Reporte: Informática: los bits / Josefa Antris, Fanco Castañeda, Andrés Aliaga

Título	Informática: los bits / Josefa Antris, Franco Castañeda, Andrés Aliaga
Asignatura	Taller de Fabricación
Del Curso	Taller de Fabricación 2022
Carreras	Diseño, Diseño Industrial"Diseño Industrial" is not in the list (Arquitectura, Diseño, Magíster, Otra) of allowed values for the "Carreras Relacionadas" property.
Nº	7
Alumno(s)	Josefa Antris, Franco Castañeda Becerra, Andrés Aliaga Chandía

El Bit

Es la unidad mínima con la cual trabajan todos los sistemas informáticos, esta unidad es binaria, es decir, puede ser 0 o 1, verdadero o falso, si o no, dependiendo del valor asociado a la variable. A través del sistema binario se puede configurar cualquier dato; para un ejemplo práctico cabe mencionar el código morse, en el que a través de pulsos (encendido y apagado) y un tiempo asociado se componen mensajes cifrados, que al decodificarlos comunican palabras o signos.

Maquina de universal de Turing

La maquina de Turing fue la primera computadora, o modelo teórico de estas, que dio inicio a las reducidas máquinas digitales que conocemos hoy. Funcionaba mas como una comparadora mecánica de símbolos, y fue el primer modelo teórico de una computadora; era una máquina capaz de producir un algoritmo mecánico. En palabras de Turing: "... una ilimitada capacidad de memoria obtenida en la forma de una cinta infinita marcada con cuadrados, en cada uno de los cuales podría imprimirse un símbolo. En cualquier momento hay un símbolo en la máquina; llamado el símbolo leído. La máquina puede alterar el símbolo leído y su comportamiento está en parte determinado por ese símbolo, pero los símbolos en otros lugares de la cinta no afectan el comportamiento de la máquina. Sin embargo, la cinta se puede mover hacia adelante y hacia atrás a través de la máquina, siendo esto una de las operaciones elementales de la máquina. Por lo tanto cualquier símbolo en la cinta puede tener finalmente una oportunidad." Turing (1948, p. 61.)

En palabras simples, la cinta es la memoria, y el cabezal (procesador) es quien imprime y lee la información de esa memoria, pudiéndose crear algoritmos de la forma, si lees este símbolo y luego este se repite en a siguiente lectura, cambia el que viene a continuación; o si el símbolo que lees es el mismo que leíste previamente cámbialo.

Arduino

Arduino es una compañia de desarrollo de software y hardware de código abierto que desde 2005 ha desarrollado diversas placas de desarrollo para la creación de hardware. Existen varios modelos, que se diferencian en la cantidad de memoria y entradas y salidas disponibles. Un arduino es un microcontrolador en el que podemos definir entradas y salidas de señales digitales y analógicas, que podemos configurar a traves de software de maneras diversas, así podemos decir, por ejemplo: si lees un valor "x" por la puerta de entrada 6 envía el valor "y" por la puerta de salida 7.

Esta placa se puede incorporar en proyectos de robótica, IoT, control de procesos, Impresión 3D (maquinas CNC en general), proyectos de arte digital (por su gran compatibilidad con plataformas como processing; programación gráfica), control de DRONES, etcétera.

RaspBerry Pi

Los Raspebrry Pi son una serie de modelos de ordenadores de placa simple, bajo costo y de tamaño compacto. Desarrollados por la Raspberry Pi Foundation en Reino Unido. Nacen con el principal objetivo de masificar la creación digital y el conocimiento de la informática. Tras su masificación logró un gran aumento de ventar en el mundo de la robótica. Junto con el Arduino estos ordenadores "low cost" han sido pilares del movimiento DIY y IoT.

Partes y componentes

El producto base, es la placa, este Hardware se vende sin periféricos usualmente, aunque hay empresas que ofrecen kits con componentes, placas y distintas prestaciones. Desde su primera versión cada placa ha tenido una arquitectura similar, con componentes que han ido mejorando con las nuevas versiones, cada Raspberry Pi posee:

Esquema de componentes del Raspberry Pi 3B

SoC (System on a Chip).
La CPU.
La GPU.
La memoria RAM.
Los puertos USB y Ethernet.
Puertos de salida de vídeo.
Puertos de salida de audio.
El bus CSI.
Puerto de alimentación.
40 pines GPIO (desde la Raspberry Pi 2).

Ninguna de sus versiones incluye memoria de almacenamiento, solo puertos de Tarjetas SD y MicroSD.

Este ordenador tampoco posee botón de encendido/apagado, y al igual que un ordenador de Torre, necesita de teclado y ratón para su primera manipulación, así como memoria de almacenamiento y un cargador de 5V/1A con salida en micro USB.

El Software oficial de Raspberry es de código abierto, llamado Raspberry Pi OS, el cual es un derivado de Debian GNU/Linux, un sistema operativo libre y comunitario. Aún así esta placa permite instalar otros sistemas operativos como Windows.

Potencial y Aplicaciones

Raspberry Pi al ser un ordenador y poder compilar en distintos lenguajes de programación, logra un potencial de desarrollo considerable, permitiéndole mezclarse con controladores como Arduino y con el desarrollo de IA y Machine Learning.

Air Quality Monitor using Raspberry Pi 4, SPS30 and Azure: Un sistema de control de calidad del aire controlado por un Raspberry Pi y un sensor que muestra gráficos fáciles de interpretar del aire interior y exterior, además de tener un link con los servidores en la nube de Microsoft Azure.

Pi0drone: A $200 Smart Drone with the Pi Zero: Un dron inteligente con la capacidad de Piloto automático basado en Linux y un Raspberry Pi.

OpenCat - affordable quadruped robot for STEM: Un robot cuadrúpedo autómata con Inteligencia Artificial, controlado por un Raspberry Pi y un Arduino, desarrollado para la educación STEM y el estudio de IA, con capacidad de reconocimiento facial, sensores de movimiento y proximidad, entre otros componentes.

IoT

Conceptos Claves

Definición de IoT

El IoT es la abreviación del inglés "Internet of Things", en español "Internet de las Cosas", es un tema emergente de importancia técnica, social y económica. Los puntos claves para entender en qué consiste el IoT serían los siguientes:

La naturaleza del IoT es la interconexión de todo tipo de dispositivos y objetos, sea a traves de la red pública de internet o a través de una red interna o privada, pero también puede ser la mezcla de ambas.
Esta interconexión puede darse por proximidad, como podría ser por medio de bluetooth o por cable, o por otro lado mediante conexiones remotas
La interacción de los dispositivos IoT se da entre ellos, por consecuencia, estos dispositivos no requieren ni deberían requerir intervención por parte del del usuario. El objetivo al final es la interacción de máquina a máquina que también en algunos sitios esto se denomina como M2M ("Machine to/two Machine" o "Maquina a maquina"). En base a esto, los dispositivos IoT:
Gestionan o ejecutan tareas en base a la información que obtienen de ellos mismos o de otros dispositivos con los que están interconectados.

Tecnologías Instrumentales

La reciente confluencia de diferentes tendencias del mercado tecnológico está permitiendo que la Internet de las Cosas esté cada vez más cerca de ser una realidad generalizada. Estas tendencias incluyen la conectividad omnipresente, la adopción generalizada de redes basadas en el protocolo IP, la economía en la capacidad de cómputo, la miniaturización, los avances en el análisis de datos y el surgimiento de la computación en la nube.

Modelos de Conectividad

Las implementaciones de la IoT utilizan diferentes modelos de conectividad, cada uno de los cuales tiene sus propias características. Los cuatro de los modelos de conectividad descritos por la Junta de Arquitectura de Internet incluyen: Device-to-Device (dispositivo a dispositivo), Device-to-Cloud (dispositivo a la nube), Device-to-Gateway (dispositivo a puerta de enlace) y Back-End Data-Sharing (intercambio de datos a través del back-end). Estos modelos destacan la flexibilidad en las formas en que los dispositivos de la IoT pueden conectarse y proporcionar un valor para el usuario.

Device to Device
Device-to-Cloud
Device-to-Gateway
Back-End Data-Sharing

Potencial de Transformación

Si las tendencias y proyecciones sobre el desarrollo de la IoT se convierten en realidad, esto podría obligar un cambio de mentalidad con respecto a las implicancias y problemas en un mundo donde la interacción más frecuente con Internet provendrá de la interacción pasiva con objetos conectados y no de una interacción activa con el contenido. La potencial realización de este resultado —un “mundo hiperconectado”— es una prueba de la naturaleza de propósito general de la propia arquitectura de Internet, que no impone limitaciones inherentes a las aplicaciones o servicios que pueden hacer uso de la tecnología.

Dispositivos que conforman como dispositivo IoT

Esta tecnología se encarna en una amplia gama de productos, sistemas y sensores en red, que aprovechan los avances en la potencia de cálculo, la miniaturización de los componentes electrónicos y las interconexiones de red para ofrecer nuevas capacidades que antes no eran posibles. Desde este punto de vista, la IoT representa la convergencia de una variedad de tendencias en las áreas de la computación y la conectividad que se vienen dando desde hace muchas décadas.

En la actualidad, una amplia gama de sectores de la industria; entre ellos el sector automotriz, la salud, la manufactura, la electrónica de consumo y para el hogar; están analizando el potencial de incorporar la tecnología de la IoT en sus productos, servicios y operaciones.

Algunas tendencias tecnológicas y del mercado que están impulsando las IoT serían las siguientes:

CONECTIVIDAD UBICUA: La conectividad generalizada, de bajo costo y alta velocidad, sobre todo a través de servicios y tecnología inalámbricos con y sin licencia, hace que casi todo sea “conectable“.

ADOPCIÓN GENERALIZADA DE REDES BASADAS EN EL PROTOCOLO IP: El protocolo IP se ha convertido en el estándar dominante para la creación de redes y ofrece una plataforma bien definida y ampliamente implementada en software y herramientas que se pueden incorporar en una variedad de dispositivos de forma fácil y económica.

ECONOMÍAS EN LA CAPACIDAD DE CÓMPUTO: Impulsada por las inversiones de la industria en las áreas de investigación, desarrollo y fabricación, la Ley de Moore continúa ofreciendo mayor potencia de cálculo a precios más bajos y con menor consumo de energía.

MINIATURIZACIÓN: Los avances logrados en la fabricación permiten incorporar tecnología de cómputo y comunicaciones de vanguardia en objetos muy pequeños.23 Junto con una mayor economía en la capacidad de cómputo, esto ha impulsado el desarrollo de sensores pequeños y de bajo costo que a su vez impulsan muchas aplicaciones de la IoT.

AVANCES EN EL ANÁLISIS DE DATOS: La existencia de nuevos algoritmos y el rápido aumento de la potencia de cálculo, el almacenamiento de datos y los servicios en la nube permiten agregar, correlacionar y analizar grandes cantidades de datos. Estos conjuntos de datos grandes y dinámicos ofrecen nuevas oportunidades para extraer información y conocimiento.

SURGIMIENTO DE LA COMPUTACIÓN EN LA NUBE: La computación en la nube aprovecha recursos informáticos remotos conectados en red para procesar, gestionar y almacenar datos. Este paradigma permite que dispositivos pequeños y distribuidos interactúen con potentes sistemas de soporte que brindan capacidades analíticas y de control.

Orígenes del IoT

Pese a que el término sea relativamente nuevo, ya existía décadas atrás el concepto de combinar computadoras y redes para monitorear y controlar diferentes dispositivos. En sí, la idea de conectar máquina y red no son conceptos nuevo pero en la actualidad es un concepto que va ganando mayor popularidad, formando la base de avances tecnológicos importantes y, en efecto, el IoT es uno de los pilares para las empresas que compiten por el dominio de esta carrera o revolución tecnológica.

El término “Internet de las Cosas” (IoT) fue empleado por primera vez en 1999 por Kevin Ashton, pionero británico y cofundador de Auto-ID Center en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Uso el término para describir un sistema en el cual los objetos del mundo físico se podían conectar a Internet por medio de sensores.

Ashton acuñó este término para ilustrar el poder de conectar a Internet las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) que se utilizaban en las cadenas de suministro corporativas para contar y realizar un seguimiento de las mercancías sin necesidad de intervención humana. Hoy en día, el término Internet de las Cosas se ha popularizado para describir escenarios en los que la conectividad a Internet y la capacidad de cómputo se extienden a una variedad de objetos, dispositivos, sensores y artículos de uso diario.

Desafíos

Las principales ventajas del IoT corresponde a la interconexión,

SEGURIDAD
PRIVACIDAD
INTEROPERABILIDAD / ESTÁNDARES
CUESTIONES LEGALES, ÉTICAS LABORALES, REGLAMENTARIAS Y DE DERECHOS
CUESTIONES RELACIONADAS CON LAS ECONOMÍAS EMERGENTES Y EL DESARROLLO

Fuentes

Documentales Dwelle

Ejemplos de IoT (TOP)

https://www.youtube.com/watch?v=-2DxznYu6gA&ab_channel=JoseLuna

Avances de Investigación Individuales

Franco Castañeda B

El desafío tomado como equipo es crear con los microcontroladores un objeto de interacción con códigos de color tipo "semáforo" para que los estudiantes puedan mostrar su estado de ánimo durante las clases, y que en adición se pueda registrar digitalmente en una base de datos para que los profesores, profesionales de la educación y apoderados puedan tener un registro y seguimiento más concreto del estado de ánimo de los estudiantes.

También como desafío personal queda el proyecto de incorporar las prestaciones de conexión a Wifi de mi microcontrolador ESP32 a que la lectura de los sensores del semáforo sean enviados a una base de datos en la nube.

*Repositorio de Registro

Pruebas digitales en TinkerCAD

Prueba de Semáforo con botón

Enlace a circuito

// Prueba de Semáforo
// declarando parametros

int led_verde = 13;
int led_amarillo = 12;
int led_rojo = 8;
const int BOTON = 7; // pin de entrada botón
int val = 0; //val se emplea para almacenar el estad del botón
int state = 0; // 0 LED apagado, mientras que 1 encendido
int old_val = 0; // almacena el antiguo valor de val 


//setup de parámetros
void setup() {
// se indica que cada pin es de salidad OUTPUT.
pinMode(led_verde, OUTPUT);
pinMode(led_amarillo, OUTPUT);
pinMode(led_rojo, OUTPUT);
}


// lazo a ejecutar continuamente una vez cargado el código en el arduino
void loop(){
val= digitalRead(BOTON); // lee el estado del Boton
// chequear si el boton esta presionado o no
if ((val == HIGH) && (old_val == LOW)){
state=1-state;
delay(10);
}
old_val = val; // val is now old, let's store it
if (state==1){
digitalWrite(led_verde,HIGH); // encender LED verde
delay(5000); // mantener por 5 segundos
digitalWrite(led_verde,LOW); // apagar LED verde
digitalWrite(led_amarillo,HIGH); // encender LED amarillo
delay(1000); // mantener por 1 segundos
digitalWrite(led_amarillo,LOW); // apagar LED verde
digitalWrite(led_rojo,HIGH); // encender LED rojo
delay(4000);
digitalWrite(led_rojo,LOW); // encender LED rojo
}
}

Prueba de Semáforo con potenciómetro

Enlace a circuito

//Prueba de Semaforo con Potenciómetro

int ledVerde =8;
int ledAmarillo = 7;
float valorSensor; // valor leído del potenciómetro (0-1023)
float voltajeSensor; // Voltaje sensor
void setup()
{
  pinMode(ledVerde, OUTPUT);
  pinMode(ledAmarillo, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  valorSensor=0;
  valorSensor = analogRead(A0); // Lee el valor del potenciómetro
  voltajeSensor = valorSensor * 5.0 / 1023; // calcula voltaje
  if(voltajeSensor > 2.5)  // evalúa la condición
  {
    // condición verdadera enciende led Verde
    digitalWrite(ledVerde,HIGH); 
    digitalWrite(ledAmarillo,LOW);
    Serial.print(voltajeSensor);
    Serial.println(" LED Verde Encendido");
  }
  else 
  {
    // condición falsa enciende led Amarillo
    digitalWrite(ledVerde,LOW);
    digitalWrite(ledAmarillo,HIGH);
    Serial.print(voltajeSensor);
    Serial.println(" LED Amarillo  Encendido");
  }
 
}

Estudio de base de datos con ESP32

El Microcontolador ESP32 tiene una forma similar al Arduino Nano, y una cantidad de entradas análogas y digitales similares, con la adición de poseer un chip con capacidad de conexión Wifi.

Encuentro esta librería de GitHub que busca instruir y enseñar sobre cómo utilizar la base de datos de Google FIREBASE para poder recibir valores de los sensores conectados al microcontrolador.

Librería de Firebase para ESP32

Enlace a Proyecto en FIREBASE

// Código de Prueba Firebase ESP32
#include <WiFi.h>
#include "FirebaseESP32.h"

// Credenciales wifi
#define WIFI_SSID "Casa OT"
#define WIFI_PASSWORD "ot3141592"

// Credenciales Proyecto Firebase 
#define FIREBASE_HOST "https://prueba-semaforo-esp32-default-rtdb.firebaseio.com/"
#define FIREBASE_AUTH ""

//Firebase Data object
FirebaseData firebaseData;

// En caso de una ruta específica
String nodo = "/Sensores";
bool iterar = true;

void setup ()

{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();

  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  Serial.print("Conectado a Wi-fi");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
  {
    Serial.print(".");
    delay(300);
  }
  Serial.println();

  Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH);  
  Firebase.reconnectWiFi(true);   
}


void loop()
{
   while(iterar) {
      //Para leer los datos     
      iterar = false;
      Firebase.end(firebaseData);
   }  
 }  // End Loop

Prueba de Patron de color con circuito optimizado

Enlace a Propuesta con Led RGB

Diagrama de Circuito.

Investigación de Registro directo de Arduino a Excel

Encuentro un repositorio de Github que mediante código de programación de Python permite ingresar datos de sensores a Excel, pensando en un mecanismo para el proyecto grupal y crear sistema que se pueda vincular a un ordenador para ingreso de datos.

Enlace a librería "Serial to Excel" en Github

Nueva propuesta de base de datos en tiempo real con PLX-DAQ, interacción Arduino-Excel

Descubro una librería más actualizada y nueva que permite ingresar valores y datos de sensores en tiempo real a un archivo Excel con la opción de ingresar valores ilimitados manualmente, permitiendo tener registro de día y hora por cada valor ingresado.

Librería de arduino de proyecto PLX-DAQ versión 2.11

Diagrama de cajas de Propuesta de Interfaz de Proyecto

Diagrama de circuito e interfaz completa involucrando los tres módulos principales de este sistema de regulación del ruido en aula.

Presupuesto para Proyecto

*Presupuesto de componentes para Proyecto

Josefa Antris Fernández

Para esta propuesta cada uno de nosotros tuvo el desafío de plantear un modo de desarrollar un elemento que puedan disponer los alumnos para notificar como se encuentra su estado de emociones durante el periodo de clases, con la condición del uso de microcontroladores y programadores que controlen el elemento y que los estados de emociones estén dispuestos y clasificados mediante el 3 tipos de colores, en luces LED, considerando la cualidad de un semáforo, donde la idea es que al ver la luz poder identificar según el color la emoción. Aparte, estas luces debiesen prenderse a voluntad por medio de un botón.

Elementos a considerar

Idea preliminar de la Propuesta

Para una idea preliminar del modelo tuve en consideración los siguientes factores:

Que sea compacto, de tal modo que brinde una extensión a la mesa del alumno o profesor por sobre algo que pueda llegar a estorbar dentro del uso de esta mesa.

Considerar la visión del alumno(en especial con sensibilidad visual), es decir, que las luces LEDS que transmita el elemento no produzca distracciones a los alumnos, por lo tanto hay que averiguar un modo que esta luz se encuentre en la vista del docente y no del alumnado.

La posibilidad de que cada alumno tenga adquisición del elemento, o de no ser posible, los alumnos que más lo requieran. En el último caso, que se encuentre en la mesa de la maestra. Pero la idea es que el niño sea capáz de acceder al semáforo en ciertos momentos de la clase.

Considerando tres colores de luz LED, luces roja, amarilla y verde, cada una presentaría un umbral de estrés en el infante. En un principio pensando en que el verde representa cuando esté se sienta bien y que está dispuesto a participar libremente en la clase pero que ; la luz amarilla indicaría cuando puede participar en la clase pero prefiere tener su espacio; finalmente la luz roja indica la necesidad de algo, una petición para algo o de realizar un cambio, para ello el docente deberá en algún momento acercarse al infante para poder hablar con él y escucharlo y escuchar sus molestias y sobre lo que él necesita.

(14/11/22→) Con las correcciones de Verónica seguiremos adelante con un enfoque al ruido de la sala y el usuario central serían niños que presenten hipersensibilidad auditiva, pero que se igual manera sea un aparato aplicable para todo alumno. Se agregan también los siguientes objetivos:

Que el propio alumno pueda reportar su propio malestar ocupando el aparato, el cual se simplificaría a un botón de emergencia para advertir su estado y alertar a sus compañeros y al docente responsable, en vez de un semáforo que distinga el umbral de estrés y de dolor que presente el alumno. A diferencia de otros elementos tipo semáforo para ayuda a usuarios e infantes con sensibilidad auditiva o para regular el ruido en la sala de clases, se busca una mirada desde lo cualitativo, una mirada desde la experiencia del niño en vez de ser meramente mediante las medidas en decibeles presentes en la sala.
En ese sentido crea una dinámica en la sala de clase y brinda responsabilidades a los alumnos de la clase, ya que ellos también pueden supervisar, reportar y ayudar al alumno que de uso del aparato.
Por otro lado, se busca de igual modo la función de poder registrar mediante sensores de decibeles y de frecuencia al momento de dar uso del interruptor. Este registro puede brindar ayuda a los docentes para considerar las necesidades de los alumnos aparte de basarse en las estadísticas generales ocupadas en salas para medir el sonido. En ese sentido, tambien sería un facilitador de la acción docente.

Programa Arduino

Para esta semana me enfoque durante los primeros días de trabajo me dediqué a capacitarme en Arduino y de su código de programación IDE para desarrollar esta propuesta. Después de conseguir los materiales necesarios, empecé con el uso de Arduino UNO, Luces LED, resistencia de 220ohms, una Placa Protoboard, pulsadores y cables.

Apuntes de Estudio

Primera Prueba

Video

Código en IDE

Segunda Prueba

Videos

Cáptura

Código en IDE

Tercera Prueba: Adquisición del pulsador

Capturas Primer Intento

Código en IDE

Propuesta del Modelo en base a estructura Arduino

Avances desde Fusión

Modelo 2 Aplicable para cartón o terciado - Pieza Lateral
Modelo 2 - Pieza Frontal(Salida Botones)
Modelo 2 - Pieza Trasera (Salida Leds)
Modelo 2 - Visualización de Piezas

Registros Grupales

Semáforo con Interruptor

Capturas

Código IDE de Arduino

Descripción

int rojo = 2;    //se define el valor del pin para el led rojo
int amarillo = 4; //se define el  valor del pin para el led amarillo
int verde = 7;   //se define el  valor del pin para el led verde
#define boton 8

Programa

void setup() {

 Serial.begin(9600);
 pinMode(verde, OUTPUT);  //declar el pin verde como salida
 pinMode(amarillo, OUTPUT); //declarar el pin amarillo como salida
 pinMode(rojo, OUTPUT);
 pinMode(boton, INPUT); //declar el pin rojo como salida

}

void loop() {

 if (digitalRead(boton)) {
   Serial.print("boton activado");
   digitalWrite(verde, HIGH); //encendemos el led rojo
   delay(20);             //esperamos 2 segundos
   digitalWrite(verde, LOW); //apagamos el led rojo
   delay(5);              //esperamos medio segundo

   digitalWrite(amarillo, HIGH); //encendemos el led amarillo
   delay(20);                 //esperamos 2 segundos
   digitalWrite(amarillo, LOW); //apagamos el led amarillo
   delay(5);                  //esperamos medio segundo

   digitalWrite(rojo, HIGH); //encendemos el led verde
   delay(20);              //esperamos 2 segundos
   digitalWrite(rojo, LOW); //apagamos el led verde
   delay(5);               //esperamos medio segundo
 }
 else {
   digitalWrite(verde, LOW);
   digitalWrite(amarillo, LOW);
   digitalWrite(rojo, LOW);
 }

}

Resultados

Propuesta de Interfaz

Propuesta de semáforo

Propuesta del Botón

Registros 24 de Noviembre