CONTADOR POLIVALENTE PARA EL HOGAR

Autor: Eyries de la Cuadra, Martin Director: Handler, Drew Entidad Colaboradora: University of Illnois - ICAI

RESUMEN DEL PROYECTO

Introducción Hoy en día aun existen y se utiliza muchos contadores analógicos antiguos. En estos contadores la información a veces no es fácil de leer, pueden no estar en un lugar de fácil acceso y además no guardan información sobre consumos pasados. Este proyecto resolverá esos problemas mediante la supervisión/control de varios contadores y su posterior muestra en una pantalla. Se utilizaran sensores de color colocados encima de los contadores existentes para evitar violar las normas vigentes de manipulación. La información se enviara de forma inalámbrica a la unidad de visualización. Se utilizaran baterías (pilas) para garantizar la seguridad en el trabajo con gases inflamables. Metodología Contadores analógicos clásicos como el que se muestra en la Figura 1 serán monitorizados para mostrar el consumo inmediato y los pasados en una pantalla. El proyecto está destinado a ser utilizado en hogares privados, mostrando los consumos de agua, luz y gas. Sin embargo, su universalidad hace que pudiera ser utilizado en fábricas o industrias donde sea necesario conocer diferentes consumos.

Figura 1: Contador Analogico Clásico

El consumo energético así como el coste total del producto serán una de los principales puntos a optimizar. Unidades inalámbricas se utilizaran para transmitir información al modulo central. La monitorización de los contadores se basará en el uso de sensores de alta resolución para detectar la rotación de las agujas del contador. El proyecto se dividirá en dos partes: obtención de medidas de los contadores (con sensores) y procesamiento de la información (unidad de visualización). Para hacer esto se utilizaran dos tipos de unidades: un módulo central o central hub y módulos de medición o sensor modules, como se puede observar en la Figura 2. GAS FLOW SENSOR

WATER FLOW SENSOR POWER FLOW SENSOR

CENTRAL HUB

Por un lado, el módulo central (central hub) será el lugar donde se realice todos los cálculos. Su diagrama de bloques puede observarse en la Figura 3. Como se puede ver, tendrá una unidad de comunicación, un microprocesador y una pantalla LCD. Communications Module Power Supply Microcontroller

Display

Figure 3: Diagrama Bloques Módulo Central

La unidad de comunicación será un XBee serie 1, que recibirá información de todos los sensores pero no enviará, ya que no es necesario. Por lo tanto, se utilizará la comunicación punto a punto. La tecnología Zigbee en estos dispositivos ya incluye el procedimiento ACK [1] por lo que no hay necesidad de instaurarlo manualmente. La interferencia entre radios no será un problema ya que cada XBee dispone de su propia dirección y el receptor solo aceptará los paquetes recibidos desde ciertas direcciones. Para la unidad de cálculo se utilizará un ATMEGA 328P-PU [2], por su compatibilidad con la interfaz de Arduino y por tener una cantidad de pines suficiente para conectar la unidad de comunicación y la pantalla LCD [3]. Por otro lado, el modulo de medición (sensor module) constará de un sensor que analizara lo que indica el contador y enviara esa información al módulo central usando un XBee serie 1 como unidad de comunicación. Los contadores de consumo no pueden ser manipulados por lo que la instalación tendrá que hacerse encima del contador sin alterar su funcionamiento. El diagrama de bloques de este módulo puede observarse en la figura 4.

Sensor

Power Supply

Microcontroller

Figura 4: Diagrama Bloques Modulo Medicion

XBee

Para poder leer el consumo indicado por el contador, los sensores tratarán de reconocer cuando la aguja pasa por el punto 0 contando así una revolución. Para ello se utilizaran fotodiodos, que funcionan como se muestra en la Figura 5. La señal obtenida por los sensores será filtrada usando el microprocesador ATMEGA 328P-PU y se encarga de encender la unidad de comunicación para transmitir. Con esta estrategia se consigue un importante ahorro energético ya que el XBee solo estará encendido cuando hay información que transmitir.

Figura 5: Operación Fotodiodos [4] Para llevar a cabo las pruebas y verificación de los diseños se utilizará un contador experimental fabricado en el taller de maquinaria. Los sensores se calibrarán aplicando distintas velocidades de rotación a las agujas para asegurar que el sistema está preparado para todo tipo de comportamientos de consumo. También se implementará un algoritmo de detección de errores que utilizara leds de color para mostrar cuando un contador no está actuando correctamente o de la forma esperada. Se detectarán dos tipos de anomalías: cuando un sensor indica un consumo excesivamente elevado y cuando un sensor no envía información por demasiado tiempo (consumo excesivamente bajo). Por último destacar que todos los circuitos serán trasladados a placas de circuito integrado para mejorar su apariencia, simplicidad y tamaño. Resultados La necesidad de tener que poner los sensores encima de los contadores existentes incrementó la distancia al punto de medición (el 0 en la aguja) , esto provoco complicaciones ya que hubo que cambiar varias veces de sensores hasta encontrar uno que pudiese operar a distancias de 1 cm. La solución adoptada fue un sensor de mayor precisión (TCS3200 [5]) pero cuya salida era cambiante en frecuencia. La salida era una onda cuadrada de 50% de duty cycle cuya frecuencia cambia en función del color medido (Figura 7). Las características de la salida son la principal razón para la utilización de un microprocesador para filtrar la salida del sensor en vez de un filtro analógico. Esta decisión se tomo después de analizar y probar sin éxito, múltiples técnicas de filtración alternativas.

Notar que se utilizó el microprocesador ATMEGA 328P-PU para los módulos de medición por falta de tiempo, pero el mismo resultado se puede conseguir con el microprocesador AT-TINY sin necesidad de cambiar el código. Con esta medida se reducirían costes y tamaño.

Figura 7 : Salida del Sensor para color Negro

Conclusiones Mediante la aplicación de un proceso de verificación exhaustivo se comprobó que todos los elementos del diseño funcionasen por separado antes de un implantación final. Para probar las diferentes unidades de los diferentes módulos pruebas de complejidad creciente se llevaron a cabo. Finalmente el proyecto funcionó correctamente y se lograron los objetivos buscados. El proyecto en su ejecución se encontró con algunas complicaciones serias como la necesidad de realizar las placas de circuito integrado a mano lo cual resultó en un peor acabado, y que las agujas del medidor experimental rotaban a velocidades superiores a 10 veces las de un contador normal debido a problemas de fricción de los engranajes que las alimentaban. Cabe destacar la aceptación que tuvo este proyecto por parte del departamento de Electronic and Computer Engineering de la Universidad de Illinois que lo seleccionó junto a otros 6 de entre más de 70 para exponerlo ante un benefactor que había donado 1 millón de dólares a la universidad.

Referencias [1] XBee®/XBee-PRO® RF Modules Datasheet, Digi International Inc., 2009. Available at: http://www.digi.com [2] AtMega 328P Datasheet, Atmel, 2009. Available at: http://www.arduino.cc [3] 16x2 LCD Shield Datasheet, LinkSprite Technologies Inc., 2012. Available at: http://www.linksprite.com [4] Esta imagen fue tomada de Google buscando bajo fotodiodos, pero no ha podido volverse a encontrar [5] TCS3200 Sensor Datasheet, Taos Inc., 2011. Available at: http://www.taosinc.com

Otras referencias usadas pero no citadas han sido: - IEEE Code of Ethics, IEEE, 2013. Available at: http://www.ieee.org/about/ethics.html - LP2950 Voltage Regulator Datasheet, Texas Instruments Inc., 2010. Available at: http://www.ti.com - MC78L Voltage Regulator Datasheet, Chipswinner Inc., 2007. Available at: http://www.chipswinner.com - Basic lessons about C language, Wikipedia, 2013. Available at: http://www.wikipedia.org - Andrew Rapp XBee Programming, 2009. - Martin Nawrath KHM, Frequency reading, Academy of Media Arts, Available at: http://www.khm.de - Arduino Forums, Arduino, 2013. Available at: http://www.arduino.cc - QRE1113 Sensor Datasheet, Fairchild Semiconductor Corp., 2011. Available at: http://www.fairchildsemi.com

ALL IN ONE HOME METER Introducction There are many old analogic consumption meters still being used today. In these meters, information about past consumptions is not displayed and they are sometimes difficult to read. This project will solve both problems by monitoring several consumption meters and showing them on a display. The user will be able to easily read actual consumptions and past data. Color sensors will be placed on top of the meters to avoid violating current manipulation restrictions and they will be communicating wirelessly with the display unit. Batteries will be used to ensure safety when working with flammable gases. Metodology Classical analogic meters like the one shown in Figure 1 will be monitored to show instant and past consumption data in a display. The project is intended to be used in private households, monitoring water, gas and power consumptions. However, it could be used in factories where many different consumptions need to be known and compared.

Figure 1: Classic Analogic Meter

Power ratings of the different modules will be one of the main concerns as well as total cost. Wireless units will be used to transmit data from meters to the central hub. The monitoring will be achieved by using high resolution color sensors that will detect the rotation of the meter dials. The project will be divided in two parts: getting information from the meters (using sensors) and processing it (display). To do that there will be two types of modules: a central hub and various sensor modules, as it can be seen in Figure 2.

GAS FLOW SENSOR

WATER FLOW SENSOR

CENTRAL HUB

POWER FLOW SENSOR Figure 2: Top level block diagram

In the one hand, the central hub will be the place where all computation is done. Its block diagram can be observed in Figure 3. As you can see it will have a communication unit a microprocessor and a LCD display.

Communications Module Power Supply

Microcontroller

Display

Figure 3: Central Hub block diagram

The communication unit will be an XBee series 1, it will receive information from all sensors but it will not send information to them as it is not needed. We will therefore use point to point communications. The Zigbee technology in these devices already includes the ACK [1] procedure so there is no need to implement it. Interference between radios will not be a problem as each XBee will have its own address and the receiver will only be listening to the packets received from certain addresses. For the computation unit the ATMEGA 328P-PU [2] will be used as it is easily programmable with the Arduino interface and it has enough pins to connect the communication module and the LCD display. The display will be a standard LCD 2x16 Screen with 5 pushbuttons attached to it [3]. The Pushbuttons will be used to communicate with the user.

On the other hand, the sensor module will consist of a sensor that will monitor what the meter indicates and will send this information to the central hub. Real consumption meters cannot be manipulated; therefore the installation will have to be done on top of the existing meter. The block diagram can be observed in figure 4.

Sensor

Power Supply

Microcontroller

XBee

Figure 4: Sensor Module block diagram

In order to read the consumption indicated by the meter, sensors will try to recognize when the needle goes through the 0 point in the meter. To do this the photodiode technology shown in Figure 5 will be used. The output signal obtained from the sensor will be filtered and used to trigger the communication device. With this strategy power consumption of the module will be optimized, as the communications unit will only be powered when there is data to send.

Figure 5: Photodiode operation [4]

To carry out tests and verify the designs an experimental meter done in the machine shop will be used. The sensors will be calibrated with the needles moving at different speeds to ensure that the system is prepared for all kind of consumption behaviors. An error detecting algorithm will also be implemented and color LEDs will be used to warn the user if a sensor is not working properly or as expected. Two anomalies will be detected by the system: a sensor giving a consumption higher than normal and a sensor being off for too long. The lifetime of the batteries will also be tried to be predicted using the Energizer 9V battery datasheet.

Finally, note that all circuits will be implemented in PCB to improve their appearance, simplicity and size. Results The need to put the sensor on top of existing meters increased the distance to the measuring point (zero point on the dial), this caused complications and sensor had to be replaced for ones that could work at distances of 1 cm. The solution adopted was to use a more accurate sensor (TCS3200 [5]) whose output changed in frequency. The output now was a square wave of 50% duty cycle whose frequency changed depending on the color measured (Figure 6) The output characteristics were the main reason to use a microcontroller to filter the sensor's output instead of using an analog filter. This decision was taken after analyzing and unsuccessfully trying multiple alternative filtration techniques. Note that the ATMEGA 328P-PU microprocessor was used for the sensor modules for lack of time, but the same result could have been achieved with the AT-TINY chip, without changing any code. With this action size and costs would be reduced.

Figure 6: Sensor's Output for Black Color

Conclusion An exhaustive requirement and verification process was applied to ensure that all elements worked properly before final deployment. To test the different units of the different modules test of increasing complexity were carried out. Finally, the project worked as expected and the desires objectives were achieved. The project implementation faced some serious complications such as the need of building the PCBs by hand

which resulted in a worse finish, or the speeds of the experimental meter that were 10 times faster than real meters due to friction in the gear system. It is important to point out the acceptance the project received by the Electrical and Computer Engineering department of the University of Illinois which selected this project along 6 others (from over 70) to expose in front of a benefactor who donated $1 million to the university. References [1] XBee®/XBee-PRO® RF Modules Datasheet, Digi International Inc., 2009. Available at: http://www.digi.com [2] AtMega 328P Datasheet, Atmel, 2009. Available at: http://www.arduino.cc [3] 16x2 LCD Shield Datasheet, LinkSprite Technologies Inc., 2012. Available at: http://www.linksprite.com [4] This image was taken from google searching for "photodiodes" but it has not being possible to finf it again. [5] TCS3200 Sensor Datasheet, Taos Inc., 2011. Available at: http://www.taosinc.com

Other references used for this Project but not cited are: - IEEE Code of Ethics, IEEE, 2013. Available at: http://www.ieee.org/about/ethics.html - LP2950 Voltage Regulator Datasheet, Texas Instruments Inc., 2010. Available at: http://www.ti.com - MC78L Voltage Regulator Datasheet, Chipswinner Inc., 2007. Available at: http://www.chipswinner.com - Basic lessons about C language, Wikipedia, 2013. Available at: http://www.wikipedia.org - Andrew Rapp XBee Programming, 2009. - Martin Nawrath KHM, Frequency reading, Academy of Media Arts, Available at: http://www.khm.de - Arduino Forums, Arduino, 2013. Available at: http://www.arduino.cc - QRE1113 Sensor Datasheet, Fairchild Semiconductor Corp., 2011. Available at: http://www.fairchildsemi.com