Red zigbee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas

UNIVERSIDAD DE GRANADA
INGENIERIA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
NOMBRE DEL TRABAJO: Red ZigBee para la monitorización de variables atmosféricas y
meteorológicas
Autor: Julián Fernández Ortiz
Directores: Andrés Godoy Medina
Departamento: Departamento de Electrónica y tecnología de computadores
Palabras clave: Redes, Sensores, Zigbee, Arduino, Inalámbrico, Control, Variables
atmosféricas y meteorológicas

Resumen
Diseño, desarrollo e implementación de una red inalámbrica de
sensores (WSN) empleando la tecnología Zigbee. Se realizan
diferentes estudios y comparativas con varias tecnologías de
comunicación y se analizan las diferentes opciones de mercado
para el óptimo desarrollo de la red. A su vez, se desarrolla una
interfaz (multiplataforma) capaz de monitorizar los datos
aportados por los sensores y actuar sobre las diferentes
variables a controlar.
Se ha creado un prototipo de estación meteorológica y
atmosférica, capaz de monitorizar todas las magnitudes a medir,
minimizando costes y componentes y optimizando el gasto
energético.
Design, development and implementation of a Wireless Sensor
Network (WSN) using Zigbee technology. Different studies and
comparisons have been made with various communication
technologies and market options for the optimal development of
the network. Also, I have developed an interface (platform)
capable of monitoring the data provided by the sensors and
acting on different variables to control the procces.
It has been created an atmospheric and meteorological station,
able to monitor all measured magnitudes, minimizing costs,
components and optimizing energy consumption.

AUTORIZACIÓN DE LECTURA DE
TRABAJO FIN DE CARRERA
D. Andrés Godoy Medina profesor del Departamento de Electrónica y Tecnología de
Computadores de la Universidad de Granada, como director/es del Trabajo Fin de
Grado titulado “Red ZigBee para la monitorización de variables atmosféricas y
meteorológicas” y realizado por el alumno D. Julián Fernández Ortiz
CERTIFICA/N: que el citado Trabajo Fin de Grado, ha sido realizado y redactado por
dicho alumno y autorizan su presentación.
Granada,
Fdo. Andrés Godoy Medina

AUTORIZACIÓN DE DEPÓSITO EN LA BIBLIOTECA
Yo, D/Dña. Julián Fernández Ortiz con DNI 75169285H, autor del Trabajo Fin de
Grado titulado “Red ZigBee para la monitorización de variables atmosféricas y
meteorológicas” realizado en la Universidad de Granada
AUTORIZO: al depósito de dicho Trabajo en la Biblioteca de la Universidad de
Granada, y de la visualización a través de Internet.
Granada,
Fdo. D/Dña. Julián Fernández Ortiz

Índice de contenido
1Abstract.....................................................................................................................................8
2Palabras clave............................................................................................................................8
3Motivación................................................................................................................................8
4Introducción..............................................................................................................................9
5Objetivos.................................................................................................................................11
6Análisis de la tecnología a usar...............................................................................................11
6.1Hardware.........................................................................................................................11
6.1.1Sensores...................................................................................................................11
6.1.1.1MG - 811; Sensor de medida de CO2..............................................................13
6.1.1.2MQ - 131; Sensor de medida de O3.................................................................13
6.1.1.3MQ – 7; Sensor de CO.....................................................................................14
6.1.1.4MQ-135............................................................................................................15
6.1.1.5SHT 25.............................................................................................................16
6.1.1.6Decisión y precios............................................................................................16
6.1.2Microcontroladores..................................................................................................17
6.1.2.1AVR vs PIC......................................................................................................17
6.1.2.2Decisión...........................................................................................................19
6.1.3Placa de Arduino [E4]..............................................................................................19
6.1.3.1Definición........................................................................................................19
6.1.3.2Un poco de historia..........................................................................................19
6.1.3.3Especificaciones y placas.................................................................................21
6.1.3.4Arduino en el mundo de la Tecnología............................................................24
6.1.3.5Decisión [E5]...................................................................................................24
6.1.4Baterías....................................................................................................................25
6.1.4.1Estudio de las variables ambientales de Granada y Nuuk...............................27
6.1.4.2Estudio del tipo de baterías existentes y cargadores........................................29
6.1.4.3Decisión...........................................................................................................36
6.1.5Tecnología inalámbrica............................................................................................37
Red ZigBee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas 1 de 114

6.1.5.1ANT.................................................................................................................37
6.1.5.2Bluetoth............................................................................................................39
6.1.5.3Bluetooth low energy.......................................................................................40
6.1.5.4NFC..................................................................................................................41
6.1.5.5ZigBee..............................................................................................................42
6.1.5.6Comparativa y decisión de la tecnología a usar...............................................47
6.1.5.7Módulo inalámbrico.........................................................................................48
6.1.6Módulo inalámbrico. Funcionamiento y montaje....................................................54
6.1.6.1Operación.........................................................................................................54
6.1.6.2Breakout para Xbee..........................................................................................58
6.1.6.3Placa Xbee Explorer USB................................................................................58
6.2Software...........................................................................................................................59
6.2.1IDE de Arduino........................................................................................................59
6.2.2Programación de los modulos inalámbricos. X – CTU ..........................................62
6.3Interfaz con el usuario.....................................................................................................65
7Casos prácticos........................................................................................................................66
7.1Semáforo completo. Software Arduino...........................................................................66
7.2Estación meteorológica simple........................................................................................68
7.3Medidor de Calidad del Aire...........................................................................................73
7.4Medidor de CO en aire....................................................................................................75
7.5Estación meteorológica y atmosférica.............................................................................77
7.6Conexión Zigbee simple..................................................................................................81
7.7Estación meteorológica y atmosférica con conexión inalámbrica Zigbee......................82
8Aplicaciones del proyecto.......................................................................................................84
8.1Aplicación en red de edificios.........................................................................................84
8.2Red ZigBee en red de transporte urbano.........................................................................86
9Bibliografía.............................................................................................................................91
10Anexos..................................................................................................................................95
10.1Anexo 1: Códigos de programas...................................................................................95
10.1.1Códigos del IDE Arduino......................................................................................95

10.1.1.1Caso Práctico 1. Semáforo Completo. ..........................................................95
10.1.1.2Caso práctico 2. Estación Meteorológica Simple..........................................96
10.1.1.3Caso práctico 3. Medidor de Calidad del Aire...............................................97
10.1.1.4Caso práctico 4. Medidor de CO en aire........................................................98
10.1.1.5Caso Práctico 5. Estación meteorológica y Atmosférica...............................99
10.1.1.6Caso práctico 6. Conexión Zigbee Simple...................................................101
10.1.1.7Caso práctico 7. Estación meteorológica y atmosférica con conexión
inalámbrica Zigbee ...................................................................................................102
10.1.2Código del Software Processing..........................................................................104
10.1.2.1Caso Práctico 2. Estación meteorológica Simple........................................104
10.1.3Código del programa MATLAB..........................................................................105
10.1.3.1Caso práctico 2. Estación Meteorológica Simple........................................105
10.1.4Código en Lenguaje Python.................................................................................107
10.1.4.1Caso práctico 2. Estación meteorológica Simple.........................................107
10.1.4.2Caso Práctico 3. Medidor de Calidad del Aire.............................................108
10.1.4.3Caso Práctico 4: Medidor de CO en aire.....................................................109
10.1.4.4Caso Práctico 5. Estación Meteorológica y Atmosférica.............................110
10.2Anexo 2. Presupuesto general del proyecto final........................................................114
10.3 Anexo 3. Calendario de trabajo – Diagrama de Gant.................................................114

Índice de ilustraciones
Ilustración 1: Composición de una red de sensores....................................................................9
Ilustración 2: Componentes de un nodo....................................................................................10
Ilustración 3: Tabla de Calidad del Aire de Granada................................................................13
Ilustración 4: MG-811...............................................................................................................13
Ilustración 5: MQ-131...............................................................................................................13
Ilustración 6: Sensor MQ - 7.....................................................................................................14
Ilustración 7: Conexión del MQ-7............................................................................................15
Ilustración 8: Sensor SHT 25....................................................................................................16
Ilustración 9: Microcontrolador PIC.........................................................................................17
Ilustración 10: Microcontrolador de AVR.................................................................................17
Ilustración 11: Plataforma Arduino...........................................................................................20
Ilustración 12: Arduino Uno.....................................................................................................23
Ilustración 13: Arduino Mega...................................................................................................23
Ilustración 14: Arduino Mini.....................................................................................................23
Ilustración 15: Componentes de la placa Arduino Uno............................................................25
Ilustración 16: Parámetros climáticos de Granada....................................................................27
Ilustración 17: Parámetros clímaticos de Nuuk........................................................................28
Ilustración 18: Baterías alcalinas. Capacidad frente a intensidad a diferentes temperaturas ..30
Ilustración 19: Pila alcalina.......................................................................................................31
Ilustración 20: Baterías de litio. Capacidad frente a intensidad a diferentes temperaturas .....32
Ilustración 21: Batería de litio...................................................................................................33
Ilustración 22: Baterías de NiMH. Capacidad frente a intensidad a diferentes temperaturas...34
Ilustración 23: Batería de NiMH...............................................................................................35
Ilustración 24: Cargador Solar Doble USB Xtorm Lava Charger AM114...............................36
Ilustración 25: Ciclocomputador y pulsómetro Garmin............................................................38
Ilustración 26: Bluetooth Low Energy......................................................................................40
Ilustración 27: Ejemplo de uso de la tecnología NFC...............................................................42
Ilustración 28: Ejemplo de red ZigBee.....................................................................................44

Ilustración 29: Topologías de red..............................................................................................45
Ilustración 30: Modelo ZigBee.................................................................................................46
Ilustración 31: Perfiles ZigBee.................................................................................................47
Ilustración 32: Módulo Xbee Znet 2.5......................................................................................49
Ilustración 33: Módulo EasyBee 3............................................................................................50
Ilustración 34: Módulo Pixie.....................................................................................................51
Ilustración 35: Módulo ETRX1................................................................................................52
Ilustración 36: Conexiones y dimensiones de un módulo Xbee Serie 2...................................54
Ilustración 37: Estructura de comando AT................................................................................56
Ilustración 38: Modos de operación. Módulo Xbee de Digi.....................................................57
Ilustración 39: Breakout para Xbee y sus dimensiones............................................................58
Ilustración 40: Placa Xbee Explorer USB.................................................................................59
Ilustración 41: Placa Xbee Explorer USb con el módulo Xbee acoplado.................................59
Ilustración 42: IDE Arduino......................................................................................................60
Ilustración 43: Arduino Serial Monitor.....................................................................................62
Ilustración 44: Pestaña PC - Setting de X - CTU......................................................................63
Ilustración 45: Range Test de X - CTU.....................................................................................64
Ilustración 46: Pestaña Terminal de X - CTU...........................................................................64
Ilustración 47: Modem Configuration de X - CTU...................................................................65
Ilustración 48: Cable USB - B..................................................................................................66
Ilustración 49: Placa Protoboard...............................................................................................67
Ilustración 50: Montaje del Semáforo completo.......................................................................67
Ilustración 51: Sensor de temperatura y humedad DHT11.......................................................69
Ilustración 52: Montaje de la Estación Meteorológica Simple.................................................70
Ilustración 53: Archivo .txt creado por Processing...................................................................71
Ilustración 54: Gráficas creadas por MATLAB........................................................................72
Ilustración 55: Gráfica de datos de la Estación Meteorológica Simple obtenida con Python. .73
Ilustración 56: Montaje del MQ-135........................................................................................74
Ilustración 57: Base de datos de la calidad del aire (Sensor MQ135)......................................75
Ilustración 58: Datos obtenidos del sensor MQ135 (Medidor de Calidad del Aire).................75

Ilustración 59: Conexiones del modulo del sensor MQ-7.........................................................76
Ilustración 60: Base de datos de los valores arrojados por el sensor MQ-7.............................77
Ilustración 61: Gráfica de los datos arrojados por el sensor MQ-7...........................................77
Ilustración 62: Montaje Caso práctico 5 (perspectiva 2)..........................................................78
Ilustración 65: Caso Práctico 5. Gráfica Partículas Nocivas.....................................................79
Ilustración 66: Caso Práctico 5. Gráfica Partículas CO............................................................79
Ilustración 67: Caso Práctico 5. Gráfica Temperaturas.............................................................80
Ilustración 68: Caso Práctico 5. Gráfica Humedad...................................................................80
Ilustración 69: Caso Práctico 5. Gráfica que recoge todas las medidas de todos los sensores. 80
Ilustración 70: Resultado del caso práctico 6............................................................................82
Ilustración 71: Conexionado del último caso práctico y proyecto final....................................83
Ilustración 72: Monitorización de magnitudes a medir. Proyecto final....................................84
Ilustración 73: Zona geográfica - Red meteorológica y atmosférica........................................85
Ilustración 74: Horarios de la línea LAC en Granada...............................................................87
Ilustración 75: Caja de metacrilato - Protector de Electrónica.................................................88
Ilustración 76: Presupuesto general del Proyecto...................................................................114
Ilustración 77: Calendario de trabajo - Diagrama de Gant......................................................115

Índice de tablas
Tabla 1: Características técnicas de las diferentes placas de Arduino......................................22
Tabla 2: Clases de dispositivos Bluetooth.................................................................................39
Tabla 3: Clasificación de los dispositivos Bluetooth por Ancho de Banda...............................40
Tabla 4: Precios de los diferentes módulos inalámbricos ZigBee.............................................53

Red Zigbee para la monitorización de
variables atmosféricas y
meteorológicas
1 Abstract
Diseño, desarrollo e implementación de una red inalámbrica de sensores (WSN) empleando la
tecnología Zigbee. Se realizan diferentes estudios y comparativas con varias tecnologías de
comunicación y se analizan las diferentes opciones de mercado para el óptimo desarrollo de la
red. A su vez, se desarrolla una interfaz (multiplataforma) capaz de monitorizar los datos
aportados por los sensores y actuar sobre las diferentes variables a controlar.
Creación de un prototipo de estación meteorológica y atmosférica, capaz de monitorizar todas
las magnitudes a medir, minimizando costes y componentes y optimizando el gasto
energético.
2 Palabras clave
• Redes
• Sensores
• Zigbee
• Arduino
• Inalámbrico
• Control
• Variables atmosféricas y meteorológicas
3 Motivación
La domótica, la inmótica y las redes de sensores inalámbricos son cada vez más utilizados
tanto en entornos industriales como en entornos domésticos. El uso de estas herramientas para
factores tales como la eficiencia energética, el ahorro en el consumo eléctrico o la
adaptabilidad de los sistemas al usuario, están siendo cada vez más necesarios en una
sociedad “”automatizada””. Para la conexión de todos estos mecanismos es necesario un
protocolo de comunicación que sea seguro y eficaz y es ahí donde tiene cabida mi proyecto,
en la realización de una red de comunicación integrada y completa para la red antes
mencionada.

La corroboración de la importancia de esta nueva tecnología la tenemos en estudios realizados
por grandes empresas como Microsoft, IBM, Texas Instrument, Apple, Intel o más
actualmente Google. Así, se nota un prometedor futuro a proyectos realizados en este ámbito,
ya que presumiblemente serán apoyados por grandes empresas del sector tecnológico.
En cuanto al ámbito académico, pienso que la realización de un proyecto basado en
comunicaciones y redes inalámbricas y que se apoye en bases como la programación o el
internet de las cosas, proporciona muchas herramientas básicas carentes en los estudiantes del
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial. Dicho de otro modo, creo que los conceptos y
habilidades adquiridas a lo largo de la realización de este TFG son complementarios con los
estudios cursados durante mi grado.
Centrándonos más en el paradigma del proyecto, la monitorización o análisis de las variables
atmosféricas de una ciudad a través de una red de sensores, el objetivo que se persigue con
este trabajo es mostrar el estado actual y en tiempo real de los niveles de contaminación. He
observado que en la ciudad que vivo, Granada, no son suficientes los sensores que tenemos,
ya que en la capital solo poseemos dos y no miden todas las magnitudes nocivas para nuestro
ambiente. Es por ello, que se intentará diseñar una red de sensores fácilmente instalable que
permita realizar la monitorización atmosférica en el lugar que se desee y de las magnitudes
que se quiera. Este hecho, nos otorgará unos datos mucho más escalables y cuantiosos, lo que
supondrá una mayor facilidad en el análisis de la situación.
4 Introducción
Las redes de sensores están basadas en pequeños dispositivos, llamados nodos, capaces de
obtener información del medio, procesarla internamente y enviarla de forma inalámbrica en
nuestro casa a otro dispositivo, que actuará como coordinador. También pueden existir
dispositivos que sirvan de “”direccionadores”” entre el nodo coordinador y los sensores o
nodos medidores, estos serán los llamados nodos routers.

Este tipo de redes, aunque no sean el objetivo de este trabajo, pueden ser muy polivalentes y
abiertas. En un futuro no muy lejano, se especula que estarán formadas hasta por millones de
sensores y podrán estar conectadas a Internet, generando así el ya tan famoso internet de las
cosas. También creo importante recordar que el primer uso de este tipo de redes fue de
naturaleza militar, lo que da cuenta de su fiabilidad y utilidad.
Mención especial a la hora de hablar de redes de sensores, merece la alimentación de los
mismos. El óptimo funcionamiento de los nodos requiere dos factores de los que dependerá en
gran parte la fiabilidad del sistema, y son:
• Bajo consumo: Para poder realizar las funciones de los nodos con una sola batería de
no mucho peso, ya que si no, el sensor tendría una dificultosa instalación.
• Ciclos de trabajo cortos: Para poder realizar la recepción en tiempo real )emisión de
datos de una forma rápida y precisa).
Los diferentes nodos están formados por los siguientes componentes:
• Microcontrolador que gobierna el funcionamiento del nodo, captando y procesando los
datos del sensor o sensores y transmitiéndolos al transceptor.
• Transceptor: Encargado de enviar y recibir las señales del nodo coordinador.
• Sensor: Mide la magnitud requerida en cifras.
• Memoria: Donde se almacenan todos los datos recogidos del medio ambiente.
• Batería: Encargada de generar la energía necesaria para el funcionamiento del nodo.
• Conversor Analógico Digital: Encargado de convertir las señales recibidas por el
Ilustración 1: Composición de una red de sensores

sensor a niveles digitales para poder ser tratadas por el microcontrolador.
La conexión de todos estos nodos se realiza mediante la tecnología Zigbee; conjunto de
especificaciones de tecnología inalámbrica basadas en el estándar IEEE 802.15.4-2003 donde
se definen los protocolos de comunicación una baja velocidad de transmisión para redes de
corto alcance. Como plataforma y placa utilizaremos Arduino y como módulo para la
comunicación se emplea XBee.
5 Objetivos
En este apartado se desarrollan los objetivos a conseguir con la realización de este proyecto.
• Estudiar las diferentes tecnologías, mostrando cual es la más adecuada para la
realización de una red de sensores inalámbricos.
• Estudiar la utilidad, rendimiento y posibles aplicaciones de hardware y software libre
de coste reducido como es Arduino.
• Realizar un estudio profundo de las posibilidades que ofrece la tecnología Zigbee en
todo tipo de situaciones, haciendo hincapié en factores y eventos como: ahorro de
energía en batería, conexión de sensores remotos, actuación y monitorización en
tiempo real de un entorno cambiante, caída de nodos, etc.
• Realizar una red completa con los materiales antes descritos; Sensores, placas
Arduino, módulos XBee y tecnología Zigbee.
• Monitorización de las variables ambientales de una ciudad como Granada. Con esto,
además, se pretende concienciar a la población y al gobierno de la importancia de la
Ilustración 2: Componentes de un nodo

contaminación, así como obtener datos objetivos para saber cómo actuar ante este
problema.
6 Análisis de la tecnología a usar
En este apartado se realizará un análisis detallado de todas las opciones de mercado para la
realización y desarrollo del proyecto. Una vez realizado el análisis, se procederá a explicar los
motivos por los que se ha elegido el software y hardware, así como los puntos claves de estos
en el proyecto.
6.1 Hardware
Como ya se mencionó anteriormente el hardware necesario está formado por las diferentes
motas de la red inalámbrica de sensores, que cómo está señalado en la Ilustración X, se
compone de un Microcontrolador, una batería, un transceptor y el sensor de
mediciónpropiamente dicho.
6.1.1 Sensores
En este apartado, el primero de la sección Hardware, nos dedicaremos al análisis de la parte
esencial de una WSN, que obviamente son los sensores.
Lo primero que hemos de saber para elegir nuestros sensores es: ¿Qué magnitudes han de
medir? Para ello lo que haremos es ver qué variables se están midiendo actualmente para
realizar los análisis atmosféricos y con ello sabremos que necesitamos. Haciendo una
búsuqeda rápida en internet encontramos que, para la ciudad de Granada, la Junta de
Andalucía a través de la Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio realiza
informes diarios de la calidad del aire. El sitio web donde están disponibles se puede consultar
en el enlace [E9]. Atendiendo a las tablas (Ilustración 3) donde se refleja la calidad del aire
vemos como actualmente en Granada se están midiendo los valores de los siguientes
componentes:
• Dióxido de Azufre (SO2): Es un gas incoloro con un característico olor asfixiante. Es
el gas que provoca en mayor medida la lluvia ácida, transformándose en la atmósfera
como ácido sulfúrico. Su origen lo solemos encontrar en empresas que trabajan el
carbón, el petróleo o el gas natural, ya que estos productos contienen trazas sulfurosas.
• Monóxido de Carbono (CO): Gas inodoro, incoloro y altamente tóxico. Puede causar
la muerte cuando se respira en niveles elevados. Se produce, industrialmente, por
combustiones deficientes de sustancias como gas, gasolina, keroseno, carbón,
petróleo, tabaco o madera..En menor medida puede ser producido en utensilios
domésticos, tales como calderas o braseros si el funcionamiento de los mismos no es
el correcto.
• Dióxido de Nitrógeno (NO2): De color marrón-amarillento, es un gas tóxico, irritante

que produce moléculas de nitrito en el ambiente en el que está. Estas moleculas
producen ácido y elevados niveles de PM-2.5 en el ambiente. Afecta principalmente al
sistema respiratorio. En tiempos breves y a exposiciones altas daña las células
pulmonares. A más largo plazo y en niveles bajos puede causar cambios irreversibles
en los tejidos pulmonares similares a enfisemas que pueden llevar, además, a tumores
malignos.
• Ozono (O3): Gas generalmente incoloro, aunque puede verse a temperatura y presión
ambiente en un tono ocre. Si es respirado en grandes concentraciones puede provocar
irritación en los ojos y/o garganta. Este gas es tanto perjudicial como importante para
la vida humana. Actúa como depurador del aire y sobre todo como filtro de los rayos
ultravioletas procedentes del Sol. Sin ese filtro, la vida en la Tierra sería imposible, de
ahí la gran importancia de la famosa “Capa de Ozono”. Por otra parte, cantidades altas
de este gas suponen perjuicios en la salud de las personas que pueden ser muy graves.
La Organización Mundial de la Salud plantea que no hay ninguna evidencia de un
umbral, por debajo del cual, no exista perjuicio [E10]. El origen del denominado
“ozono malo” lo encontramos en las industrias que trabajan la ingeniería del producto,
mediante algunas reacciones químicas. El “ozono bueno” se produce en la atmósfera
de manera natural, debido a los rayos solares.
Viendo la Tabla de la Ilustración 3 notamos que en Granada tan solo hay dos centrales que
miden los niveles de ozono en la atmósfera. Si se desea hacer un estudio completo y
diferenciado por zonas geográficas, el número de muestras puede ser algo escaso. Por lo que,
para que nuestro proyecto pueda ser útil incluso a estos entes, intentaremos, en la medida de
lo posible, disponer de un sensor de niveles de ozono en nuestro sistema.
Otra realidad que podemos evidenciar es, cómo no están siendo medidas las cantidades de
metano (CH4). Gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global con un
factor 23 veces mayor que el famoso CO2. Es posible que no esté siendo considerado como
perjudicial por nuestros gobiernos ya que los niveles atmosféricos actuales no son muy altos,
pero a juicio de muchas entidades y asociaciones defensoras del medio ambiente -como
Greenpeace- debería existir un análisis más exhaustivo de esta sustancia para que en un futuro
próximo no nos encontremos con un problema similar al que ahora mismo está dando el CO2.
Una vez estudiados las sustancias y magnitudes a medir hemos de analizar los diferentes
sensores que hay en el mercado para saber cuál utilizar.
Ilustración 3: Tabla de Calidad del Aire de Granada

6.1.1.1 MG - 811; Sensor de medida de CO2
Normalmente es comercializado en una placa que cuenta
con; el proprio sensor, un modulo de calentamiento del
sensor para uso en ambientes fríos y para mejorar el
funcionamiento, circuito de acondicionamiento y
amplificación de la señal aportada por el sensor y la placa
que facilita la instalación sobre la placa de arduino que
tenemos intención de usar. Posee una alta sensibilidad al
CO2 y en menor medida puede detectar alcohol y CO. Por lo
que puede puede ser utilizado para la medición de ambos
componentes y su instalación parece ser fácil y rápida.
El Datasheet de este producto puede consultarse en [E11]
6.1.1.2 MQ - 131; Sensor de medida de O3
Este sensor utiliza en material que es sensible a la variación del
gas ozono. Es decir, su conductividad baja cuando está en aire
“limpio”, es decir, aire no contaminado con ozono, y sube su
conductividad cuando está en contacto con el gas ozono. Este
material por lo que he podido investigar en diferentes datasheet
y artículos es el SnO2. De este modo, utiliza un simple circuito
que convierte este cambio de conductividad en el material de
SnO2 en una señal de salida que funciona en consonancia con el
nivel de ozono en el ambiente.
Las características de este sensor son:
• Luz led que nos indica el óptimo funcionamiento
• Doble señal de salida (analógica y de nivel TTL)
• Alta sensibilidad a las variaciones de Ozono; rango de detección de 10PPB-2PPM
• Tasa de error muy baja y larga vida útil
• Rápida respuesta
• Pines de montaje instalados
El Datasheet de este componente puede encontrarse en [E12]
Ilustración 4: MG-811
Ilustración 5: MQ-131

6.1.1.3 MQ – 7; Sensor de CO
Este sensor nos permite obtener la concentración de CO en aire entre
20 y 2000 ppm. Las características principales de este sensor son:
Alta sensibilidad, tiempo de respuesta muy bajo y reducido tamaño.
La salida del mismo es una resistencia analógica. El circuito de
control que incorpora es muy simple; lo único que necesita es una
entrada a 5V (que la puede aportar la salida del Arduino), una
resistencia de carga y la salida se conecta a un ADC (Conversor
Analógico Digital – Analogic-Digital Converter).
Este mismo sensor se puede encontrar con el patillaje al aire o
conectado a un placa con los pines disponibles para su simple aplicación.
El datasheet de este componente puede encontrarse en [E13]
El cableado necesario para el funcionamiento de este sensor se especifica en la siguiente
Ilustración 7
Ilustración 6: Sensor
MQ - 7

6.1.1.4 MQ-135
Este sensor nos aporta un dato clave para el estudio de la calidad atmósferica de nuestro
entorno geográfico. Lo que nos permite es saber el número de partículas nocivas que hay en el
aire expresadas en ppm (partes por millón). Este es el primer parámetro que nos permite
catalogar la calidad del aire de nuestra ciudad, pudiendo afirmar que es mala, estable o buena
como ya están haciendo muchos gobiernos y entidades públicas en sus informes de calidad
del aire.
Las especificaciones técnicas del mismo son:
• Voltaje de entrada: 5.0V AC o DC.
Ilustración 7: Conexión del MQ-7

• Consumo máximo durante operación 800mW.
• Amplio ángulo de detección de gases.
• Rango de temperatura de operación: -10°C a +45°C.
• Rápida respuesta y alta sensibilidad.
En el enlace [E24] enlace se pueden ver tanto su datasheet como su aspecto físico.
6.1.1.5 SHT 25
La aplicación básica de este sensor es la medición de los
niveles de temperatura y humedad de un entrono abierto o
cerrado. Este es el nuevo sensor de Sensirion, el cual promete
establecer unos nuevos estándar en materia de inteligencia de
sensorización. Y tamaño.
Con un novedoso chip CMOSSens completamente rediseñado
por la empresa, un nuevo sensor capacitivo de humedad y un
sensor “band-gap” de temperatura muy mejorado, ha
conseguido superar todos los problemas presentados en la generación SHT1x de la misma
marca.
Además de los sensores citados anteriormente, el integrado posee un amplificador, un
conversor A/D, memoria OTP y una unidad de procesado digital que le confiere unas
funciones muy interesantes por su precio.
La enorme ventaja de este sensor, y que justifica su compra por la ínfima diferencia de precio
(0,38€) con el SHT15, es la compatibilidad con I2C que evita el trabajo de indicar al
microcontrolador cómo y cuándo se van a recibir los datos mediante el uso de comandos de
introducción manual.
El datasheet de este componente se puede consultar en [E14]
6.1.1.6 Decisión y precios
En este apartado solo hemos debido tomar la decisión de qué sensor de temperatura usar y se
ha argumentado el por qué del uso del SHT 25 en el propio apartado 6.1.1.4. En cuanto a los
sensores de medición de variables atmosféricas, no hemos tomado la decisión de cuáles usar,
porque tan solo se han encontrado los enumerados para uso en electrónica discreta y
compatibles con el uso directo y fácil con la placa de control elegida para nuestro proyecto
(Arduino UNO).
Los precios no se han destacado en el apartado 6.1.1 porque se detallarán en el presupuesto
general del proyecto. Tan solo destacar que la diferencia de precio entre los sensores SHT15 y
SHT25 de la que se hablaba anteriormente es aproximadamente unos 0,38€.
Ilustración 8: Sensor SHT 25

6.1.2 Microcontroladores
Hay una larga lista de fabricantes de este tipo de dispositivos (Atmel, Intel, Microchip,
Cypress, TI, Temic, Hitachi…) pero podríamos decir que, tanto por cuota de mercado, como
por unidades vendidas y fiabilidad de las mismas las dos grandes marcas de la electrónica son
AVR de Atmel y PIC de Microchip. Es por ello que en este apartado nos centraremos en hacer
una comparativa de estas dos grandes familias haciendo breves referencias a las demás.
6.1.2.1 AVR vs PIC
Como ya se ha mencionado su elevada calidad-precio y su fiabilidad hacen de estos
fabricantes las opciones más interesantes para hacer un trabajo de las características del que
nos ocupa.
Técnicamente, tanto PIC como AVR son microcontrolador de 8 bits, que cuentan con un CPU
RISC, memoria tipo FLASH para almacenar el firmware, varios periféricos como puestos
digitales, conversores A/D,ect.
Si nos centramos en la anterior descripción, podríamos suponer que son iguales, y desde un
punto de vista de estructura general podríamos decir que así es. Es en las características y
ámbito que los rodea dónde encontramos las grandes diferencias que nos harán decidirnos
entre uno u otro. A continuación se enumerarán para dejar claro el por qué de nuestra
elección:
• IDE y lenguajes de programación
◦ PIC tiene el inconveniente de tener que ser programado en ASM (lenguaje
ensamblador de bajo nivel). Cierto es, que cada vez existen más softawares para
poder programar estos microcontroladores en C y C++, pero estos son de pago y
además no son libres, lo que choca totalmente con la concepción del desarrollador
de la electrónica para el desarrollo de este proyecto.
Ilustración 10: Microcontrolador de AVR
Ilustración 9: Microcontrolador PIC

◦ AVR, sin embargo, dispone de varios software para poder programar en varios
lenguajes (C, C++ y Basic) sus chips. Además todos estos programas pueden
descargarse en la página oficial del fabricante. Para programar estos dispositivos
además tenemos a nuestra disposición diferentes placas y plataformas basadas en
estos micros como es Arduino (Que contiene un chip ATMega con un bootloader
que simplifica aún mas a programación y nos facilita un entorno personalizado y
simple)
• Interfaces para la programación
◦ PIC tiene un pin que es dedicado solo para la programación, pero esta se realiza a
alto voltaje (más de 5 V). Este hecho hace que se pueda complicar el montaje del
circuito ya que se hace necesario tener un circuito externo para la reconversión del
voltaje.
◦ Los AVR cuentan con un PIC dedicado a la programación y volcado al chip
llamado ISP (In System Programmer). En este apartado hay diferentes formas de
hacerlo por hadware como son el puerto paralelo, programador serial o USB, etc.
Si atendemos a este punto, destacaríamos su simpleza, sencillez y elegancia en la
programación.
• Consumo de energía
◦ En este ámbito los AVR cuentan con un consumo más reducido tanto en voltaje
como en intensidad sobre los PIC. Esto los hace muy interesantes en aplicaciones
con baterías como es nuestro caso.
• Reloj interno
◦ Los AVR tienen un oscilador con un circuito RC para su configuración, mientras
que los PIC cuentan con un cristal externo que hace las veces de oscilador. En este
caso, puede ser más beneficioso el PIC, ya que el circuito RC puede generar
problemas en algunas aplicaciones a altas frecuencias.
• Valor económico
◦ Para hacerlo de una manera muy objetiva, lo que haremos es coger dos
microcontroladores muy similares en características, como son los Microchip
PIC18f2550 y Atmel atmega328 y buscar en una plataforma de compra como es
ebay su precio. El resultado es:
▪ Atmel atmega328: 3,98€
▪ Microchip PIC18f2550: 3,80€
A su vez, buscamos los precios en sus páginas webs oficiales:

▪ Microchip PIC18f2550: 4.61€
▪ Atmel atmega328: 1.75€
Esto nos muestra 2 cosas; el hecho de que no siempre es más económico comprar
en webs de venta genérica que en las webs oficiales de los fabricantes y que el
ATMega es mucho más económico que el PIC en ventas de menos de 100
unidades como son las que haré en este proyecto.
6.1.2.2 Decisión
Una vez realizado el análisis, se ha de tomar una decisión en cuanta a la elección de qué
microcontrolador utilizar en el proyecto. Aunque sea cierto que PIC suele encontrarse en
aplicaciones profesionales o industriales y AVR en sistemas o proyectos de investigación y
educación, tampoco podemos afirmar que esto sea así categoricamente. Cada vez más son las
empresas que se decantan por AVR en sus proyectos debido al precio y sobre todo a los dos
puntos más destacados en nuestro análisis que son; su bajo consumo y su facilidad para
encontrar entornos de programación libres y gratuitos.
Haciendo un poco mas de hincapié sobre nuestra aplicación, hemos de decir que al ser un
proyecto de comunicación inalámbrica es muy importante que el consumo de energía sea
bajo, por lo que AVR se posiciona como la opción más óptima.
Otro de los puntos clave que me hacen decidir por AVR es la programación ya que en las
materias desarrolladas en mi grado he visto en mucha más profundidad la programación en la
plataforma Arduino, y esta trabaja con AVR.
Por todo lo expuesto con anterioridad se elige AVR como micrcontrolador y la plataforma
Arduino como plataforma de desarrollo. Mas adelante se decidirá en consecuencia cual de las
placas de Arduino utilizar en nuestro proyecto.
6.1.3 Placa de Arduino
En esta sección se analizarán las diferentes placas que ofrece Arduino para realizar proyectos
de naturaleza similar a este y se decidirá cual es la más conveniente.
6.1.3.1 Definición
Lo primero es definir qué es Arduino; Para facilitar la comprensión de su descripción se
ofrecen las dos más apropiadas:
“Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y
un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos
multidisciplinares” Wikipedia, enciclopedia libre.
“Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada
en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores,
como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos” Web oficial

de Arduino
Atendiendo a estas dos definiciones, se hace atención al hecho de ser una plataforma libre
tanto en software como en hardware, lo que permite una flexibilidad y tolerancia completa a
las modificaciones necesarias para el acoplamiento de la placa a cualquier proyecto. En ambas
también se pone de manifiesto su facilidad y ductilidad para la creación de trabajos de
investigación o experimentación académica, lo que lo hace inmejorable para nuestra
aplicación.
6.1.3.2 Un poco de historia
Arduino nació en el instituto IVREA (Ivrea, Italia) como un proyecto de investigación
estudiantil que intentaba encontrar una solución económica al problema del uso de
microcontroladores en proyectos de electrónica. En ese tiempo se utilizaba el
microcontrolador BASIC Stamp que tenía un precio aproximado de 100$, lo que hacía casi
prohibitivos los proyectos con estos componentes.
Mención especial en la historia de este proyecto merecen:
• El estudiante colombiano Hernando Barragán, que fue el encargado de desarrollar la
tarjeta electrónica Wirign, todo el lenguaje de programación (que en esencia es muy
parecido a C++) y la plataforma de desarrollo.
• Massimo Banzi, precursor de la idea y profesor en la época de creación del proyecto
en el Instituto de diseño Interactivo IVREA.
Ilustración 11: Plataforma Arduino

• David Cuartielles, único español del proyecto e investigador, creador y diseñador de
Arduino
El nombre del proyecto surgió del bar dónde solía pasar más horas Massimo Banzi pensando
en todos sus diseños y bocetos; el Bar di Re Arduino (Bar del Rey Arduino). Una vez
realizado el diseño de la placa, decidido el micro a utilizar, el lenguaje de programación, y la
plataforma, los inventores se centraron en optimizar sus funciones, reducir su tamaño y peso y
sobre todo hacerlo más económico para que toda la comunidad de código abierto pudiera
tener acceso a ella. El techo en precio que se marcaron para la placa era de 30€, objetivo que
finalmente cumplieron, siendo hoy su precio en la web oficial de 20€. Una vez finalizado el
diseño y elaboración de la placa el instituto IVREA cerró sus puertas, lo que los condujo a
convertir el proyecto de investigación en idea de empresa, algo que como el mismo Massimo
Banzi dijo, no estaba planeado. El único objetivo que tenía el proyecto era intentar subsistir al
inminente cierre del instituto creando un producto de hardware abierto, lo que supondría el no
embargo del mismo.
Los parámetros que se tuvieron en cuenta para la primera producción en serie de la placa de
Arduino fueron; Debía ser ensamblado en placa azul, tenía que ser Plug and Play (tecnología
que permite a un dispositivo informático ser conectado a una computadora sin tener que
configurarse) y capaz de trabajar con todas las plataformas informáticas (MacOSX, Windows
y GNU/Linux). Las 300 primeras unidades construidas bajo estas especificaciones fueron
entregados a alumnos del Instituo IVREA antes de su cierre para que las probaran y pudieran
crear sus trabajos.
Más adelante, cuando la empresa Arduino era ya una realidad, la multinacional Google
colaboró con esta en el desarrollo del conocido como Kit Android ADK (Accesory
Development Kit), una placa capaz de comunicarse directamente con smartphones bajo el
sistema operativo Android que permite el control de ciertos actuadores (motores, leds...) y
receptores (sensores) desde el telefono inteligente. Este hecho permitió a Arduino
posicionarse entre los grandes de la tecnología y ser un referente en el mundo de código
abierto.
6.1.3.3 Especificaciones y placas
El hardware de Arduino consiste en una placa con un microcontrolador de Atmel AVR -cómo
se ha notado con anterioridad- y varios puertos de entrada/salida (tanto digitales cómo
analógicos). Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328,
Atmega1280, y Atmega8. Se eligieron estos por su sencillez, robustez y bajo coste, además
permiten una amplia gama de diseños. La mayoría de las placas además cuentan con una
entrada USB (micro, B u otro tipo) para la conexión con PC y otra entrada de alimentación
por si se desea alimentar la placa con un alimentador externo y dejarla funcionar si estar
conectada al PC. Además de un botón de Reset para reiniciar el código cargado.
En cuanto a las placas, Arduino cuenta ya con 21 placas en el mercado y una más en

desarrollo. En la siguiente tabla, se muestran las características técnicas de la mayoría
Modelo Micro
Voltaje de
entrada
Voltaje del
sistema
Frecuencia de
Reloj
Digital I/O
Entradas
Analógicas
Memoria
Flash
Interfaz de
Programación
Arduino Due
AT91SAM3X
8E
5-12V 3,3V 84MHz 54* 12 512Kb Nativa USB
Arduino
Leonardo
ATmega32U4 7-12V 5V 16MHz 20* 12 32Kb Nativa USB
Arduino Uno
- R3
ATmega328 7-12V 5V 16MHz 14 6 32Kb
USB via
ATMega16U2
Arduino Pro
3.3V/8MHz
ATmega328 3,35 -12V 3,3V 8MHz 14 6 32Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Arduino Pro
5V/16MHz
ATmega328 5 - 12V 5V 16MHz 14 6 32Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Arduino
Mega 2560
R3
ATmega2560 7-12V 5V 16MHz 54 16 256Kb
USB via
ATMega16U2
Mega Pro
3.3V
ATmega2560 3,3-12V 3,3V 8MHz 54 16 256Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Mega Pro 5V ATmega2560 5-12V 5V 16MHz 54 16 256Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Arduino Mini
05
ATmega328 7-9V 5V 16MHz 14 6 32Kb
Cabecera
Serial
Arduino Pro
Mini
3.3V/8MHz
ATmega328 3,35-12V 3,3V 8MHz 14 6 32Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Arduino Pro
Mini
5V/16MHz
ATmega328 5 - 12V 5V 16MHz 14 6 32Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Pro Micro
5V/16MHz
ATmega32U4 5-12V 5V 16MHz 12 4 32Kb Nativa USB
Pro Micro
3.3V/8MHz
ATmega32U4 3,35-12V 3,3V 8MHz 12 4 32Kb Nativa USB
LilyPad
Arduino
Simple Board
ATmega328 2,7-5,5V 3,3V 8MHz 9 4 32Kb
Cabecera
compatible
con FTDI
Tabla 1: Características técnicas de las diferentes placas de Arduino
Una vez presentadas la mayoría de placas de Arduino a disposición del usuario, nos

centraremos en las que pueden ser útiles para nuestro proyecto, esto se reduce a una terna, que
son, la Arduino Uno, Arduino Mega y Arduino Mini. Se toman estas tres por considerarse las
mas representativas de las que hay a nuestra disposición.
Arduino Uno - R3: Es la placa por excelencia creada por Arduino, la más popular. Se puede
decir que es la mas usada a nivel de investigación y
creación de nuevos entornos en proyectos académicos y
de prototipado. Sus ventajas son, su tamaño mediano, su
peso de 40 gramos y su alimentación a 5V, que puede ser
realizada por el PC o externamente por un cargador o
batería.
Precio: 20€
Las especificaciones técnicas se pueden observar en la
tabla anterior en la tercera fila.
Arduino Mega 2560 R3: Se puede definir de manera análoga a su “hermana pequeña
Ardunin Uno”. Muy utilizada en ámbito académico e
investigador y probada en casi todos los países del
mundo. Las ventajas que se obtienen en su uso es la
mayor capacidad de la memoria FLASH y el mayor
número de entradas analógicas. La desventaja, más
que obvia, su mayor tamaño y peso. La alimentación
se realizada de la misma forma que en el Arduino Uno
– R3.
Precio: 35€
Las especificaciones técnicas se pueden observar en la tabla anterior en la sexta fila
Arduino Mini 05: Su gran ventaja es el tamaño, mucho más pequeño que los dos anteriores,
manteniendo el número de entradas y salidas con respecto al
Arduino Uno -R3. Su mayor desventaja, es la programación de
la placa, ya que esta solo se puede hacer por Cabecera Serial, lo
que dificulta y hace un poco tedioso el proceso de carga del
programa para las diferentes pruebas. Además esta placa se
vende sin los pines soldados, lo que nos complica el proceso y
ensamble del circuito, además de suponer un coste extra de
soldador, estaño y patillas.
Precio: 10€
Las especificaciones técnicas se pueden observar en la tabla anterior en la novena fila.
Ilustración 12: Arduino Uno
Ilustración 13: Arduino Mega
Ilustración 14: Arduino Mini

6.1.3.4 Arduino en el mundo de la Tecnología
La plataforma Arduino ha conseguido instalarse en el mundo de la tecnología de código
abierto, tal vez como la referente. Institutos, Universidades y demás centros de enseñanza no
dudan en utilizar estas placas como introducción a la enseñanza de programación de
microcontroladores y realización de proyectos de electrónica. Pero no solo son utilizadas para
la educación y la introducción, cada vez son más los grupos de centros de investigación los
que utilizan esta herramienta para la realización de prototipos para el testeo de sus desarrollos.
Domótica, inmótica e internet de las cosas, estos son los paradigmas en los que están siendo
más utilizadas las placas de Arduino en la actualidad, así lo afirma El Pais en uno de sus
artículos de finales de 2011 titulado “ El Internet de las cosas crece”. Si observamos estos
proyectos, vemos que todos ellos se basan en la realización de una red de sensores en los que
una o más variables han de estar controladas, y el gobierno de una serie de actuadores que
hacen que las variables vuelvan al valor de una consigna dada. En definitiva, se puede afirmar
como lo hacia la plataforma bbbvaopen4u en un artículo del 28 de Agosto de 2015 que
Arduino es la gran dominadora del Hardware abierto y que una buena parte de los proyectos
en los que se usa están relacionados con redes de sensores.
6.1.3.5 Decisión
El uso de Arduino en mi proyecto lo veo mas justificado por varias razones; mi intención de
realizar un proyecto en software y hardware libre en la medida de lo posible, su reducido
coste, tamaño y peso, ser multiplatafora, su facilidad para la programación, la documentación
existente en Internet sobre usos y proyectos realizados con anterioridad y sobre todo la
fiabilidad y confianza que me da trabajar en con una herramienta tan extendida en todos los
ámbitos de la tecnología y usada por mi persona con anterioridad de manera satisfactoria.
Fijándonos en las especificaciones de las diferentes placas, creo que lo más óptimo sería
utilizar la paca Arduino Uno – R3, ya que en el momento de comenzar el proyecto ya
dispongo de una placa de este tipo para poder comenzar los test. Además, haciendo la
comparativa con el resto, no creo que se justifique el mayor gasto de la compra del Arduino
Mega 2560 R3 porque no serán necesarios más pines de entrada ni salida. Centrándonos en el
Arduino Mini 05 no creo que sea imperiosa la disminución del tamaño del proyecto, ya que
no tiene un fin comercial sino experimental, por lo que el tamaño del sistema final no es tan
significativo.
En la siguiente ilustración se puede ver un esquema de todos los diferentes componentes de la
placa Arduino UNO – R3

Me gustaría también indicar en este apartado que la elección de la plataforma Arduino para
desarrollar mi proyecto también esta motivada por mi intención -como se ha mencionado
también anteriormente- de poner en valor las herramientas de hardware y software libre,
poniendo de manifiesto que con estas también es posible realizar proyectos de calidad y de
utilidad para la sociedad y la industria.
6.1.4 Baterías
Hemos llegado tal vez a la parte más delicada y complicada del hardware, y no es otra que la
batería. Es vital la elección de una buena batería ya que de esta dependerán el resto de
dispositivos que formen nuestra red de sensores. Y en nuestro caso, una red inalámbrica de
sensores, sea tal vez más complicada la elección de esta, ya que los sensores deberán estar
activos tanto tiempo como sea necesario para la recepción de los datos a tratar. Habitualmente
la selección de la batería y el análisis de las distintas alternativas que nos ofrece el mercado
suelen ser mucho más superficial que los del resto de componentes, algo que como ha
quedado de manifiesto, puede llevar a la inutilidad del sistema general.
Si pensamos en la red de sensores como un todo, es decir cómo un sistema ya en
funcionamiento ¿Cuál sería el gran problema que podemos encontrarnos para el óptimo
funcionamiento? ¿Cuál es el componente que más mantenimiento y recambio necesita? ¿Qué
componente está mas afectado por la temperatura y el ambiente? La respuesta a todas estas
preguntas es; la batería. Es por ello que debemos de estudiar todos los parámetros, y alguno
Ilustración 15: Componentes de la placa Arduino Uno

más, de las diferentes baterías que se encuentran en el mercado.
La capacidad de una batería se mide en miliamperios - hora (mAh) o en su múltiplo amperios
– hora (Ah). Para explicar cómo se entiende esta unidad en el mundo de la tecnología se
puede decir que una batería de 5Ah puede dar 5 amperios durante una hora o en su defecto 1
amperio durante 5 horas. Muy importante también para comprender el funcionamiento de
estos instrumentos es saber cuando las baterías están agotadas o “vacías” como se suele decir
más comúnmente. Pues una batería estará descargada cuando la tensión de la misma caiga por
debajo de un umbral establecido para cada batería, así pues, para una batería de 4,5 voltios
(las más clásicas son las de petaca) la batería se considerará vacía cuando su tensión esté por
debajo de 3,1V.
Una vez definidas las características principales de una batería vamos a fijarnos en los
principales criterios para elegir una buena batería para nuestro sistema. En el momento de
elegir una batería se ha de hacer especial atención a las siguientes características:
• Temperatura: Para resumir el funcionamiento de las baterías con la temperatura, se
podría decir que las baterías a baja temperatura mantienen bien la energía y que a alta
temperatura transmiten bien la energía, por tanto ha de ser nuestro objetivo tenerlas a
baja temperatura mientras el sensor permanezca “dormido” y calentarla a lo hora de
tener que suministrar la energía. Este hecho cobra una gran importancia en nuestro
trabajo, ya que el sistema de medida se encontrará expuesto a la inclemencias del
tiempo. Cierto es, que su diseño en un primer momento está realizado para la ciudad
de Granada, pero también hemos de destacar que el sistema ha de ser exportable a
todas las ciudades que lo deseen. De este modo tendríamos que hacer un estudio de la
temperatura media de la ciudad en las diferentes estaciones para saber qué tipo de
batería utilizar en cada zona geográfica. En este trabajo se analizará en más
detalhttp://rco.es/?p=285le la situación de la ciudad de Granada y se expondrá
brevemente el caso de una ciudad extrema como podría ser Nuuk, en Groenlandia.
Esto se realiza en el apartado 6.1.4.1 Estudio de las variables ambientales de Granada
y Nuuk.
• No linealidad en la capacidad. Este hecho se refiere a la no linealidad de la función de
descarga de la capacidad de una batería, la cual está estrechamente relacionada con la
corriente que se le pide suministrar. Más fácilmente explicado, el consumo de la
capacidad de una batería depende de la intensidad que se requiera para el
funcionamiento de un determinado dispositivo, y esta última, nunca o casi nunca, es
lineal. Veamos un ejemplo para aclarar el asunto: Supongamos tener una batería de
2600mAh. Esta capacidad está especificada o marcada por el fabricante para una
intensidad dada, por ejemplo de 5mA típicamente para un smartphone. Ahora bien, si
esa misma batería la utilizamos para cargar otro dispositivo, como por ejemplo un
cuadricóptero teledirigido que requiere una intensidad de 150mAh, la batería podría

tener una capacidad de 1200mAh aproximadamente. Este hecho es muy relevante a la
hora de elegir nuestra batería. Es primordial tener en cuenta que la linealidad en el
consumo (capacidad) de las baterías tan solo se cumple cuando las variaciones de
temperatura y de corriente requerida son muy pequeñas.
• Voltajes de alimentación de los componentes que se vayan a usar para diseñar el
circuito. Este punto parece obvio pero hemos de anotarlo para tener todo en cuenta. La
alimentación que necesitan los módulos Xbee que más tarde analizaremos está en el
intervalo de 2,8 a 4V.
• Tamaño. Aunque parezca algo banal es muy significativo. El tamaño del circuito y del
proyecto en general dependerá en gran medida del tamaño de la batería, ya que esta
suele ser el componente más difícil de escalar si de circuitos discretos estamos
hablando.
6.1.4.1 Estudio de las variables ambientales de Granada y Nuuk
Este apartado es un pequeño paréntesis que nos servirá para realizar un estudio
ambientológico de dos ciudades muy diversas.
Una de ellas, Granada, está en Andalucía (España, Europa), y más específicamente al sur, por
lo que no presenta temperaturas extremas en cuanto a frío, aunque si suelen ser registrada
temperaturas inferiores a 0ºC en invierno. No podemos decir lo mismo de las temperaturas
estivales, pues debido a su cercanía con el continente africano y su tendencia al clima
continental, en algunas ocasiones, pueden registrarse temperaturas cercanas a los 45ºC. Bien
es cierto, que estas temperaturas no pueden considerarse extremas si se comparan con
ciudades cercanas a desiertos como por ejemplo el Sahara, pero para nuestro estudio,
podemos marcar el límite en temperaturas por encima de 40ºC. En resumen, podemos decir de
Granada que es una ciudad eminentemente cálida, con picos extremos en los meses estivales
por encima de 40ºC y con un invierno frío para ser una ciudad sureña aunque sin
temperaturas extremas.
Ilustración 16: Parámetros climáticos de Granada

Nuuk, la otra ciudad que se estudia, se encuentra en Groenlandia (Dinamarca,Europa). Su
localización geográfica (64º 10' de latitud norte, y 51º 43' de longitud oeste, 240 km al sur del
Círculo Polar Ártico) la convierte en la capital más septentrional del mundo. Por la
descripción de la ciudad y de su posición, ya queda claro que estamos ante una ciudad gélida.
Temperaturas tan extremas como -50ºC pueden ser registradas en el mes de enero, teniendo
una media en invierno de -35ºC. En el periodo estival las temperaturas no suben de 24ºC y la
media es de 8,7ºC. Lo que nos hace ver que esta ciudad tiene un clima prácticamente polar,
pero bastante suavizado con temperaturas por encima de la congelación en algunos periodos
del año.
No se ha mencionado nada relativo a las rachas de viento y a las precipitaciones, porque no se
consideran relevantes en el estudio meteorológico de nuestro proyecto.
Sin embargo, si puede ser interesante el estudio de las horas de sol para estudiar al viabilidad
de la instalación de un cargador solar de baterías para el sistema. Fijándonos en la última fila
de ambas ilustraciones vemos como el número de horas de sol entre Granada y Nuuk se
diferencia en 1512, lo que supone casi 63 días, o lo que es lo mismo casi 2 meses más de sol
en Granada que en Nuuk. A la luz de estos datos, es fácil afirmar que en caso de optar por la
utilización de baterías con placa solar, será mucho más óptimo su funcionamiento en la ciudad
española que en la danesa. Más adelante en el apartado que trate este tipo de baterías se hará
un estudio más pormenorizado de la viabilidad de utilización en ambos entornos.
6.1.4.2 Estudio del tipo de baterías existentes y cargadores
En este punto haremos un análisis de las diferentes baterías que tenemos a nuestra disposición
Ilustración 17: Parámetros clímaticos de Nuuk

en el mercado basándonos en los parámetros anteriormente expuestos.
• Baterías alcalinas: Son las más comunes en hogares y funcionan muy bien para una
gran cantidad de procesos electrónicos cotidianos. Al ser, tal vez, las mas usadas en el
día a día, las empresas productoras de estas pilas han mejorado mucho la química de
las mismas. De tal manera, la capacidad y sobre todo el tiempo de descarga se ha visto
aumentado en los últimos 6 años de manera notable.
Como se ha dicho antes, este tipo de pilas se encuentra de una manera muy extensa en
el mercado. Sus precios son bastante asequibles y su funcionamiento para aplicaciones
de baja corriente y de temperatura ambiente es bastante bueno. Los inconvenientes que
presenta esta batería son un mal funcionamiento, en cuanto a capacidad y tiempo de
vida se refiere, en ambientes fríos y en aplicaciones que requieran un consumo de
corriente alto. De las dos desventajas enunciadas anteriormente, la más crítica, es el
mal funcionamiento a bajas temperaturas, ya que por debajo de los 10ºC su capacidad
disminuye a unos niveles ineficaces para una aplicación como la nuestra.
En la siguiente Ilustración se puede verificar todo lo que se ha expresado con
anterioridad en este punto.
Ilustración 18: Baterías alcalinas. Capacidad frente a intensidad a
diferentes temperaturas

En la Ilustración 13 podemos observar la apariencia típica de una pila alcalina de uso
cotidiano.
• Baterías de litio: Dentro de las baterías de litio la subdivisión es muy extensa. Es por
este motivo que es muy complicado englobar todas dentro de un mismo patrón de
funcionamiento, es decir, es muy difícil enumerar sus características comunes. No
obstante hay tres propiedades que son comunes a todos los modelos:
◦ Su funcionamiento a bajas temperaturas es muy aceptable. Como podemos ver en
la gráfica de la Ilustración 14, la disminución de la capacidad con el decremento de
la temperatura es mínimo por lo que son buenas baterías en aplicaciones al aire
libre.
◦ El aumento del consumo de intensidad no afecta de manera considerable a la
capacidad. De igual modo, en la Ilustración 14 podemos ver como con el
incremento de la intensidad no supone un decremento excesivo de la capacidad.
◦ Son desechables.
Para modelar la gráfica que expresa el comportamiento de la capacidad frente a la
temperatura se usa una función logarítmica.
Ilustración 19: Pila alcalina

En la Ilustración 15 se puede apreciar una batería de litio de uso común.
• Baterías de hidruro de niquel-metal (NiMH): Es, tal vez, la mejor batería recargable
del mercado. A diferencia de las baterías de níquel-cadmio (NiCad), éstas mantiene
Ilustración 20: Baterías de litio. Capacidad frente a intensidad a
diferentes temperaturas
Ilustración 21: Batería de litio

sus propiedades tras un número de cargas muy elevado. Además, la recarga de la
misma tiene siempre la misma duración, es decir, el número de cargas tampoco afecta
al tiempo de recarga. Es más, por la química que tienen en su interior, muchos
expertos afirman que la carga es más rápida cuantas más recargas se realizan con una
perdida ínfima de capacidad.
Es una mezcla entre la batería alcalina y la batería de litio y además es recargable. Su
uso a bajas temperaturas es aceptable, pues en el intervalo de [20,-5ºC] el decremento
que muestra en su capacidad es aproximadamente de unos 400mAh. El uso en
temperaturas extremas de frío -como son las anteriormente citadas en Nuuk (-40ºC)-
no esta justificado, ya que el decremento en la capacidad es aproximadamente de
1200mAh.
En cuanto a la corriente requerida, el comportamiento de esta batería es también muy
aceptable, disminuyendo su capacidad (a 20ºC) en 400mAh con un aumento de
500mA.
Ilustración 22: Baterías de NiMH. Capacidad frente a intensidad a
diferentes temperaturas.

La apariencia de una de estas baterías la podemos observar en la siguiente Ilustración.
Por último, analizaremos en este apartado los diferentes cargadores de placa solar para batería
con el fin de saber si es viable la instalación de uno de estos. Pero ¿Qué es un cargador solar?
Es una fuente de energía autónoma portátil, o más técnicamente es un dispositivo electrónico
que mediante su placa solar captura la energía del sol y recarga su batería interna, para
posteriormente utiliza para alimentar otros dispositivos eléctricos.
Una vez definido qué es, como hicimos con las baterías, lo primero que hemos de hacer es
definir todas los factores importantes para decidir si adquirir o no un panel solar como
cargador:
• Capacidad de la batería; Aunque parezca muy obvio se ha de notar. Para comprender
de qué hablamos se pondrá un ejemplo clásico. Si se quiere cargar la batería de un
móvil que típicamente consume 1200mAh y se dispone de un panel solar de capacidad
de 2000-2500mAh se estará doblando la capacidad de la batería y se podrá cargar
cómodamente la batería y de una manera óptima en tiempo. Si disponemos de una
placa solar de capacidad 1000-1500mAh dispondremos de un cargador exacto por lo
que la carga en tiempo forma será correcta. Si disponemos de un panel de 500-
800mAh la carga de la batería no será completa en un ciclo y por tanto su
funcionamiento no será el mejor.
• Potencia; Cuanto más elevado sea el valor de la potencia de una placa solar más
rápida será su carga y con mayor celeridad “absorberá” la energía solar. La potencia de
la placa solar suele depender del tamaño y la calidad de los componentes de la misma.
Destacar además que las placas solares actuales no solo recogen energía de la luz
solar, si no que también pueden aprovechar la luz solar de fuentes de luz artificiales
como son las lámparas o luminarias.
• Compatibilidad; Este factor es el más importante. Hemos de tener en cuenta la salida
que tienen todos los paneles solares para cerciorarnos que sea compatible la conexión
Ilustración 23: Batería de
NiMH

con nuestra aplicación. De no ser así, el gasto en la placa no tendría sentido, porque la
compra del adaptador puede ser mucho más cara que la propia placa.
• Voltaje de salida; Muy importante. La mayoría de los cargadores solares portátiles de
bajo coste tienen una salida de 5V, aunque existen algunos más sofisticados que
permiten la salida de 5-9V. También se pueden adquirir los cargadores solares de
portátil que tienen una salida de 12-19V. Por ultimo hemos de destacar que para el
correcto uso de este tipo de cargadores solares, ha de existir una diferencia de
potencial entre el voltaje de salida de la placa y el voltaje de funcionamiento de la
batería a cargar. Así, un cargador de salida de 5V cargaría correctamente una batería de
4V.
En la Ilustración 18 se puede ver cómo es uno de estos cargadores solares.
6.1.4.3 Decisión
Ante todo lo expuesto en los apartados anteriores hemos de tomar una decisión sobre qué
batería utilizar. Como hemos visto en el apartado 6.1.4.1 las variables ambientales de las dos
ciudades que hemos analizado con muy diferentes, por tanto los componentes, y sobre todo la
batería, que hemos de utilizar en ambos deben ser diferentes. De este modo haremos una
distinción en cuanto a la elección en Granada y Nuuk.
Para una ciudad como Granada se optará por utilizar una batería de batería de hidruro de
niquel-metal (NiMH) y se utilizará un cargador solar para no depender de la energía alterna y
no tener que tener una toma de corriente para cargar la batería o en su defecto cambiar esta
cuando esté descargada. Esta elección está motivada por los factores ambientales, como son
una temperatura media al año de unos 15ºC y unas temperaturas mínimas de -10ºC y máximas
de 45º y la disponibilidad de 2881 horas de sol al año. En estos parámetros ambientales vemos
como atendiendo a la Ilustración 16, la capacidad de la batería no decrece en un nivel
Ilustración 24: Cargador Solar Doble USB Xtorm Lava Charger AM114

alarmante y como su funcionamiento es más que correcto. Además, con un número tan
elevado de horas de sol el cargador solar debería funcionar de una manera inmejorable.
Otra opción, para disminuir el coste y el número de componentes, sería utilizar el cargador
solar directamente, ya que este cuenta en su interior con una batería. La ventaja de este
sistema ya ha sido expuesta en la linea anterior, pero presenta una desventaja importante, y es
la posibilidad de fallo en el cargador solar por no recibir la energía lumínica suficiente, lo que
dejaría inactivo nuestro sistema.
De tal forma, se optará por la realización pruebas sólo con el cargador solar y si en un tiempo
notable no ocurre ningún error se considerará esta la opción óptima. Si se observa algún corte
en el funcionamiento del sistema o una insuficiencia de batería por parte del cargador, se
introducirá la batería de NiMH para otorgar robustez al sistema.
Para ciudades como Nuuk, con extremas temperaturas de frío (-45ºC) y unas horas de sol tan
escasas -Nótese que en el mes de Diciembre no hay ni una hora de sol en la ciudad- se debería
optar por una batería de litio y realizar el mantenimiento de cambiar dicha batería cada vez
que esta se descargue por completo. No se justifica el uso del cargador solar ya que su
rendimiento durante las estaciones de primavera, verano y otoño no sería el óptimo y en los
meses de invierno sería nulo.
6.1.5 Tecnología inalámbrica
Puesto que el desarrollo de este proyecto se basa en la realización de una Red de Sensores
conectados de forma no cableada, parece obvio que hemos llegado al kit de la cuestión en este
apartado. Aquí responderemos las preguntas ¿Qué tecnología usar? ¿Qué modulo es el mejor?
¿Cómo funcionan ambas cosas? Para saber qué modulo elegir, primero hemos de saber que
tecnología de conexión inalámbrica es la mas adecuada para nuestro trabajo. De este modo,
pasamos al punto 6.1.5.1.
6.1.5.1 ANT
ANT es una tecnología propietaria (aunque de acceso libre) diseñada y gestionada por ANT
Wireless (un subgrupo de Dynastream Innovations, que a su vez está englobada en la empresa
Garmin). Esta tecnología esta orientada y diseñada para trabajar con una red de sensores
inalámbricos multicast. Define una lista de protocolos para dispositivos que trabajan en la
banda estándar de 2,4 GHz (banda ISM). Dichos protocolos tienen la función de establecer
reglas estándar de coexistencia, representación de datos, señalización y detección de errores.
Conceptualmente es muy similar a Bluetooth de baja energía (que veremos más adelante) pero
orientado a una Red de Sensores.
Los nodos de estas redes son bimodales, es decir, son capaces de actuador como máster o
como esclavo dentro de la misma Red de Sensores de manera simultánea. Esto significa que
todos los nodos pueden actuar como enrutadores, receptores y emisores dentro de la misma
red. Lo que determina qué van a hacer en cada momento es la actividad de los nodos vecinos.

Los nodos de este tipo de tecnología pueden programarse para estar en modo “sleep” durante
los periodos de inactividad consumiendo una cantidad de microAmperios casi despreciable.
En el momento que es requerida la comunicación, despiertan y envían la trama de datos
necesaria. El consumo medio a unas bajas tasas de mensajes es de menos de 60 μA en algunos
dispositivos.
ANT permite utilizar tres tipos de comunicación: Broadcast, acknowledged y burst.
Broadcast es una comunicación unidireccional de un nodo a otro (u otros). En este tipo el
nodo receptor no tiene ningún tipo de protocolo de reconocimiento del mensaje, pero puede
comunicarse con el nodo transmisor. Este tipo de tecnología es la más económica para trabajar
con sensores.
Acknowledged se basa en la confirmación de la recepción del pequete de datos por parte del
nodo receptor. De este modo, el nodo emisor es informado por el receptor de que la
información enviada ha llegado con éxito o con fracaso, pero no hay un intercambio de
información entre emisor y repector. Este tipo de comunicación es adecuado para aplicaciones
de control.
Por último, burst, es una técnica de transmisión multi-mensaje que utiliza el ancho de banda
completo y interactúa con el receptor. De este modo, el receptor lo que hace es informar al
emisor de los paquetes de datos que han llegado a él de una manera correcta y de aquellos que
son corruptos o han sufrido algún problema en la comunicación. Inmediatamente después de
recibir esta información, el emisor vuelve a enviar solo aquellos paquetes de datos que no
fueron bien recibidos por el receptor, de esta forma nos evitamos el reenvío de aquellos datos
que si fueron bien recibidos en una primera ocasión. Este modo de comunicación es adecuado
para la transferencia de bloques de datos, donde lo principal es la integridad del mensaje que
transportan los datos.
La aplicación de esta tecnología la encontramos sobre todo en el sector deportivo, más en
cuestión en el ciclismo y en el running. No podía ser de otra
manera siendo desarrollada por Garmin, empresa muy
relacionado con el mundo del ciclismo profesional y del
atletismo amateur. Lo que persigue esta tecnología en este sector
es unificar el protocolo de comunicación de todos los sensores
de monitorización deportiva como son los ciclocomputadores,
medidores de cadencia, pulsómetros, etc. Hasta el momento de
su creación, cada marca que diseñaba un dispositivo de este tipo
y un sensor, tenía su propio protocolo de comunicación, lo que
hacía que los diferentes sensores que el usuario compraba fuesen
imposibles de conectar entre sí, lo que llevaba a una menor
disposición de compra del consumidor y a un integrabilidad casi
nula de los diferentes productos. Con ANT lo que se intenta es
Ilustración 25:
Ciclocomputador y
pulsómetro Garmin

que todos los sensores de tipo deportiva funcionen en una misma banda y con un mismo
protocolo para que todos se puedan integrar entre sí, sumando valor a la tecnología adquirida
y creando una red de sensores escalable y completa.
6.1.5.2 Bluetoth
“Bluetooth es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal
(WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un
enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 Ghz” Wikipedia, la enciclopie libre.
Los principales objetivos que tiene esta tecnología son los ya sabidos por todos sus usuarios:
• Facilitar la comunicación entre dispositivos
• Eliminar la comunicación cableada
• Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la
sincronización de datos entres equipos de uso personal.
La mayoría de dispositivos que usan esta tecnología pertenecen al sector de las
telecomunicaciones y la informática de uso personal (smartphones, Pcs, impresoras, PDAs...)
Más específicamente, Bluetooth es un protocolo de comunicaciones diseñado específicamente
para dispositivos de bajo consumo, que necesitan una comunicación de costo alcance y
basado en transceptores de bajo coste. La comunicación se realiza por radiofrecuencia, lo que
significa que los dispositivos no han de estar alineados ni en una disposición prefijada. Lo
único que es necesario es que la potencia de transmisión sea la suficiente para poder conectar
ambos dispositivos. Dependiendo precisamente de esta potencia de transmisión los
dispositivos Bluetooth se pueden clasificar en “Clase 1”, “Clase 2” y “Clase 3”.
Clase
Potencia máxima
permitida
Potencia máxima
permitida
Alcance
(aproximado)
Clase 1 100 mW 20 dBm 100 metros
Clase 2 2,5 mW 4 dBm 5 – 10 metros
Clase 3 1 mW 0 dBM 1 metro
Tabla 2: Clases de dispositivos Bluetooth
De la misma forma se puede hacer una clasificación de los dispositivo según su
funcionamiento en ancho de banda.

Versión Ancho de Banda
Versión 1,2 1 Mbit/s
Versión 2.0 + EDR 3 Mbit/s
Versión 3,0 + Hs 24 Mbit/s
Versión 4,0 32 Mbit/s
Tabla 3: Clasificación de los dispositivos Bluetooth por Ancho de Banda
La tecnología Bluetooth lleva mucho tiempo en funcionamiento y desarrollo, lo que la dota de
una gran base de datos y un gran banco de información tanto online como offline. Su
funcionamiento en largas distancias es aún un desafío y muchos son los detractores de esta
tecnología para entornos industriales. No obstante, es la tecnología más extendida para uso
personal y en aplicaciones de informática de bajo coste y baja complejidad. Por tanto,
podríamos deducir que es una tecnología para uso personal y de ocio más que profesional o
industrial, aunque bien sea cierto que algunas empresas de producción de pequeños
dispositivos electrónicos está utilizando esta tecnología para abaratar sus costes.
6.1.5.3 Bluetooth low energy
También conocido como Vluetooth LE, o
Bluetooth ULP (Ultra Low Power) es una nueva
tecnología de radio, es decir inalámbrica, que surge
a raíz del Bluetooth tradicional diseñada para
pequeños dispositivos.
Es la primera tecnología que confiera conexión a
dispositivos móviles, PCs y otros dispositivos más
pequeños (de pila de botón). Como bien indica su
nombre, la gran particularidad de este sistema de
comunicaciones es que está diseñado para trabajar
con un muy bajo consumo de energía.
Sus características son similares a las de Bluetooth, en cuanto a que opera en la banda de 2,4
GHz (banda ISM) con una tasa de transferencia de 1 Mbps (similar a la versión 1.2 de
Bluetooth). Como se ha remarcado antes, permite la comunicación entre dispositivos de pila
de botón (dispositivos muy pequeños). Su funcionamiento está baso en un microchips de bajo
coste, aunque posee opciones y características que le confieren la posibilidad de ser usado en
la industria. El tamaño de los dispositivos de comunicación es muy similar a los Bluetooth (se
puede escalar muy fácilmente para ser introducidos en un smartphone o PC). Por último,
destacar que cuenta con un soporte para seguridad empleando el sistema de cifrado AES
(Advanced Encryption Standard o Rijndael) y unos esquema de seguridad configurables.
Ilustración 26: Bluetooth Low Energy

Por dar algún apunte histórico, fue desarrolla por Nokia en el 2006 y muy bien aceptada por
empresas como Nordic, Epson o CSR de una manera muy rápida. La licencia de Wibree (de la
que se hablará a continuación) y su microchip la poseen las empresas Nordic Semiconductor y
CSR y tanto Suunto como Taiyo están colaborando con estas para realizar las especificaciones
necesarias para la interoperabilidad dentro de sus áreas de trabajo.
Por último se comentará las dos aplicaciones con las que se creó Wibree (primer nombre de la
tecnología que se describe en este punto):
• Wibree de implementación única: Funciona en dispositivos que requieren un bajo
consumo de energía, son pequeños y de bajo coste. Por poner algunos ejemplos
podemos enumerar: Relojes, sensores deportivos, ratones inalámbricos...
• Wibree de implementación modo dual Bluetooth-Wibree:Se diseña para su uso junto
con la tecnología Bluetooth donde Wibree se integra con Bluetooth y BluetoothRF
utilizando los dispositivos ya existentes para esta tecnología como son Smartphones o
Pcs.
6.1.5.4 NFC
Esta tecnología se comentará muy brevemente y tan solo para conocer el marco de las
comunicaciones inalámbricas. El motivo de no entrar mas en detalle es que este tipo de
tecnología tan solo opera a unas distancias muy pequeñas, lo que la hace inviable para nuestro
proyecto.
NFC (Near field communication o comunicación de campo cercano en español) es una
tecnología inalámbrica basada en la comunicación mediante la inducción de campos
magnéticos como especifica la ISO 14443. En esta tecnología, dos antenas de espiral son
colocadas dentro de sus respectivos campos cercanos. Trabaja en la banda de 13,56 MHz, lo
que hace que no se requiera ninguna licencia para su uso y no haya ninguna restricción.
Soporta dos modos de funcionamiento:
• Activo: Los dos dispositivos generan el campo magnético necesario para la
comunicación.
• Pasivo: Solo un dispositivo es el encargado de generar el campo magnético (debe ser
el iniciador de la comunicación). El otro se aprovecha de la modulación de el primero
para transmitir la información necesaria.

Esta tecnología fue desarrollada sobre todo para uso en Samartphones y como finalidad por
excelencia el pago con este, a través del contacto con centros de pago.
6.1.5.5 ZigBee
ZigBee es el nombre que se la da a una serie de protocolos de comunicación inalámbrica de
alto nivel. Su utilización esta normalmente enmarcada en la radiodifusión digital de bajo
consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 [E15] de WPAN (Redes inalámbricas de área
personal).
Si atendemos a la web de ZigBee Alliance [E16] podemos afirmar que el ámbito de máximo
desarrollo de esta tecnología se encuentra en la domótica y acondicionamiento de redes de
sensores. Las razones por la que es utilizada este tipo de tecnología en estas aplicaciones son
varias:
• Bajo consumo
• Topologías de red en malla.
• Integrabilidad y adaptibilidad. Es relativamente sencillo, electrónicamente hablando,
crear motas sensorizadas para la configuración de una red de sensores y actuadores de
uso local.
Para tener una visión más general y clara de que es ZigBee, podemos visitar la web
anteriormente enunciada [E16] y ver cómo definen ellos mismos su tecnología:
Ilustración 27: Ejemplo de uso de la tecnología NFC

“ZigBee surge de la necesidad de desarrollar una tecnología inalámbrica de no muy alta
transferencia de datos. Así, en 1998, un conjunto de empresas, conocidas como la ZigBee
Alliance se juntaron para crear un estándar de comunicaciones que complementara a Wi-fi y
Bluetooth. Surge así ZigBee, publicado por el IEEE en Mayo de 2003”. ZigBee Alliance,
2005.
Carácterísticas generales de ZigBee
Las características principales de las redes y los dispositivos de este tipo de tecnología son las
siguientes:
• Velocidad de transmisión entre 25 y 250 kbps
• Protocolo asíncrono, half duplex y estandarizado. Esto permite a dispositivos de
diferentes fabricantes y marcas, conectarse y trabajar en conjunto.
• Modulación en espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS [E17])
• Escalabilidad. Se pueden conformar redes desde dos dispositivos hasta cientos de
ellos.
• Modo bajo consumo (Modo standby). Este modo de funcionamiento reduce el
consumo y por tanto aumenta la vida de las baterías útil de las baterías utilizadas.
• Opera en la frecuencia de 2,4 GHz (16 canales con un ancho de banda de 5MHz) de
manera genérica y a 868 MHz y 915 MHz para usos industriales tanto en Europa como
América respectivamente.
• Fiabilidad. La red se conforma de manera simple y se organiza y repara de manera
automática. Además se rutean los paquetes de forma dinámica.
• Seguridad. Posee un protocolo de implementación encriptada y con sistema de
autentificación.
Tipos de Dispositivos
Se definen tre tipos de dispositivos en un red ZigBee:
• Coordinador (ZC): Debe existir al menos uno por red. Sus funciones dentro de la
misma son; controlar la red y los caminos que deben seguir los datos transmitidos y
conectar los diferentes dispositivos entre ellos para hacer posible la comunicación.
• Router (ZR): Su función es la interconexión de los diferentes dispositivos de la red.
Además permite un nivel de aplicación para la ejecución del código de usuario.
• Dispositivo final (ZED): Posee la inherente funcionalidad de comunicarse con su
nodo padre (puede ser coordinador o router). No permite transmitir información
destinada a otros dispositivos que no sean estos. De esta forma, el dispositivo final

podrá estar normalmente “dormido” y despertar tan solo cuando desde sus nodos
padre le sean requeridos paquetes de información, así la vida media de sus baterías
aumenta considerablemente. El ZED será el nodo más barato de la red.
Para ilustrar los diferentes tipos de nodos que podemos encontrar en una red, ponemos el
ejemplo de la Ilustración 28.
En esta imagen podemos ver los diferentes tipos de dispositivos. Todos los marcados con el
color verde serían ZED. Los marcados con la etiqueta de color azul, serían los nodos padre de
los ZED antes vistos. Teniendo una pasarela y un nodo coordinador, el cual a su vez está
conectado a un control remoto para poder operar desde un dispositivo Smartphone.
Topologías de red
Existen cuatro tipos diferentes de redes para la interconexión de todos los nodos:
• Punto a punto: Es la topología más sencilla posible. En ella uno de los dispositivos es
el coordinador y el otro restante puede ser tanto ZED como ZR.
• Estrella: Todos los dispositivos de este tipo de red pueden comunicarse con el
coordinador pero no entre ellos.
• Malla: Se trata de una comunicación punto a punto extendida en la que existen
restricciones en las intercomunicaciones de los diferentes dispositivos. Cualquier
dipositivo tiene la capacidad de comunicarse con otro y será el coordinador el
encargado de gestionar los caminos para e4sta comunicación.
• Arbol: La más compleja de todas. El coordinador es el encargado de establecer la red
Ilustración 28: Ejemplo de red ZigBee

inicial. La routers forman diferentes ramas de comunicación y retransmiten los
mensajes. Los ZEDs son los que hacen el papel de las hojas en el árbol, recibiendo la
información y aportando la necesaria.
En la siguiente Ilustración se pueden ver las diferentes topologías de red de la tecnología
ZigBee.
Protocolos
Desde su concepción en el marco de la ZigBee Alliance, ZigBee se ideó para que tuviese una
estructura por capas, lo que simplificaba el problema de la comunicación y permitía dividirlo.
Esto además permitió a Zigbee tener más flexibilidad ante cambios.
De este modo, Zigbee sigue el modelo OSI (Interconexión de Sistemas abiertos) reduciendo
las siete capas de la pila original a tan solo cuatro. El estándar 802.15.2 define las dos
primeras capas; capa física y capa de enlace de datos, mientras que Zigbee define las dos
restantes: capa de red y capa de aplicación.
Ilustración 29: Topologías de red

• Capa Física: Define las funciones y la relación con la capa MAC. A su vez, define
aspectos como la potencia del transmisor y la sensibilidad del receptor.
• Capa de enlace de datos: Es la encargada de procurar una interfaz entre la capa física
y la de red. A su vez controla los servicios y los datos.
• Capa de red ZigBee: Ofrece todas las funcionalidades para la configuración y
manipulación de redes y una interfaz simple para las aplicaciones de usuario.
• Capa de aplicación: La mas importante. Nivel más alto de especificación. Es la
encargada de la interfaz efectiva entre el usuario y el nodo que lo conecta a la red
ZigBee. En esta capa han de estar presentes todas las especificaciones y componentes
requeridos para los dispositivos. Un perfil de aplicación permite la operación de varios
componentes de diferentes fabricantes en una red como si fuesen del mismo. La
ZigBee Alliance es la encargada de definir los diferentes identificadores de perfil (un
número de 16 bits de la capa de aplicación que define el perfil). Los diferentes perfiles
los podemos encontrar en su página web. En la Ilustración 31 pueden observarse los
diferentes perfiles existentes.
Ilustración 30: Modelo ZigBee

6.1.5.6 Comparativa y decisión de la tecnología a usar
A la luz de todos los datos aportados de las diferentes tecnologías existentes en el mercado
para el desarrollo de mi proyecto, he decidido elegir Zigbee. La elección esta motivada por
varios factores:
• Consumo. Es la tecnología que menos consumo de energía presenta. Si lo
comparamos por ejemplo con la tecnología Bluetooth, vemos que el consumo se
reduce en casi un factor 1/10 tanto en reposo como en funcionamiento. Además la
posibilidad de dejar los nodos finales (ZED) dormidos durante largos periodos de
tiempo y despertarlos tan solo cuando sea necesario obtener información, es vital para
una aplicación como la mía, ya que el punto más crítico del proyecto sea tal vez la
vida media de las batería a usar.
• Documentación y fiabilidad. ZigBee es una tecnología utilizada con éxito en el
mercado desde el año 2002-2003 aproximadamente, lo que le confiere una seguridad y
un banco de información en internet bastante amplio. No se puede decir lo mismo de
tecnologías como BLE, la cual es muy óptima para nuestro proyecto debido al bajo
consumo de energía y a la utilización del modo sleep, pero no se dispone de suficiente
documentación y caso de éxito como para poder tener una fiabilidad asegurada en un
proyecto como el que nos ocupa.
Ilustración 31: Perfiles
ZigBee

• Distancia. La tecnología ZigBee nos asegura buen funcionamiento y fiabilidad de
conexión a distancia por encima de los 100 metros. Otras opciones, como son
Bluetooth y BLE sufren fallos importantes a mas de 50 metros y NFC apenas supera
los 60-70cm eb tasas de funcionamiento aceptable.
• Tecnología Estándar. destacar que la elección de ZigBee también está motivada por
el hecho de ser una tecnología estándar, lo que permite mayor libertad de uso y
compatibilidad entres diferentes dispositivos.
Una vez realizado este primer análisis, se puede afirmar que las opciones Bluetooth, BLE y
NFC están descartadas. Entonces, nos hemos quedado con dos opciones entre las que elegir,
que son ZigBee y ANT. Ambas están ideadas y creadas para el uso en redes de sensores y
ambas tienen un alcance aceptable. No obstante, ANT fue creada para el uso de sensores
multicast en aplicaciones deportivas, tanto es así que fue diseñada por una empresa deportiva
(Garmin). Sin embargo, Zigbee esta creada por la ZigBee Alliance para un uso mucho más
extendido, con la creación de diferentes perfiles para casi todas las aplicaciones (industriales,
doméstica, clínicas, locales, personales, de investigación...)
En cuanto al consumo, ANT es una tecnología que presenta un consumo mínimo de sus
dispositivos en funcionamiento, pero en comparación con ZigBee tiene un consumo mucho
más elevado en aplicaciones que presentan un escenario cíclico de funcionamiento. Esto es
porque el modo sleep de ZigBee es muy eficaz, haciendo que los nodos durante el tiempo que
permanecen dormidos no consuman casi energía. Este hecho queda de manifiesto en el
estudio presentado en [E19].
6.1.5.7 Módulo inalámbrico
Una vez elegid ala tecnología que vamos a utilizar para nuestro proyecto, hemos de saber cuál
será la electrónica que vamos a utilizar para llevar a cabo la comunicación. De tal forma,
hemos de estudiar todas las opciones que hay en el mercado en cuanto a módulos de conexión
inalámbrica compatibles con la tecnología ZigBee.
• Xbee Znet 2.5: También llamados módulo de Xbee Serie 2. Son los que más
posibilidades presentan. Deben ser configurados antes de ser utilizados. Sus métodos
de funcionamiento son: Modo transparente y/o modo de comandos API (todo depende
de qué firmware se configure en cada módulo). Lo interesante de estos módulos (serie
2) es que pueden funcionar en una red mesh, creando módulos totalmente
configurables y con una amplia gama de posibilidades de conexión y funcionamiento.
No podrán ser utilizados alternativamente con los serie 1. Sus características
principales además de las ya citadas son:
◦ Pequeño tamaño.
◦ Bajo coste y bajo consumo.

Red zigbee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas

Red zigbee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a Red zigbee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas

Similar a Red zigbee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas (20)

Más de Julián Fernández Ortiz

Más de Julián Fernández Ortiz (15)

Último

Último (20)

Red zigbee para la monitorización de variables atmosféricas y meteorológicas