Diseño y construcción de módulo IoT para la monitorización de la calidad del agua de riego

La memoria de este proyecto comienza analizando el estado actual del problema a resolver mediante el desarrollo del sistema propuesto. Se enumeran los distintos problemas devenidos de una mala gestión de los recursos hídricos a los cuales se puede hacer frente mediante la utilización de la herramienta desarrollada. Más adelante se realiza un estudio del estado de la técnica, en el que se analizan las investigaciones realizadas por terceros en el mismo área de conocimiento en el que se desarrolla el sistema expuesto. También se realiza una búsqueda de sistemas similares ya desarrollados, en el ámbito de investigación o presentes en el mercado, poniendo el foco en las diferencias presentes y tratando de desarrollar un producto competitivo. Tras ello se expone la metodología de trabajo seguida para el desarrollo del proyecto, que abarca desde la fase de diseño hasta la de pruebas, pasando por la construcción e implementación. Una vez descritas las distintas fases del desarrollo se comienza por la primera de ellas, el diseño del sistema. En este capítulo se analizarán los requerimientos del sistema, se diseñará un sistema que satisfaga dichos requerimientos y mediante el lenguaje unificado SysMl se realizará el modelado de este diseño. Después de realizar el diseño del sistema y especificar todas sus partes, se procede a diseñar el componente fundamental del sistema hardware, la placa de circuito impreso o PCB. En el capítulo dedicado a este tema se exponen las restricciones de diseño encontrados, el diseño esquemático del circuito, y los parámetros establecidos para la fabricación del mismo. También son especificados el posicionamiento escogido para los componentes hardware del circuito y la técnica de enrutamiento seguida para su interconexión. Se sigue la memoria exponiendo los parámetros de diseño tenidos en cuenta para el correcto funcionamiento del sistema desarrollado a nivel eléctrico, tales como cálculo de potencia disipada, dimensionamiento de resistencias, diseño de sistema de alimentación o sistema de control de potencia suministrada a las electroválvulas. A continuación, se realiza un estudio sobre el sistema desarrollado para realizar la conversión de los datos arrojados por los sensores instalados, en analógico, a valores computables en el microcontrolador, que son digitales. En este estudio se analiza que conversor ha de usarse para cumplir los requerimientos establecidos y se muestra la configuración escogida para el mismo. En el capítulo que sigue a este, se realiza la calibración de los sensores, atendiendo a los valores tomados en las pruebas de laboratorio que han sido realizadas. Una vez establecidos todos los parámetros de diseño hardware del sistema, se procede a su ejecución. Para la fabricación de la PCB se decide externalizar la producción, por lo que se realiza un breve estudio de mercado de las distintas empresas que ofrecen este servicio. Una vez fabricada la placa de la PCB se procede a posicionar los distintos componentes que conforman el sistema. Para ello se realiza un estudio de mercado de los distintos proveedores hardware disponibles, y una vez adquiridos dichos componentes se realizan las soldaduras necesarias. El mismo proceso se sigue para los componentes hardware periféricos. Estando ya desarrollado el sistema hardware, se procede al desarrollo software del sistema, basado principalmente la programación del microcontrolador instalado en la PCB. También se realiza el desarrollo web necesario para implementar una plataforma online de graficado de los datos obtenidos, un bot de Telegram funcional capaz de cambiar aspectos de configuración del sistema de forma remota y ofrecer datos recogidos en tiempo real, y una plataforma online parta la actualización de software de forma remota e inalámbrica (OTA). Una vez construidos los sistemas software y hardware, se procede al diseño y ejecución del sistema hidráulico encargado de realizar la derivación del flujo de agua en baipás para la toma de muestras. Este sistema compuesto por tuberías es diseñado y fabricado usando piezas estándar de fontanería, para permitir su acople en instalaciones reales. Tras ello se realiza el diseño y construcción del cofre contenedor del sistema hardware desarrollado. Dicho diseño se realiza mediante modelado 3D y las distintas piezas que lo componen son fabricadas con impresoras 3D. Por último, se procede a especificar todas las pruebas realizadas durante el desarrollo del proyecto. Primeramente, se realiza una exposición del diseño de pruebas escogido y después se presentan los resultados obtenidos tras ejecutar las pruebas siguiendo dicho diseño. Abstract: The report of this project begins with an analysis of the current state of the problem to be solved through the development of the proposed system. It lists the different problems resulting from poor water resource management that can be addressed by using the developed tool. Later on, a study of the state of the art is carried out, in which the research carried out by third parties in the same area of knowledge in which the proposed system is developed is analyzed. A search for similar systems already developed in the research area or present on the market is also carried out, focusing on the present differences and trying to develop a competitive product. After this, the work methodology followed for the development of the project is presented, ranging from the design phase to the testing phase, including construction and implementation. Once the different phases of development have been described, we will start with the first phase, the design of the system. In this chapter, the system requirements will be analyzed, a system that satisfies these requirements will be designed, and the modeling of this design will be carried out using the unified language SysMl. After designing the system and specifying all its parts, the next step is to design the fundamental component of the hardware system, the printed circuit board or PCB. In the chapter dedicated to this topic, the design restrictions found, the schematic design of the circuit, and the parameters established for its manufacturing are exposed. The positioning chosen for the hardware components of the circuit and the routing technique followed for its interconnection are also specified. The report continues by explaining the design parameters taken into account for the correct operation of the developed system at electrical level, such as calculation of dissipated power, sizing of resistors, design of the power supply system or power control system supplied to the solenoid valves. Next, a study is carried out on the developed system to convert the data provided by the installed sensors, in analog, to computable values in the microcontroller, which are digital. In this study, it is analyzed which converter has to be used to fulfill the established requirements, and the configuration chosen for it is shown. In the chapter that follows this, the calibration of the sensors is carried out, taking into account the values taken in the laboratory tests that have been carried out. Once all the hardware design parameters of the system have been established, we proceed with its execution. For the manufacture of the PCB it is decided to outsource the production, so a brief market study of the different companies that offer this service is carried out. Once the PCB board has been manufactured, the different components that make up the system are positioned. For this purpose, a market study of the different hardware suppliers available is carried out, and once these components have been acquired, the necessary soldering is carried out. The same process is followed for the peripheral hardware components. Once the hardware system is developed, we proceed to the software development of the system, mainly based on the programming of the microcontroller installed on the PCB. The necessary web development is also carried out to implement an on-line platform for graphing the data obtained, a functional Telegram bot capable of changing aspects of system configuration remotely and providing data collected in real time, and an on-line platform for software updates remotely and wirelessly (OTA). Once the software and hardware systems are built, we proceed to the design and execution of the hydraulic system in charge of bypassing the water flow in a bypass for sampling. This system composed of pipes is designed and manufactured using standard plumbing parts, to allow its coupling in real installations. After that, the design and construction of the container box of the developed hardware system are carried out. This design is made by 3D modeling and the different parts that compose it are manufactured with 3D printers. Finally, all tests carried out during the development of the project are specified. First, a presentation of the chosen test design is made and then the results obtained after running the tests following this design are presented.