5 segundos.

Si no desea utilizar el pin 7 para la señal de datos, puede cambiar el número de pin en la línea 5 donde dice #define DHT11_PIN 7.

Uso de los datos en otros programas

¿Qué sucede si no desea solo tomar las lecturas reales de Humedad y Temperatura, pero las necesita para calcular o controlar otras cosas? El siguiente código es el mínimo necesario para inicializar el sensor. Puede agregar esto a los programas existentes y usar DHT.humedad y DHT.temperatura como variables en cualquier función.

#include <dht.h>
dht DHT;
#define DHT11_PIN 7

void setup(){
// sin contenido
}

void loop(){
  int lectura = DHT.read11(DHT11_PIN);

// aquí líneas de código para utilizar los datos en la variable 'lectura'

  delay(1000);
}

Artículos Relacionados:



Hoja de datos del sensor de temperatura y humedad DHT11

Introducción

El módulo medidor de temperatura y humedad DHT11 posee en su interior un conjunto de detectores de temperatura y humedad con una salida calibrada de señal en formato digital.

Mediante el uso de una exclusiva técnica digital de adquisición de señales y tecnología de detección de temperatura y humedad, garantiza una alta confiabilidad y una excelente estabilidad a largo plazo.

Este sensor incluye un componente de medición de humedad de tipo resistivo, y un componente de medición de temperatura NTC conectados a un microcontrolador de 8 bits de alto rendimiento, lo que ofrece excelente calidad, rentabilidad, respuesta rápida y capacidad anti-interferencias.



Cada dispositivo DHT11 está estrictamente calibrado en laboratorio hasta que es extremadamente preciso en su medición de la humedad. Los coeficientes de calibración se almacenan como programas en la memoria OTP (One Time Programming), y son utilizados por el proceso interno de detección de señales del sensor.

La interfaz serie de un solo cable hace que la integración del sistema sea rápida y sencilla.

Su pequeño tamaño, bajo consumo de energía y capacidad de transmisión de señal de hasta 20 metros lo convierten en la mejor opción para diversas aplicaciones, incluyendo las más exigentes.

Cápsula:

El componente está integrado en una cápsula con una sola fila de 4 pines. Es práctico de conectar y el fabricante ofrece proporcionar cápsulas especiales a solicitud de los usuarios.

Especificaciones técnicas:

Datos básicos:

Especificaciones detalladas:

Uso típico:


Nota: Pin 3 no conectado. MCU = microcomputador o computador en un chip

Cuando el cable de conexión tiene una longitud inferior a 20 metros, se recomienda un resistor de polarización (pull-up) de 5K; cuando el cable de conexión tenga más de 20 metros, elija un resistor pull-up adecuado, según sea necesario.

Alimentación y salida de datos

La fuente de alimentación de DHT11 es de 3-5,5 V CC.

Cuando aplique energía al sensor, espere 1 segundo hasta que se encuentre estable.

Se puede agregar un capacitor de alrededor de 100 nF entre VDD y GND para filtrar la fuente de energía.

Proceso de comunicación: interfaz serie (un solo cable bidireccional)

Se utiliza un formato de datos sobre una línea única para la comunicación y sincronización entre un MCU y el sensor DHT11. Un proceso de comunicación dura aproximadamente 4 ms.

Los datos consisten de partes decimales y enteras. El bloque completo de datos consiste en 40 bits, y el sensor envía primero el bit de datos más alto.


Formato de la secuencia de 5 bytes = 40 bits

Formato de datos:

8 bits de datos enteros de Humedad Relativa +
8 bits de datos decimales de Humedad Relativa +
8 bits de datos enteros de Temperatura +
8 bits de datos decimales de Temperatura +
8 bits de Suma de verificación (check-sum).

Si la transmisión de datos es correcta, la suma de verificación debe ser igual a

los 8 bits de datos enteros de Humedad Relativa +
los 8 bits de datos decimales de Humedad Relativa +
los 8 bits de datos enteros de Temperatura +
los 8 bits de datos decimales de Temperatura.

Proceso general de comunicación (graficado en la figura a continuación)

Cuando el MCU envía una Señal de Inicio, el DHT11 cambia del Modo de Bajo Consumo de Energía al Modo de Ejecución, y espera a que termine la señal de inicio del MCU.

Una vez que ésta se completa, el DHT11 envía al MCU una señal de respuesta que contiene los 40 bits de datos con la información sobre la temperatura y la humedad relativa.

Los usuarios pueden optar por tomar solo alguno de los datos.

Sin la Señal de Inicio del MCU, el DHT11 no enviará ninguna señal al MCU.

Una vez que se han obtenido los datos, el DHT11 cambiará al Modo de Bajo Consumo de Energía hasta que reciba de nuevo una señal de inicio del MCU.


Proceso general de comunicación

El MCU envía la señal de inicio al DHT (graficado en la figura a continuación)

En Estado de Reposo, la línea única de datos (bus) está en un nivel de voltaje ALTO. Cuando comienza la comunicación entre el MCU y el DHT11, el programa del MCU pondrá el nivel de voltaje de la línea única de datos a un nivel BAJO. Esta Señal de Inicio debe durar al menos 18ms para garantizar que el DHT detecte la señal del MCU. Luego el MCU dejará la línea de nuevo libre y flotante, esperando durante 20 a 40us la respuesta del DHT.


MCU envía la Señal de Inicio y el DHT responde

Respuesta del DHT al MCU (Figura arriba)

Una vez que el DHT detecta la Señal de Inicio, enviará una señal de respuesta de nivel de voltaje BAJO durante 80us. Luego, el programa del DHT pone el nivel de voltaje de la línea única de datos de BAJO a ALTO y lo mantiene durante 80us, mientras el DHT se prepara para enviar datos.

Del lado del MCU, cuando la línea única de datos está en el nivel de voltaje BAJO significa que el DHT está enviando una señal de respuesta. Una vez que el DHT envía esa señal de respuesta, pone la línea en ALTO (flotante, convirtiendo el puerto digital en entrada) y la mantiene durante 80us. Así se prepara para la transmisión de datos.

Cuando el DHT está enviando datos al MCU, cada bit de datos comienza con un nivel de BAJO voltaje de 50us y la longitud de la siguiente señal de nivel de voltaje ALTO determina si el bit de datos es «0» o es «1» (consulte las figuras a continuación).


Transmisión de bit «0»


Transmisión de bit «1»

Una vez que el DHT detecta la Señal de Inicio, enviará un nivel de voltaje BAJO. Si la señal de respuesta del DHT siempre está en un nivel de voltaje ALTO, esto indica que DHT no está respondiendo correctamente. Verifique la conexión. Cuando se transmite el último bit de datos, el DHT11 pone un nivel de voltaje BAJO y lo mantiene durante 50us. Luego, el voltaje de la línea única de datos será fijado en ALTO por el resistor, estableciéndose el estado flotante de línea libre.

Características Eléctricas

Nota: El intervalo de muestreo no debe ser inferior a 1 segundo

Cuestiones importantes – Condiciones de funcionamiento

(1)
Rango de Trabajo

El uso del sensor DHT11 fuera del rango de trabajo indicado en esta hoja de datos puede resultar en un cambio/discrepancia de la señal de Humedad Relativa del 3 %. El sensor DHT11 puede recuperarse gradualmente al estado calibrado cuando vuelve a la condición de funcionamiento normal y funciona dentro de su rango. Consulte (3) de esta sección para acelerar su recuperación. Tenga en cuenta que operar el sensor DHT11 en condiciones de funcionamiento anormales acelerará el proceso de envejecimiento del sensor.

(2)
Atención a los materiales químicos

El vapor de los materiales químicos puede interferir con los elementos sensibles de DHT y degradar su sensibilidad. Un alto grado de contaminación química puede dañar permanentemente el sensor.

(3)
Proceso de restauración cuando suceden (1) y (2)

    Paso uno: Mantenga el sensor DHT en condiciones de Temperatura 50~60° Celsius, humedad <10% HR por 2 horas;

    Paso dos: Mantenga el sensor DHT en la condición de Temperatura 20~30° Celsius, humedad >70%HR durante 5 horas.

(4)

Temperatura, etc.

La humedad relativa depende en gran medida de la temperatura. Aunque la tecnología de compensación de temperatura se utiliza para garantizar una medición precisa de la HR, se recomienda encarecidamente mantener los sensores de humedad y temperatura funcionando a la misma temperatura. DHT11 debe montarse en el lugar lo más lejos posible de las partes que puedan generar calor.

(5)
Efecto de la Luz

La exposición prolongada a la luz solar intensa y a los rayos ultravioleta puede degradar el rendimiento de DHT.

(6)
Cables de conexión

La calidad de los cables de conexión afectará la calidad y la distancia de la comunicación y se recomienda un cable blindado de alta calidad.

(7)
Otras precauciones

• La temperatura de soldadura debe ser inferior a 260°C y el contacto debe durar menos de 10 segundos.

• Evite usar el sensor en condiciones de rocío.

• No utilice este producto en dispositivos de seguridad o parada de emergencia o en cualquier otra ocasión en la que la falla de DHT11 pueda causar lesiones personales.

• Almacenamiento: Mantenga el sensor a una temperatura de 10-40°C, humedad <60% HR.

Control de relés por enlace de 2,4 GHz – módulos NRF24L01 (Domótica 4)

3 respuestas

La función de este artículo es dar ejemplos de comunicación inalámbrica entre dos placas Arduino, utilizando el módulo transceptor basado en el chip NRF24L01.

En la imagen se observa dos formatos de módulo transceptor, ambos con el chip NRF24L01. Este chip utiliza la banda de 2,4 GHz y puede operar con velocidades de transmisión de 250 kbps hasta 2 Mbps. Si se usa en espacios abiertos y, con menor velocidad de transmisión, su alcance puede llegar hasta los 100 metros. Para mayores distancias, hasta 1000 metros, existen módulos provistos con una antena externa en lugar de una antena trazada sobre la misma placa, como se observa en la imagen.

Con este sistema enviaremos comandos de texto que controlen un módulo de relés para manejar artefactos de 220V CA en una instalación de domótica. Para domótica es suficiente el alcance del módulo básico, pero se puede optar por la versión con antena incorporada, si es necesario.

En nuestro artículo Arduino: Comunicación inalámbrica con NRF24L01 están explicados y desarrollados en detalle varios usos del módulo NRF24L01 con un Arduino. Si no está familiarizado con un módulo como este, o si desea profundizar más en sus características y capacidades, recomendamos su lectura, aunque no es imprescindible para utilizar este diseño.

Para el control de las placas NRF24L01 para enlace de RF se utiliza la biblioteca RF24, totalmente compatible con las placas Arduino. En la página enlazada hay una explicación en inglés de cómo instalarla en su IDE de Arduino. Si no, puede leer las instrucciones a continuación (si ya conoce el procedimiento, saltee esta explicación):

Como es una librería obtenida del sitio GitHub, que es un repositorio de código para programadores, deberemos utilizar el método de instalación manual. Lo primero es descargar la librería en formato ZIP dentro de la carpeta que usted elija.

Una vez descargada debemos añadir la librería mediante el menú desplegable Programa >> Incluir Librería >> Añadir biblioteca .ZIP… Se abrirá un panel para buscar el ZIP en su disco rígido.

Una vez seleccionado el archivo éste será incluido. Cerramos el IDE de Arduino y cuando volvamos a abrirlo la librería ya estará disponible.

Circuito básico para el sistema

La biblioteca RF24 utiliza los pines estándar del hardware SPI (MISO, MOSI, SCK) que son, respectivamente, los pines digitales 12, 11 y 13 en la placa Arduino UNO. También se necesitan dos pines adicionales para controlar las funciones de selección del chip (CS) y habilitación del chip (CE).

Estos dos últimos pines pueden ser elegidos y designados por el usuario utilizando la función radio(ce_pin, cs_pin) de la biblioteca RF24; y se puede usar cualquier pin digital disponible.

El diagrama de conexiones de los módulos —que mostramos a continuación— es idéntico para las placas Arduino de ambos lados, transmisor y receptor. Observe con atención que la entrada VCC del módulo transceptor está conectada a la salida 3,3V del Arduino. No se equivoque con la alimentación poniéndola a 5V, porque el módulo resultaría dañado.

A continuación, le agregaremos a uno de los dos Arduino, que funcionará de receptor, un módulo de relés como los que hemos descrito y explicado en detalle en el artículo Módulos de relé y Arduino: Domótica (1). Recomendamos leerlo.

Sistema 1: Control utilizando el teclado de la computadora a través de Monitor Serie

La placa Arduino utilizada como transmisor estará conectada al puerto USB de la PC, o laptop, que utilizamos para programarlo y luego para enviar los comandos. El puerto USB alimentará la placa y el módulo transmisor.

El Arduino receptor puede estar conectado a cualquiera de los modos de alimentación adecuados: un cable USB conectado a un cargador estándar de 5V, o a un Power Bank para celular; una batería de 9V o una fuente regulada de 9V CC conectada al jack de entrada de alimentación de la placa Arduino o a su pin Vin.

El circuito del receptor se cableará de la siguiente manera a los módulos de relé:

Nota: en este circuito se alimentan los led emisores de los optoacoples desde la misma fuente de los relés. Para separar totalmente los circuitos, quitar el jumper entre VCC y JD-VCC y alimentar VCC desde los 5V de la placa Arduino.

Circuito del Sistema 1, con módulo de 2 relés

Criterio de control:

La lista de comandos es como sigue

a – Activa el relé 1 / a apaga el relé 1 al pulsar de nuevo
b – Activa el relé 2 / b apaga el relé 2 al pulsar de nuevo

Programa del transmisor

Programa del receptor:

Con esta disposición, la manera de controlar los relés es como sigue: abrimos el panel de Monitor Serie y tipeamos allí los comandos “a” o “b” para encender y apagar los relés.

La capacidad de control se puede ampliar utilizando módulos de mayor tamaño, por ejemplo de 4, 8 o 16 relés, y agregando las variables y líneas de programa para cada relé. Utilizaremos en esos casos las siguientes letras: “c”, “d” y así sucesivamente.




Sistema 2: Control con pulsadores, sin necesidad de computadora

Con el sistema desarrollado en la primera parte dependemos de una computadora para ingresar los comandos al Arduino transmisor, y esto puede ser impráctico.

Para agregar un nivel más de independencia al control, conectaremos unos pulsadores al circuito transmisor de Arduino que ya presentamos. Para que nos resulte más simple, vamos a utilizar los pulsadores de RESET con cable y conector que es posible rescatar por desarme del panel frontal de cualquier PC de mesa que haya sido descartada. Como este:

Si usted lo desea, puede reemplazar los dos pulsadores por cualquier modelo que usted disponga, como estos (colocados sobre una protoboard y conectados con cables), que además de venir en los kits básicos de Arduino, son muy comunes en electrónica:

Diagrama para el Sistema 2: pulsadores y módulo de 2 relés

Hemos agregado dos pulsadores de panel frontal de computadora de mesa, que ingresan por las entradas digitales 2 y 3. Los pulsadores los hemos nombrado como Puls1 y Puls2.

Con estos pulsadores podremos controlar el módulo de dos relés con el que trabajamos en este artículo hasta ahora, pero podríamos implementar este control con módulos de 8, 16, y hasta 32 relés.

El diagrama para esta parte del proyecto —siempre manteniendo el cableado básico del Arduino con el NRF24L01— es:

Criterio de control:

La lista de comandos es como sigue

Puls1 – Activa el relé 1 / Puls1 apaga el relé 1 al pulsar de nuevo
Puls2 – Activa el relé 2 / Puls2 apaga el relé 2 al pulsar de nuevo

Programa del transmisor:

Programa del receptor:

Presionando el pulsador 1 se activará el relé 1, y con una nueva pulsación se lo desactiva. El funcionamiento es igual para el pulsador 2 en conjunto con el relé 2.

Nota: Si usted halla un error, por favor háganos saber que lo ha encontrado. Gracias.

Artículos relacionados:

■ Módulos de relé y Arduino: Domótica (1)
■ Control con relés por interfaz serie: Domótica (2)
■ Control de relés con control remoto IR: Domótica (3)
■ Control de relés por enlace de 2,4 GHz – módulos NRF24L01: Domótica (4)
■ Descripción y funcionamiento del Bus I2C
■ ¿Qué es la comunicación serie?