Este documento presenta un sistema para monitorear y controlar instalaciones de forma remota utilizando software libre. El sistema consta de tres bloques: una unidad de control basada en Raspberry Pi, un servidor y base de datos, y una aplicación web. El sistema permite la monitorización en tiempo real de variables como temperatura, humedad y luminosidad, así como el control remoto de dispositivos como cámaras, LEDs y motores. El documento describe el diseño y funcionamiento de cada bloque y del sistema completo.

1. AUTOR: D. Zebenzuy Lima López
TUTORES: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Hugo García Vázquez
TITULACIÓN: Ingeniero de Telecomunicación
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
SISTEMA PARA MONITORIZAR Y
CONTROLAR INSTALACIONES DE
FORMA REMOTA UTILIZANDO
SOFTWARE LIBRE
EITE 2015

2. INDICE
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros

3. 1. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 1

4. 1. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
• Adquirir nuevos conocimientos y aptitudes
• Aplicar las distintas disciplinas de la titulación
• Desarrollar un producto
2
ACTUAL
FUNCIONAL
VERSÁTIL
FUTURO

5. 2. OBJETIVOS
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 3

6. 2. OBJETIVOS
• Diseñar un sistema abierto para monitorizar y
controlar cualquier tipo instalación de forma
remota utilizando Software libre
• Uso y gestión un servidor y una base de datos
• Creación de una aplicación web
• Abordar el proyecto por separado: 3 Bloques
• Implementación y verificación del sistema general
• Estudio de posibles aplicaciones
4
DISEÑAR
USAR Y GESTIONAR
ESTUDIAR
IMPLEMENTACIÓN Y VERIFICACIÓN
DESARROLLAR

7. 3. INTRODUCCIÓN
1. Motivación
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 5

8. 3. INTRODUCCIÓN
 Redes sensores e Internet de las cosas como base del
proyecto
 Redes de sensores
 Monitorizan magnitudes físicas de procesos productivos
 Actualmente se comunican de forma inalámbrica
 Tamaño reducido, potentes y consumo eficiente
 Utilizan ZigBee, Bluetooth, WIFI o GPRS
 Estándar IEEE 802.15.4
 Diversas aplicaciones: domótica, militares, industriales,
agrícolas, protección medioambiental, etc
6

9. 3. INTRODUCCIÓN
• Mota o nodo
Sensor
Transmisor con
tecnología
inalámbrica:
wifi,zigbee,bluetooth..
Batería
CPU/Memoria
7

10. 3. INTRODUCCIÓN
 Internet de las cosas
 Interconexión de objetos cotidianos con Internet
 Próxima evolución de Internet
 En 2003 : 0,08 dispositivos/persona
 Actualmente : 1,84 dispositivos/persona
 Internet sensorial
8

11. 3. INTRODUCCIÓN
• Propuesta sistema general
CPU
Wifi
Red Waspmote
Red Arduino
Otros
Sensores
Actuadores
Cámara
Otros
INTERNET
Ethernet
Servidor
WEB
WEB
WEB
Usuario 1
Usuario 2
Usuario 1
CPU
Wifi
Red Waspmote
Red Arduino
Otros
Sensores
Actuadores
Cámara
Otros
Usuario 2
Ethernet
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
9
BLOQUE 1 BLOQUE 3
BLOQUE 2

12. 4. BLOQUE 1
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 10

13. 4. BLOQUE 1
• Estará ubicado en la instalación a monitorizar
y controlar
 Raspberry Pi
11
ARDUINO
SERVO MOTOR
CÁMARA WEB
LEDs

14. 4. BLOQUE 1
 Raspberry Pi
 Configurada y programada completamente desde cero
 Es la unidad de control en la instalación
 Encargada de la recepción (Gateway) y envío de datos al
servidor principal
 Maestro (Master) en la comunicación con Arduino
 Controla los dispositivos añadidos
 Actualiza su IP pública automáticamente, evitando uso de
dominios
 Por seguridad
 Permisos de acceso a la base de datos restringidos
 Conexión SSH con el servidor
 Clave RSA como huella alojada en servidor principal
12

15. 4. BLOQUE 1
 Dispositivos conectados a la Raspberry Pi
 Arduino
 Incorpora los sensores que recogen los valores
analógicos de temperatura, humedad y
luminosidad
 Envía los datos a través de USB al Gateway (RPi)
 Esclavo (Slave)
 Servo motor
 Cámara web
 LEDs
 Hub 4xUSB
13

16. Se ejecuta script de petición de
datos
Se crea Tunneling SSH
Se realiza la conexión segura
con la base de datos
Se abre el puerto serie
• Se definen los parámetros de
conexión
• Se escribe por el puerto serie
un dato ("1")
• Se lee el puerto serie pasado
un timeout establecido
Se reciben los datos y se realiza la
conversión necesaria
Se almacenan los datos en la
BD
Se cierran las conexiones
• Base de datos
• Puerto serie
• SSH
Petición desde
la aplicación
web
Se lee el puerto serie
Se leen los datos
analógicos de los
sensores
Se envían los datos
por el puerto serie con
un formato establecido
Se hace un vaciado del
puerto serie (flush)
Vacío
Hay dato
4. BLOQUE 1
14

17. 5. BLOQUE 2
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 15

18. 5. BLOQUE 2 - Servidor
 Utilización de un servidor WAMP
 Funciones del servidor
• Gestión de usuarios, base de datos
• Alojamiento de la aplicación web
16
WINDOWS
APACHE MySQL
PHP

19. 5. BLOQUE 2 - Servidor
 Configuraciones
• Acceso remoto permitido desde RPi
• Creación de un usuario para RPi
• Privilegios restringidos
17
MAYOR
CONTROL
SEGURIDAD

20. 5. BLOQUE 2 - Base de datos
 Base de datos MySQL
18
GESTIÓN INSTALACIONES
USUARIOS
INSTALACIONES
 Acceso y privilegios
restringidos para RPi.
 Control absoluto
para el administrador
 Sólo podrá actualizar
el servidor (IP pública)
 Sólo podrá insertar
los nuevos datos de
los sensores

21. 5. BLOQUE 2 - Base de datos
Usuarios
ID User Password Servidor
19

22. 5. BLOQUE 2 - Base de datos
Instalaciones
ID Nodo Hum Lum Temp Fecha Ref
Base de datos relacional: Ref está relacionado con el ID
de la tabla usuarios
20

23. 6. BLOQUE 3
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 21

24. 6. BLOQUE 3
 Aplicación web
 Acceso: Programado en PHP y HTML
 Restringe el acceso al usuario
 Aplicación: Programada en HTML5, JavaScript,
PHP y CSS
 Permite la monitorización y control de la
instalación
22
USUARIO CONTRASEÑA

25. 6. BLOQUE 3
• Aplicación web: Acceso
23

26. 6. BLOQUE 3
 Aplicación web: Monitorización
24
LUMINOSIDAD TEMPERATURA
HUMEDAD
RELATIVA
FECHA

27. 6. BLOQUE 3
• Aplicación web: Control
25
LEDs
WEBCAM
SERVO MOTOR

28. 7. SISTEMA COMPLETO
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 26

29. 7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO
INTERNET
Servidor
WEB WEB
Usuario 1
Usuario 2
Usuario
RPi
Instalación del Usuario
LEDs
Servo motor
Cámara web
Datos de los sensores.
vía USB
Datos sensores calibrados.
Vía WIFI
ACCIONES DEL USUARIO:
Petición de datos
Activar/desactivar Cámara web
Rotar servo motor
Encender/Apagar LEDs
IP PÚBLICA
87.20.20.20
Usuario
Contraseña
27

30. 7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO
INTERNET
Servidor
WEB WEB
Usuario 1
Usuario 2
Usuario
RPi
Instalación del Usuario
LEDs
Servo motor
Cámara web
Datos de los sensores.
vía USB
Datos sensores calibrados.
Vía WIFI
ACCIONES DEL USUARIO:
Petición de datos
Activar/desactivar Cámara web
Rotar servo motor
Encender/Apagar LEDs
IP PÚBLICA
87.20.20.20
Usuario
Contraseña
27
LOGIN

31. 7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO
INTERNET
Servidor
WEB WEB
Usuario 1
Usuario 2
Usuario
RPi
Instalación del Usuario
LEDs
Servo motor
Cámara web
Datos de los sensores.
vía USB
Datos sensores calibrados.
Vía WIFI
ACCIONES DEL USUARIO:
Petición de datos
Activar/desactivar Cámara web
Rotar servo motor
Encender/Apagar LEDs
IP PÚBLICA
87.20.20.20
Usuario
Contraseña
27
PETICIÓN
RECIBIDA

32. 7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO
INTERNET
Servidor
WEB WEB
Usuario 1
Usuario 2
Usuario
RPi
Instalación del Usuario
LEDs
Servo motor
Cámara web
Datos de los sensores.
vía USB
Datos sensores calibrados.
Vía WIFI
ACCIONES DEL USUARIO:
Petición de datos
Activar/desactivar Cámara web
Rotar servo motor
Encender/Apagar LEDs
IP PÚBLICA
87.20.20.20
Usuario
Contraseña
27
¡DATOS
DISPONIBLES!

33. 7. SISTEMA COMPLETO
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 28

34. 7. SISTEMA COMPLETO - ADMINISTRACIÓN
 Administración del sistema
• Acceso remoto como administrador a RPi
• Mantenimiento del servidor, base de datos y
aplicación web
 Gestión de errores
• Archivos log en RPi
• Recepción de correo electrónico
29

35. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 30

36. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Temperatura
46.5
47
47.5
48
48.5
49
49.5
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
TemperaturaºC
7 horas encendida + Webcam
31

37. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Temperatura
Horas encendida Temperatura máxima Temperatura media
2 47.6 ºC 47.34ºC
4 47.6 ºC 46.81 ºC.
5 47.6 ºC 47.11 ºC.
7 49.7 ºC 48.73 ºC.
32

38. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Temperatura
Horas encendida Temperatura máxima Temperatura media
2 47.6 ºC 47.34ºC
4 47.6 ºC 46.81 ºC.
5 47.6 ºC 47.11 ºC.
7 49.7 ºC 48.73 ºC.
32
49.7 ºC

39. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 33

40. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• CPU
17.8
5.6
53.4
0.6
0
10
20
30
40
50
60
Sensores LEDs Webcam Servo
Consumo CPU (%)
34

41. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Webcam proceso crítico
35
Resolución CPU (%) Memoria (%)
320x240 53,4 0,4
720x480 92,7 0,9
800x600 91,7 1,3
1280x720 93 2,3

42. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Webcam proceso crítico
35
Resolución CPU (%) Memoria (%)
720x480 92,7 0,9
800x600 91,7 1,3
1280x720 93 2,3
320X240 53,4 0,4

43. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Conclusiones y trabajos futuros
11. Presupuesto 36

44. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Memoria
2.5
2
0,4
1.4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Sensores LEDs Webcam Servo
Consumo Memoria (%)
37

45. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 38

46. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Estudio energético
Tarifa punta: 0,165383 €/kWh 21,731 €
Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 17,085 €
Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 11,706 €
vs
Tarifa punta: 0,165383 €/kWh 94.108 €
Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 73.985 €
Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 50.692 €
39
P = 15 W
P = 64.98 W

47. 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Estudio energético
Tarifa punta: 0,165383 €/kWh 21,731 €
Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 17,085 €
Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 11,706 €
vs
Tarifa punta: 0,165383 €/kWh 94.108 €
Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 73.985 €
Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 50.692 €
39
Ahorro anual del 77 % en la tarifa de la
energía eléctrica
21.731 €
94.108 €

48. 9. POSIBLES APLICACIONES
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Posibles aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 40

49. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Centro de procesamiento de datos (CPD)
41

50. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Centro de procesamiento de datos (CPD)
1. Medidas de seguridad en caso de incendio o inundación
2. Sistema específico de refrigeración para mantener una
temperatura baja
3. Instalación de alarmas, control de temperatura y humedad
con avisos SNMP o SMTP
4. Seguridad física de la instalación
42
REQUISITOS

51. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Laboratorios
43

52. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Laboratorios
1. Temperatura estable
2. Niveles de Temperatura y humedad determinados para
equipos electrónicos
3. Protección de sustancias de la luz
44
REQUISITOS

53. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Invernaderos
45

54. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Invernaderos
1. Temperatura
2. Humedad relativa
3. Luminosidad
4. CO2
46
REQUISITOS

55. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Bodegas
47

56. 9. POSIBLES APLICACIONES
• Bodegas
1. Instalación sin oscilaciones térmicas
2. Valores determinados de humedad relativa
3. Importancia de conocer la temperatura y humedad
relativa en todo momento
48
REQUISITOS

57. 10. PRESUPUESTO
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto
11. Conclusiones y trabajos futuros 49

58. 10. PRESUPUESTO
Concepto Valor
Costes Hardware 648,89 €
Costes de materiales electrónicos
utilizados 205,05 €
Costes de recursos humanos 4200 €
Total 5053,94 €
IGIC 7% 353,776 €
Presupuesto Total 5407,72 €
50

59. 10. PRESUPUESTO
Concepto Valor
Costes Hardware 648,89 €
Costes de materiales electrónicos
utilizados 205,05 €
Costes de recursos humanos 4200 €
Total 5053,94 €
IGIC 7% 353,776 €
Presupuesto Total 5407,72 €
50
5407,72 €

60. 11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
1. Motivación del proyecto
2. Objetivos
3. Introducción
4. Bloque 1: Unidad de control
5. Bloque 2: Servidor y base de datos
6. Bloque 3: Aplicación web
7. Sistema completo
7.1. Funcionamiento
7.2. Administración
8. Análisis y resultados
8.1. Temperatura
8.2. CPU
8.3. Memoria
8.4. Estudio energético
9. Aplicaciones
10. Presupuesto.
11. Conclusiones y trabajos futuros 51

61. 11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
1. Configuración y programación al completo y desde
cero de la Raspberry Pi para que sea capaz de
cumplir con los requisitos del proyecto
2. Estudio de la placa Arduino y del kit de sensores
3. Desarrollo de un Software para la petición y
recepción de datos que proceden de los sensores y
posterior almacenamiento en una base de datos
4. Desarrollo de Software para cada dispositivo que
será controlado por el cliente desde una aplicación
web
52

62. 11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
5. Configuración de un servidor y una base de datos que
administrará el sistema y dará soporte a las diferentes
instalaciones
6. Desarrollo de una aplicación web que permite
monitorizar y controlar las instalaciones mediante
cualquier dispositivo que soporte un navegador web
7. Medidas de seguridad en la configuración de la RPi, en la
base de datos, en el servidor y en la aplicación web
8. Estudio de los requisitos de diferentes instalaciones
9. Construcción de un prototipo mediante el cual se podrá
realizar una demostración
53

63. 11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
• Trabajos futuros
1. Implementar la comunicación ZigBee
2. Proporcionar mayor seguridad a la aplicación web.
Conexión segura SSL
3. Desarrollar una aplicación móvil para los sistemas
operativos móviles más importantes
4. Añadir más nodos con sensores que midan
diferentes parámetros y aumentar así el número de
posibles aplicaciones
5. Proveer una salida comercial al proyecto
54

64. AUTOR: D. Zebenzuy Lima López
TUTORES: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Hugo García Vázquez
TITULACIÓN: Ingeniero de Telecomunicación
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
SISTEMA PARA MONITORIZAR Y
CONTROLAR INSTALACIONES DE
FORMA REMOTA UTILIZANDO
SOFTWARE LIBRE
EITE 2015

65. UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!
EITE 2015