Experiencias sobre el uso de la plataforma Arduino en prácticas de Automatización y Robótica

En los últimos años las plataformas de hardware libre han adquirido gran relevancia en el desarrollo de prototipos y en la educación en tecnología. Una plataforma de hardware libre es básicamente un diseño de sistema un electrónico microprocesador que sus autores difunden libremente y puede ser utilizado sin tener que pagar licencias. Ente la multitud de plataformas disponibles, destaca Arduino. Se caracteriza por su bajo precio, y que el software necesario para hacer funcionar la plataforma es libre y gratuito. Todo ello hace que estos dispositivos sean fácilmente accesibles por estudiantes. Este trabajo describe la aplicación de hardware libre a experimentos de laboratorio en asignaturas de ingeniería de la UA, especialmente del máster en Automática y Robótica, en las que se controlan sistemas industriales o robóticos. Esto contrasta con los experimentos clásicos en los que se emplean sistemas caros y difícilmente accesibles por el alumno. Además, los experimentos deben ser atractivos y de aplicaciones reales, para atraer el interés del alumno, con el objetivo principal de que aprenda más y mejor en el laboratorio.

Experiences on using Arduino for laboratory experiments of Automatic Control and Robotics

The free hardware platforms have become very important in engineering education in recent years. Among these platforms, Arduino highlights, characterized by its versatility, popularity and low price. This paper describes the implementation of four laboratory experiments for Automatic Control and Robotics courses at the University of Alicante, which have been developed based on Arduino and other existing equipment. Results were evaluated taking into account the views of students, concluding that the proposed experiments have been attractive to them, and they have acquired the knowledge about hardware configuration and programming that was intended.

Development and programming of Geophonino: A low cost Arduino-based seismic recorder for vertical geophones

The commercial data acquisition systems used for seismic exploration are usually expensive equipment. In this work, a low cost data acquisition system (Geophonino) has been developed for recording seismic signals from a vertical geophone. The signal goes first through an instrumentation amplifier, INA155, which is suitable for low amplitude signals like the seismic noise, and an anti-aliasing filter based on the MAX7404 switched-capacitor filter. After that, the amplified and filtered signal is digitized and processed by Arduino Due and registered in an SD memory card. Geophonino is configured for continuous registering, where the sampling frequency, the amplitude gain and the registering time are user-defined. The complete prototype is an open source and open hardware system. It has been tested by comparing the registered signals with the ones obtained through different commercial data recording systems and different kind of geophones. The obtained results show good correlation between the tested measurements, presenting Geophonino as a low-cost alternative system for seismic data recording.

Realizzazione e collaudo di un sensore di ozono controllato da Arduino

Nell’ambito della sterilizzazione da agenti patogeni, l’ozono riveste un ruolo fondamentale grazie al suo grande potere ossidante ed è di fondamentale importanza misurare quanto ozono viene prodotto mediante una scarica DBD. Scopo di questa tesi è stato quello di realizzare un sensore dedicato alla misurazione della concentrazione di ozono, controllato da Arduino Uno. Il setup realizzato risulta economico, facilmente trasportabile e flessibile in quanto è utilizzabile in diverse modalità: è possibile salvare i dati tramite Arduino per elaborarli successivamente; permette di collegare l’uscita all’oscilloscopio per monitorare i segnali elettrici nel tempo; consente di leggere la concentrazione di ozono misurata real-time su display lcd. Infine sono state effettuati dei confronti tra il setup attualmente presente in laboratorio e il setup realizzato, e i risultati sono stati soddisfacenti.

Valutazione sperimentale di approcci di TinyML per problemi di classificazione: un caso di studio con Arduino Nano 33 BLE

Il TinyMachineLearning (TinyML) è un campo di ricerca nato recentemente che si inserisce nel contesto dell’Internet delle cose (IoT). Mentre l’idea tradizionale dell’IoT era che i dati venissero inviati da un dispositivo locale a delle infrastrutture cloud per l’elaborazione, il paradigma TinyML d’altra parte, propone di integrare meccanismi basati sul Machine Learning direttamente all’interno di piccoli oggetti alimentati da microcontrollori (MCU ). Ciò apre la strada allo sviluppo di nuove applicazioni e servizi che non richiedono quindi l’onnipresente supporto di elaborazione dal cloud, che, come comporta nella maggior parte dei casi, consumi elevati di energia e rischi legati alla sicurezza dei dati e alla privacy. In questo lavoro sono stati svolti diversi esperimenti cercando di identificare le sfide e le opportunità correlate al TinyML. Nello specifico, vengono valutate e analizzate le prestazioni di alcuni algoritmi di ML integrati in una scheda Arduino Nano 33 BLE Sense, attraverso un framework TinyML. Queste valutazioni sono state effettuate conducendo cinque diversi macro esperimenti, ovvero riconoscimento di Colori, di Frequenze, di Vibrazioni, di Parole chiave e di Gesti. In ogni esperimento, oltre a valutare le metriche relative alla bontà dei classificatori, sono stati analizzati l’occupazione di memoria e il tasso di inferenza (tempo di predizione). I dati utilizzati per addestrare i classificatori sono stati raccolti direttamente con i sensori di Arduino Nano. I risultati mostrano che il TinyML può essere assolutamente utilizzato per discriminare correttamente tra diverse gamme di suoni, colori, modelli di vibrazioni, parole chiave e gesti aprendo la strada allo sviluppo di nuove promettenti applicazioni sostenibili.

Incremento no desenvolvimento do porta-enxerto de pessegueiro 'Okinawa', promovido por fungos micorrízicos arbusculares autóctones

Fungos micorrízicos arbusculares (FMA) são organismos comuns da rizosfera, que se associam às raízes das plantas, incrementando a absorção nutricional e estimulando o seu crescimento. Objetivou-se avaliar a influência de três espécies de FMA (Gigaspora margarita, Glomus clarum e Glomus etunicatum), isolados de pomares de pessegueiros, no crescimento vegetativo, absorção de nutrientes e acúmulo de substâncias de reserva, de plantas do porta-enxerto de pessegueiro cv. Okinawa (Prunus persica (L.) Batsch). O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados, com quatro repetições por tratamento e 15 plantas por parcela. As plantas que foram inoculadas com G. etunicatum apresentaram maior altura, diâmetro de caule, área foliar, biomassa fresca e seca da parte aérea, total de nutrientes absorvidos e substâncias de reserva acumuladas, enquanto as inoculadas com G. clarum apresentaram crescimento intermediário, superior às inoculadas com G. margarita, que apresentaram resultados semelhantes às plantas não inoculadas. O desempenho foi relacionado com as taxas de colonização das raízes que, nas plantas inoculadas com G. etunicatum e G. clarum, foram de 93 e 91%, respectivamente, enquanto, nas com G. margarita foi somente de 37%.

A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering

Interactive light and sound table: an EPS@ISEP project

Interactive products are appealing objects in a technology-driven society and the offer in the market is wide and varied. Most of the existing interactive products only provide either light or sound experiences. Therefore, the goal of this project was to develop a product aimed for children combining both features. This project was developed by a team of four thirdyear students with different engineering backgrounds and nationalities during the European Project Semester at ISEP (EPS@ISEP) in 2012. This paper presents the process that led to the development of an interactive sound table that combines nine identical interaction blocks, a control block and a sound block. Each interaction block works independently and is composed of four light emitting diodes (LED) and one infrared (IR) sensor. The control is performed by an Arduino microcontroller and the sound block includes a music shield and a pair of loud speakers. A number of tests were carried out to assess whether the controller, IR sensors, LED, music shield and speakers work together properly and if the ensemble was a viable interactive light and sound device for children.

Level monitoring system for waste oil containers: an EPS@ISEP project

Waste oil recycling companies play a very important role in our society. Competition among companies is tough and process optimization is essential for survival. By equipping oil containers with a level monitoring system that periodically reports the level and alerts when it reaches the preset threshold, the oil recycling companies are able to streamline the oil collection process and, thus, reduce the operation costs while maintaining the quality of service. This paper describes the development of this level monitoring system by a team of four students from different engineering backgrounds and nationalities. The team conducted a study of the state of the art, draw marketing and sustainable development plans and, finally, designed and implemented a prototype that continuously measures the container content level and sends an alert message as soon as it reaches the preset capacity.

BITalino: a novel hardware framework for physiological computing

Physical computing has spun a true global revolution in the way in which the digital interfaces with the real world. From bicycle jackets with turn signal lights to twitter-controlled christmas trees, the Do-it-Yourself (DiY) hardware movement has been driving endless innovations and stimulating an age of creative engineering. This ongoing (r)evolution has been led by popular electronics platforms such as the Arduino, the Lilypad, or the Raspberry Pi, however, these are not designed taking into account the specific requirements of biosignal acquisition. To date, the physiological computing community has been severely lacking a parallel to that found in the DiY electronics realm, especially in what concerns suitable hardware frameworks. In this paper, we build on previous work developed within our group, focusing on an all-in-one, low-cost, and modular biosignal acquisition hardware platform, that makes it quicker and easier to build biomedical devices. We describe the main design considerations, experimental evaluation and circuit characterization results, together with the results from a usability study performed with volunteers from multiple target user groups, namely health sciences and electrical, biomedical, and computer engineering. Copyright © 2014 SCITEPRESS - Science and Technology Publications. All rights reserved.

Implementação de um Array de detetores de radiação ionizante

Atualmente, as radiações ionizantes desempenham um papel fundamental nas áreas de diagnóstico e terapia, estando omnipresentes em ambientes hospitalares. Contudo, devido aos efeitos biológicos adversos da radiação, torna-se essencial a protecção dos profissionais de saúde e pacientes. Consequentemente, um array de detetores capazes de produzir um sinal acústico, aquando da presença de radiação ionizante excedendo determinados valores limite e transmissão via wireless das leituras para um sistema central _e de grande interesse prático. Nesta dissertação, foi implementado um sistema capaz de alimentar um array de sensores de radiação para monitorização de diferentes espaços e transmissão das leituras efetuadas via wireless. A aquisição de dados foi realizada, recorrendo à utilização de um conversor analógico-digital. Vários testes de validação foram realizados, através de vários passos para alcançar a concretização do sistema final, nomeadamente testes relativos ao circuito de detecção, módulos de comunicação wireless, bem como o uso de diferentes ambientes de desenvolvimento integrados (IDE). Os resultados destes testes mostram a visualização e gravação adequadas dos dados relativos aos níveis de radiação, bem como a transmissão de dados de forma viável, permitindo a monitorização de espaços sujeitos à presença de radiação ionizante. Desta forma, um array de contadores Geiger-Müller, ligados a módulos wireless XBee open-source e uma placa Arduino, possibilitou a implementação de um sistema viável e de baixo custo para monitorização de radiação ionizante e registar esses mesmos dados para posterior análise.

Interface IP-KNX para um sistema de controlo domótico

São vários os factores sociais e económicos que valorizam a aplicação de tecnologias de domótica em edifícios. No caso particular dos edifícios residenciais, a tendência dos seus utilizadores é a instalação de sistemas de controlo da segurança, do ambiente, de mecanismos de rega e de alarmes. Assim, seguindo a premissa do marketing, que identifica como uma boa prática a projecção de produtos / serviços que satisfaçam as necessidades inventariadas pelos seus utilizadores, este trabalho assenta na criação de um sistema domótico, controlado remotamente através de uma aplicação Android, que pretende, numa primeira instância, o controlo das lâmpadas de uma habitação. Neste trabalho é utilizado o protocolo KNX.TP para a comunicação dos dispositivos de domótica existentes no ISEP, que constituem o ambiente domótico deste trabalho. De forma a implementar o controlo remoto destes dispositivos via internet, este trabalho foca-se no desenvolvimento de uma interface IP-KNX, usando como hardware de controlo, um Arduino Mega 2560, uma placa de interface Ethernet para Arduino, a placa de integração KNX, e um servidor web com a linguagem PHP instalada. Para efeitos de demonstração, foi criada uma aplicação para o SO Android que controla as lâmpadas da rede KNX. Neste trabalho foram utilizadas várias linguagens de programação: C++ no firmware do Arduino, PHP no servidor web e JAVA + XML na aplicação Android.

Modelação e identificação de motor DC

O modelo matemático de um sistema real permite o conhecimento do seu comportamento dinâmico e é geralmente utilizado em problemas de engenharia. Por vezes os parâmetros utilizados pelo modelo são desconhecidos ou imprecisos. O envelhecimento e o desgaste do material são fatores a ter em conta pois podem causar alterações no comportamento do sistema real, podendo ser necessário efetuar uma nova estimação dos seus parâmetros. Para resolver este problema é utilizado o software desenvolvido pela empresa MathWorks, nomeadamente, o Matlab e o Simulink, em conjunto com a plataforma Arduíno cujo Hardware é open-source. A partir de dados obtidos do sistema real será aplicado um Ajuste de curvas (Curve Fitting) pelo Método dos Mínimos Quadrados de forma a aproximar o modelo simulado ao modelo do sistema real. O sistema desenvolvido permite a obtenção de novos valores dos parâmetros, de uma forma simples e eficaz, com vista a uma melhor aproximação do sistema real em estudo. A solução encontrada é validada com recurso a diferentes sinais de entrada aplicados ao sistema e os seus resultados comparados com os resultados do novo modelo obtido. O desempenho da solução encontrada é avaliado através do método das somas quadráticas dos erros entre resultados obtidos através de simulação e resultados obtidos experimentalmente do sistema real.

PV inverters for module level applications

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Energias Renováveis – Conversão Eléctrica e Utilização Sustentáveis