Post on 16-Feb-2020
I
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE DE MONITOREO Y
CONTROL EN TIEMPO REAL PARA TANQUES DE
ALMACENAMIENTO DE GASOLINA UTILIZANDO
TECNOLOGÍA DE HARDWARE Y SOFTWARE LIBRE PARA
PEQUEÑAS Y MEDIANAS EMPRESAS
PROYECTO DE TITULACIÓN
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
AUTORES:
Chamorro Salazar Hamilton Gabriel
TUTOR:
Ing. Jacobo Antonio Ramírez Urbina
GUAYAQUIL – ECUADOR
2019
II
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGIA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS
TITULO: Diseño de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real para tanques de almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de
hardware y software libre para pequeñas y medianas empresas.
REVISORES:
Ing. Luis Espin Pazmiño, M.Sc Ing. Harry Luna Aveiga, M.Sc
INSTITUCIÓN: Universidad de
Guayaquil
FACULTAD: Ciencias Matemáticas y
Físicas.
CARRERA: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
FECHA DE PUBLICACIÓN: N° DE PAGS: 143
AREA TEMÁTICA: Tecnología de la Información y Telecomunicaciones
PALABRA CLAVES: Telemetría, microcomputadores, sensores, actuadores,
sistema digital, tanques de almacenamiento, control en tiempo real
RESUMEN: Este proyecto tiene como finalidad investigar y diseñar un sistema de
monitoreo y control en tiempo real para tanques de almacenamiento de gasolina
utilizando tecnología de hardware y software libre para las pequeñas y medianas
empresas. El diseño permite una gestión eficiente de los inventarios de gasolina
almacenados en taques que pueden tener diferentes formas, para lo cual se
dispone de algoritmos que modelan una ecuación matemática para medir dicho
volumen.
N° DE REGISTRO: N° DE CLASIFICACIÓN:
DIRECCIÓN URL:
ADJUNTO PDF: SI
NO
CONTACTO CON AUTOR: Teléfono:
0961412551
E- mail:
hamilton.chamorros@ug.e
du.ec
CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN: Nombre:
Teléfono:
III
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del trabajo de titulación,
“Diseño de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real para
tanques de almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de hardware
y software libre para pequeñas y medianas empresas” elaborado por el Sr.
Chamorro Salazar Hamilton Gabriel, Alumno no titulado de la Carrera de
Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias
Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil, previo a la obtención del
Título de Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones, me permito declarar que
luego de haber orientado, estudiado y revisado, la Apruebo en todas sus partes.
Atentamente
_______________________________
Ing. Jacobo Ramírez Urbina, M.sc.
IV
DEDICATORIA
Dedico este trabajo de titulación a mi
madre, Shirley Salazar ya que ella ha
sido un pilar fundamental en toda mi
etapa estudiantil. A mi padre de crianza,
Javier Toapanta por siempre brindarme
su apoyo de manera incondicional. A mi
tía, Nila Salazar que muchas veces
conté con su apoyo y en este trabajo se
ve reflejado el apoyo de ellos y mi
esfuerzo, gracias a estas personas he
podido llegar hasta donde estoy. Esta es
mi forma de expresar mi gratitud.
Atte. Chamorro Salazar Hamilton Gabriel
V
AGRADECIMIENTO
En primer lugar, agradezco a Dios por
darme sabiduría, fuerza y salud para
poder culminar con esta carrera que
elegí. A mi madre, Shirley Salazar por
estar siempre conmigo dándome ánimos
cuando quise desistir. A mi jefe el Dr.
Darío Aguilera por darme un horario
flexible laboral para poder culminar mis
estudios. A mis compañeros de clases
Víctor, Jaime, Carlos, Leonor y Gabriela
por siempre darnos ánimos y ayudarnos
entre nosotros, gracias por ser los
mejores compañeros que pude tener.
Atte. Chamorro Salazar Hamilton Gabriel
VI
TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN
________________________________
Ing. Santiago Ramírez Aguirre, M.Sc.
DECANO DE LA FACULTAD CIENCIAS MATEMATICAS Y
FISICAS
________________________________
Ing. Luis Espin Pazmiño, M.Sc.
PROFESOR REVISOR DEL ÁREA
TRIBUNAL
________________________________
Ing. Francisco Palacios Ortiz, M.Sc.
DIRECTOR DE LA CARRERA DE
INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
________________________________
Ing. Harry Luna Aveiga, M.Sc.
PROFESOR REVISOR DEL ÁREA
TRIBUNAL
_______________________________
Ing. Jacobo Ramírez Urbina, M.Sc.
PROFESOR TUTOR DEL PROYECTO
DE TITULACION
_______________________________
Ab. Juan Chávez Atocha, Esp.
SECRETARIO TITULAR
VII
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de este
Proyecto de titulación, me corresponden
exclusivamente; y el patrimonio
intelectual de la misma a la
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL”
CHAMORRO SALAZAR HAMILTON GABRIEL
VIII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE DE MONITOREO Y CONTROL EN
TIEMPO REAL PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE GASOLINA
UTILIZANDO TECNOLOGÍA DE HARDWARE Y SOFTWARE LIBRE PARA
PEQUEÑAS Y MEDIANAS EMPRESAS
Que se presenta como requisito para optar por el título de INGENIERO EN
NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
Autor/a: CHAMORRO SALAZAR HAMILTON GABRIEL
C.I. 0923900203
Tutor: Ing. Jacobo Antonio Ramírez Urbina
Guayaquil, 11 de Abril del 2019
IX
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del proyecto de titulación, nombrado por el Consejo
Directivo de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de
Guayaquil.
CERTIFICO:
Que he analizado el proyecto de titulación presentado por el estudiante
Chamorro Salazar Hamilton Gabriel, como requisito previo para optar por el título
de Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones cuyo tema es:
“Diseño de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real
para tanques de almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de
hardware y software libre para pequeñas y medianas empresas”
Considero aprobado el trabajo en su totalidad.
Presentado por:
CHAMORRO SALAZAR HAMILTON GABRIEL
Cédula de ciudadanía N°. 0923900203
Tutor: Ing. Jacobo Antonio Ramírez Urbina
Guayaquil, 11 de Abril del 2019
X
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING YTELECOMUNICACIONES
Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en Formato Digital
1. Identificación del Proyecto de Titulación
Nombre del Alumno: Chamorro Salazar Hamilton Gabriel
Dirección: Durán primavera 2, sector 2D, Mz. 14 villa 4
Teléfono: 0961412551 E-mail: hamilton.chamorros@ug.edu.ec
Nombre del Alumno:
Dirección:
Teléfono: E-mail:
Facultad: De Ciencias Matemáticas y Físicas
Carrera: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
Título al que opta: Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones
Profesor tutor: Ing. Jacobo Antonio Ramírez Urbina
Título del Proyecto de titulación:
“Diseño de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real
para tanques de almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de
hardware y software libre para pequeñas y medianas empresas”
XI
Tema del Proyecto de Titulación:
“Diseño de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real
para tanques de almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de
hardware y software libre para pequeñas y medianas empresas”
2. Autorización de Publicación de Versión Electrónica del Proyecto de
Titulación A través de este medio autorizo a la Biblioteca de la Universidad
de Guayaquil y a la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas a publicar
la versión electrónica de este Proyecto de Titulación
Publicación electrónica:
Inmediata X Después de 1 año
Firma Alumno:
3. Forma de envió:
El texto del Proyecto de Titulación debe ser enviado en formato Word, como
archivo .Doc. O .RTF y .Puf para PC. Las imágenes que la acompañen pueden
ser: .gif, .jpg o .TIFF.
DVDROM CDROM X
XII
ÍNDICE GENERAL
APROBACIÓN DEL TUTOR ...............................................................................................III
DEDICATORIA ................................................................................................................ IV
AGRADECIMIENTO ......................................................................................................... V
TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN ........................................................................... VI
DECLARACIÓN EXPRESA ............................................................................................... VII
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR .....................................................................IX
ÍNDICE GENERAL ...........................................................................................................XII
ABREVIATURAS ............................................................................................................ XV
SIMBOLOGÍA ............................................................................................................... XVI
ÍNDICE DE CUADROS .................................................................................................. XVII
ÍNDICE DE GRÁFICOS ................................................................................................. XVIII
RESUMEN .................................................................................................................... XX
ABSTRACT ...................................................................................................................XXII
INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................1
CAPÍTULO I ......................................................................................................................3
El problema .................................................................................................................3
Planteamiento del problema ...................................................................................3
Ubicación del problema en un contexto ...............................................................3
Delimitación del problema ...................................................................................6
Formulación del problema ...................................................................................6
Evaluación del problema......................................................................................7
Objetivo general: .................................................................................................8
Objetivos específicos: ..........................................................................................8
Alcances del problema .........................................................................................9
Justificación e importancia ..................................................................................9
CAPÍTULO II ................................................................................................................... 11
El problema ............................................................................................................... 11
Marco teórico ........................................................................................................ 11
Antecedentes del estudio .................................................................................. 11
Fundamentación teórica .................................................................................... 13
Redes de Datos .................................................................................................. 14
XIII
Sistemas Digitales .............................................................................................. 19
Sistemas Embebidos .......................................................................................... 21
Microcomputadores .......................................................................................... 24
Control e Instrumentación Industrial ................................................................. 27
Telemetría y Telecontrol .................................................................................... 31
Fundamentación legal ....................................................................................... 35
Hipótesis ........................................................................................................... 41
Variables de la Investigación .............................................................................. 41
Variable independiente ..................................................................................... 41
Variable dependiente ........................................................................................ 41
Definiciones conceptuales ................................................................................. 41
CAPÍTULO III .................................................................................................................. 43
Metodología de la Investigación ................................................................................ 43
Diseño de la Investigación ..................................................................................... 43
Modalidad de la investigación............................................................................ 43
Tipo de investigación ......................................................................................... 43
Descriptivo ........................................................................................................ 44
De campo .......................................................................................................... 44
Por la factibilidad ............................................................................................... 44
Población y muestra .............................................................................................. 45
Población .......................................................................................................... 45
Muestra ............................................................................................................. 46
Instrumentos de recolección de datos ................................................................... 47
Técnicas............................................................................................................. 47
Recolección de la información ............................................................................... 49
Procesamiento y análisis .................................................................................... 49
Análisis de datos .................................................................................................... 50
Análisis de la encuesta ....................................................................................... 50
Validación de la hipótesis ...................................................................................... 60
CAPÍTULO IV .................................................................................................................. 62
Resultados conclusiones y recomendaciones ......................................................... 62
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................... 64
Conclusiones ......................................................................................................... 64
XIV
Recomendaciones ................................................................................................. 66
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 68
ANEXOS ........................................................................................................................ 72
Anexo 1 ..................................................................................................................... 72
Cronograma del proyecto ...................................................................................... 72
Anexo 2 ..................................................................................................................... 73
Encuesta................................................................................................................ 73
Anexo 3 ..................................................................................................................... 75
Análisis de Configuraciones y Calibración............................................................... 75
Análisis matemático para el cálculo del volumen de un tanque cilíndrico para
almacenar gasolina. ............................................................................................... 87
Análisis matemático para el cálculo del volumen de un tanque elíptico horizontal
para almacenar gasolina. ....................................................................................... 89
Anexo 4: Diseño, Instalación y Guía de Usuario ......................................................... 92
Requerimientos del diseño .................................................................................... 92
Arquitectura del diseño ......................................................................................... 93
Componentes de la solución tecnológica ............................................................... 94
Pasos para instalar Raspbian: .............................................................................. 101
Aplicación Web Desarrollo y Guía de Uso ............................................................ 109
Integración con el diseño prototipo. .................................................................... 117
Anexo 5: Licencia gratuita intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la
obra con fines no académicos. ................................................................................ 120
XV
ABREVIATURAS
ABP Aprendizaje Basado en Problemas
UG Universidad de Guayaquil
FTP Archivos de Transferencia
g.l. Grados de Libertad
HTML Lenguaje de Marca de salida de Hyper Texto
HTTP Protocolo de transferencia de Hyper Texto
Ing. Ingeniero
CC.MM.FF Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas
ISP Proveedor de Servicio de Internet
Mtra. Maestra
Msc. Máster
URL Localizador de Fuente Uniforme
www world wide web (red mundial)
RPI Raspberry Pi
CPU Unidad Central de Procesamiento
SBC Single Board Computer
TCP Protocolo de Control de Transmisión
NAS Network Attached Storage
SAN Storage Area Network
HPC High performance Computing
TI Technology Information
BI Business Intelligence
QOS Quality of Services
RAM Random Access Memory
VM Virtual Machine
HDMI High-Definition Multimedia Interface
GNU GNU's Not UNIX
DNS Domain Name System
SCSI Small Computer System Interface
JPA Java Persistence Api
SPI Serial Peripheral Interface
XVI
PAM Modulación por Amplitud de Pulsos
IEEE Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
PMI Project Management Institute
SIMBOLOGÍA
s Desviación estándar
e Error
E Espacio muestral
E(Y) Esperanza matemática de la v.a. y
s Estimador de la desviación estándar
e Exponencial
XVII
ÍNDICE DE CUADROS
Pág.
CUADRO N. 1 Causas y Consecuencias del problema .......................................................5
CUADRO N. 2 Delimitación del problema.........................................................................6
CUADRO N. 3 Tamaño de la muestra ............................................................................. 46
CUADRO N. 4 Técnica de recolección de datos .............................................................. 48
CUADRO N. 5 Instrumentos de la investigación ............................................................. 48
CUADRO N. 6 Matriz de requerimientos ........................................................................ 63
CUADRO N. 7 Prueba técnica del sensor infrarrojo ........................................................ 76
CUADRO N. 8 Prueba técnica del sensor magnético ....................................................... 77
CUADRO N. 9 Prueba técnica del sensor contacto ......................................................... 79
CUADRO N. 10 Prueba técnica del sensor ultrasonido ................................................... 80
XVIII
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Pág.
Gráfico 1 Red de datos .................................................................................................. 15
Gráfico 2 Red escalable ................................................................................................. 16
Gráfico 3 Tolerancia a fallas........................................................................................... 17
Gráfico 4 Calidad de servicio ......................................................................................... 17
Gráfico 5 Expectativas de privacidad y seguridad........................................................... 18
Gráfico 6 Microprocesador básico de 4 bits ................................................................... 21
Gráfico 7 Componentes lógicos de un sistema embebido .............................................. 23
Gráfico 8 Microcomputador .......................................................................................... 24
Gráfico 9 Raspberry Pi 3 ................................................................................................ 27
Gráfico 10 Servomotor .................................................................................................. 29
Gráfico 11 Innovatronik MS ........................................................................................... 29
Gráfico 12 Tipos de sensores ......................................................................................... 31
Gráfico 13 Sistema de Telemetría mediante GPRS. ........................................................ 33
Gráfico 14 Control Nivel Agua Tinaco Cisterna. .............................................................. 33
Gráfico 15 Telemetría y Telecontrol. ............................................................................. 34
Gráfico 16 Comercializadoras de combustible registradas en el Ecuador ....................... 45
Gráfico 17 Resultado de la encuesta - pregunta No. 1.................................................... 51
Gráfico 18 Resultado de la encuesta - pregunta No. 2.................................................... 52
Gráfico 19 Resultado de la encuesta - pregunta No. 3.................................................... 53
Gráfico 20 Resultado de la encuesta - pregunta No. 4.................................................... 54
Gráfico 21 Resultado de la encuesta - pregunta No. 5.................................................... 55
Gráfico 22 Resultado de la encuesta - pregunta No. 6.................................................... 56
Gráfico 23 Resultado de la encuesta - pregunta No. 7.................................................... 57
Gráfico 24 Resultado de la encuesta - pregunta No. 8.................................................... 58
Gráfico 25 Resultado de la encuesta - pregunta No. 9.................................................... 59
Gráfico 26 Resultado de la encuesta - pregunta No. 10.................................................. 60
Gráfico 27 Cronograma del proyecto ............................................................................. 72
Gráfico 28 Sensor infrarrojo .......................................................................................... 76
Gráfico 29 Pruebas con el medidor magnético .............................................................. 77
Gráfico 30 Sensor de contacto ....................................................................................... 78
Gráfico 31 Pantalla LCD para mostrar las medidas obtenidas......................................... 80
Gráfico 32 Parametrización de JMTER ........................................................................... 81
Gráfico 33 Parametrización de JMTER ........................................................................... 82
Gráfico 34 Parametrización de las pruebas técnicas ...................................................... 82
Gráfico 35 Resultado parametrización de las consultas envidadas ................................. 83
Gráfico 36 Resultado de las pruebas técnicas realizadas ................................................ 84
Gráfico 37 Resultado de la encuesta - gráficos ............................................................... 85
Gráfico 38 Resultado de las pruebas técnicas ................................................................ 85
Gráfico 39 Rendimiento del sistema .............................................................................. 86
Gráfico 40 Tanque cilíndrico para almacenar gasolina ................................................... 87
XIX
Gráfico 41 Tanque elíptico horizontal ............................................................................ 89
Gráfico 42 Tanque de almacenamiento cilíndrico con casquetes semiesférico en los
extremos ....................................................................................................................... 91
Gráfico 43 Arquitectura del diseño ................................................................................ 94
Gráfico 44 Microcomputador Raspberry Pi .................................................................... 95
Gráfico 45 Sensor de ultrasonido................................................................................... 95
Gráfico 46 Electroválvula de 110v ................................................................................. 96
Gráfico 47 Tarjeta MicroSD para almacenar el sistema operativo .................................. 97
Gráfico 48 Pantalla LCD 16X2 ........................................................................................ 97
Gráfico 49 Sensor de temperatura digital ...................................................................... 98
Gráfico 50 Sensor de medición de caudal ...................................................................... 98
Gráfico 51 Módulo de componentes de conmutación Arduino ...................................... 99
Gráfico 52 Componentes de cómputo y electrónicos para el diseño del prototipo ....... 100
Gráfico 53 Software Raspbian ..................................................................................... 100
Gráfico 54 Descargar la imagen ISO del sistema .......................................................... 101
Gráfico 55 Tarjeta MicroSD ......................................................................................... 102
Gráfico 56 Formatear e instalar la distribución de Linux en la microSD ........................ 102
Gráfico 57 Habilitando el acceso mediante SSH ........................................................... 103
Gráfico 58 Preconfigurando la Raspberry Pi ................................................................. 103
Gráfico 59 Conexión mediante PuTTY a la Raspberry mediante SSH ............................ 104
Gráfico 60 Consola de Linux mediante conexión SSH ................................................... 104
Gráfico 61 Esquema de la base de dato implementado en MySQL ............................... 108
Gráfico 62 Tablas de la base de datos con contenido obtenido por los sensores y
actuadores .................................................................................................................. 109
Gráfico 63 IDE de desarrollo Java NetBeans ................................................................. 110
Gráfico 64 Pantalla de configuración de pool de datos – Servidor WildFly ................... 111
Gráfico 65 Archivo persistence.xml para configuración de pool de datos ..................... 111
Gráfico 66 Servidor de aplicaciones WildFly corriendo el sistema web......................... 112
Gráfico 67 Pantalla de control – monitoreo en tiempo real ......................................... 113
Gráfico 68 Pantalla de análisis – selecciona parámetro indicador ................................ 114
Gráfico 69 Pantalla de análisis – selecciona rango de fecha ......................................... 114
Gráfico 70 Análisis estadístico – serie temporal de datos ............................................. 115
Gráfico 71 Análisis estadístico descriptivo ................................................................... 115
Gráfico 72 Análisis descriptivo – diagrama de caja ....................................................... 116
Gráfico 73 Análisis descriptivo – datos atípicos en la muestra...................................... 116
Gráfico 74 Reporte gerencial de inventario mensual de gasolina ................................. 117
Gráfico 75 Prototipo de sistema de monitoreo y control de tanques de almacenamiento
de gasolina .................................................................................................................. 118
Gráfico 76 Instalando el sensor de flujo a la tubería de la bomba de agua ................... 118
Gráfico 77 Pantalla LCD de 16X2 midiendo el nivel del agua ........................................ 119
XX
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE DE MONITOREO Y CONTROL EN
TIEMPO REAL PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE GASOLINA
UTILIZANDO TECNOLOGÍA DE HARDWARE Y SOFTWARE LIBRE PARA
PEQUEÑAS Y MEDIANAS EMPRESAS
Autores: Chamorro Salazar Hamilton Gabriel
Tutor: Ing. Jacobo Antonio Ramírez Urbina
RESUMEN
La presente investigación brinda un enfoque a la problemática que tienen las
empresas que gestionan hidrocarburos como la gasolina, los cuales utilizan
procesos de medición manuales para obtener el volumen cargado en los tanques
de almacenamiento. Uno de los principales puntos de la investigación es
automatizar el proceso de control y monitoreo y tiempo real a través de una
aplicación web que permitirá recopilar la información mediante un controlador
electrónico en el cual se conectan sensores y actuadores, para posteriormente
almacenar los datos, de manera que la información obtenida sea fiable y pueda
estar disponible en tiempo real, a fin de generar reportes gerenciales y detectar
fugas o perdidas. Así mismo, establecer un diseño tecnológico funcional, a las
pequeñas y medianas empresas con las premisas del ahorro en costes de
hardware, software y soporte técnico.
La tecnológico ha tenido avances muy importantes en los últimos años, siendo las
industrias y los comercios quienes han adoptado nuevas tendencias tecnológicas
a fin de automatiza y optimizar sus procesos, el mercado global ha permitido que
XXI
las nuevas necesidades generen oportunidades de negocio, lo que promueve la
innovación de proyectos tecnológicos apoyados en microcomputadores y software
libre, los cuales permiten realizar muchas tareas de cálculos con gran potencia.
Adicionalmente, estos cambios han logrado integrar varios procesos
organizacionales a nivel funcional y operativo, a fin de evaluar las actividades
realizadas diariamente y poder optimizarlas, haciendo uso de las herramientas
informáticas actuales. Existen diversos productos tecnológicos en el mercado que,
con características similares de medición y control remoto, las cuales son
importadas y llegan a tener altos costos de implementación. Considerando,
además que el soporte técnico es extranjero y que puede incurrir en gastos y
tiempos de inoperatividad. Es importante mencionar que las licencias tienen un
costo anual por el uso del producto. Este proyecto de investigación recopilará
información acerca de las necesidades que tienen actualmente las empresas que
gestionan tanques de almacenamiento de gasolina, para luego generar escenarios
y ejecutar pruebas técnicas mediante un prototipo de diseño, que garantizará
automatización del proceso de carga y descarga, además, fiabilidad de la
información y soportes de inventario basados en reportes estadísticos con datos
mensuales a fin de cumplir con los objetivos propuestos.
El uso de hardware y software libre reduce los costes de investigación, diseño e
implementación. Por lo tanto, el diseño final producirá una solución de monitoreo
y control en tiempo real, permitiendo reducir costos operativos y de
mantenimiento, así como costos de consumo eléctrico para las pequeñas y
medianas empresas, el cual podrá ser utilizado mediante un servicio web que
servirá como interfaz de administración y gestión de los tanques de
almacenamiento de gasolina.
XXII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
DESIGN OF AN INTELLIGENT SYSTEM OF REAL TIME MONITORING AND
CONTROL FOR GASOLINE CONTAINERS USING HARDWARE
TECHNOLOGY AND FREE SOFTWARE TO APPLY IN SMALL AND MEDIUM
ENTERPRISES
Autores: Chamorro Salazar Hamilton Gabriel
Tutor: Ing. Jacobo Antonio Ramírez Urbina
ABSTRACT
This research project is presented as a solution to the problems of companies that
manage hydrocarbons such as gasoline, which use manual measurement
processes to obtain the volume loaded in the gasoline containers, the goal of this
research is automating the process of control and real time monitoring through a
web application that will allow to collect the information by means of an electronic
controller connected with sensors and actuators to later store the data, so that
information will be reliable and available in order to generate management reports
and detect leaks or losses gasoline. On others hand, to establish a functional
technological design to small and medium enterprises, it will design with the
premises of the cost savings in hardware, software and technical support. Due to,
growth of technological advances in industries and companies’ new opportunities
for services and products can be obtained, given the way to new and innovative
technological projects based on microcomputers and free software, which allow
users to access remotely from any computer or mobile device in any place in the
world. In addition, these changes have managed to integrate several
XXIII
organizational processes at functional and operational level, to perform daily
activities in an optimal way by using the current computer tools. In the market there
are many solutions of measurement and remote control, which are exported, and
it has expensive costs of implementation and specialized technical support. Finally,
an important topic, it is the licenses to be paid and renewed annually for the use of
the product. Even though large companies can pay, for small and medium-sized
enterprises is a problem because they cannot make significant investments in
technological solutions. This research project will gather information about the
needs of companies that manage petrol storage tanks, and then generate several
scenarios and run technical tests using a design prototype that will guarantee
Automation of the process of loading and unloading, information reliability and
inventory supports based on reports with monthly data load in order to meet the
proposed objectives. Use of hardware and free software reduces the costs of
research, design and implementation. Therefore, final design will produce a real-
time, low-cost, low-energy monitoring and control solution that is easy to manage
and install for small and medium-sized enterprises, which is integrated into the
organization's network via the Internet. This solution will provide a web service that
will serve as an interface for management and management of fuel storage tanks.
1
INTRODUCCIÓN
La industria y los mercados han adoptado nuevos modelos de negocios
tecnológicos en esta nueva era revolucionaría denominada 4.0, en los cuales los
servicios y procesos están relacionados entre sí, de manera que una apertura
tecnológica influirá notablemente en la calidad del servicio brindado a sus clientes,
la cual repercutirá directa o indirectamente en los estados financieros de las
pequeñas y medianas empresas, por tal razón, los procesos manuales deben ser
cambiados por procesos automatizados y confiables, los cuales administrarán
variables de medición, tiempo y costo (Mercado, 2017). Esta problemática ha
permitido plantear esta investigación en las empresas que gestionan
hidrocarburos como la gasolina, en las cuales sus procesos de medición en
tanques de almacenamientos son manuales, por ejemplo, a través de reglas
numeradas o niveles previamente definidos en la superficie del tanque. La
información recopilada en estos procesos puede llegar tener errores de lectura y
así mismo la generación de los informes finales para registrar los inventarios.
En las presentaciones sobre tecnología de telemetría y telecontrol a nivel mundial,
se ha observado por parte de los partícipes, que las soluciones de hardware y
software libre son una opción real para la implementación de nuevos proyectos y
servicios asociadas a la medición inteligente. Acotando, que, si bien es cierto que
existen productos licenciados y de marcas reconocidas similares en el mercado,
los diseños e implementación de tecnologías de medición y control con software
libre pueden solucionar más de un problema de distintas maneras en comparación
una solución propietaria (Inga Ortega, Arias Cazco, Orejuela Luna, & Inga Ortega,
2013).
La investigación hace énfasis en optimizar los procedimientos de carga y descarga
de gasolina en tanques de almacenamiento con el menor coste posible y el mayor
número de beneficios. Por tanto, es importante, diseñar un sistema inteligente de
monitoreo y control en tiempo real para tanques de almacenamiento de gasolina
2
utilizando tecnología de hardware y software libre para pequeñas y medianas
empresas, de manera que se pueda ahorrar en costes de hardware y software
generando valor agregado a la empresa a través de los controles de inventarios.
En los anexos y guía de instalación, se obtendrá una comparativa más detallada
de las particularidades más notables de la investigación y sobre los componentes
tecnológicos del diseño propuesto, el cual utiliza como controlador electrónico un
microcomputador Raspberry Pi, con procesadores ARM, los cuales brindan
potencia de computo a bajo gasto de energía, consiguiendo procesar información
de manera concurrente a través de sus múltiples núcleos.
Para el diseño se utilizará un sensor de ultrasonido que medirá el nivel de gasolina
en el tanque, y mediante algoritmos computacionales generar el volumen y costo
en tiempo real. Por otra parte, existen dos electroválvulas las cuales controlan la
carga y descarga de la gasolina. Para conseguir esta integración tecnológica se
realizó una investigación teórica, la cual podemos ver en el capítulo II y varias
comparativas entre diferentes configuraciones de medición y escenarios de
pruebas técnicas, para finalmente en base a las necesidades, crear un prototipo
electrónico con interfaces desarrolladas en Python y Shell scripts que se
conectaran a un servidor web, donde se encuentra desplegado el aplicativo web
desarrollado en Java y que contiene las funcionalidades de monitoreo y control en
tiempo real descritas en el capítulo I. Es importante mencionar que el uso de
hardware y software libre a permitido generar comunidades de investigación y
desarrollo para aportar con aplicaciones, sistemas operativos, librerías y utilerías.
3
CAPÍTULO I
El problema
Planteamiento del problema
Ubicación del problema en un contexto
La dinámica productiva ha provocado que las empresas que necesitan almacenar
gasolina para uso interno de la misma busquen optimizar los procesos operativos
de almacenamiento de gasolina a través de la carga y descarga dentro del tanque.
El camión cisterna conecta directamente la manguera para comenzar el proceso
de carga, por consiguiente, el tanque tiene una capacidad almacenamiento
predefinido que deberá ser llenado de acuerdo con las especificaciones técnicas.
Toda esta actividad suele ser manual y necesita de intervención humana, siendo
más propenso cometer un error, por esta razón, es más complicado obtener
informes reales en poco tiempo y determinar si existen pérdidas económicas.
Por otra parte, existe el proceso de descarga, donde se distribuye la gasolina,
durante este periodo se toman medidas de manera manual para calcular el tiempo
y costo por volumen despachado. Por ejemplo, se utiliza una cuerda con un peso
para medir el nivel de gasolina en el tanque, también, en algunos casos se utilizan
reglas que son introducidas por completo para obtener una lectura de profundidad,
más no de volumen total. En consecuencia, este introducirá más errores al
momento de obtener medidas reales, tal como, enviar órdenes para llenado
anticipado del tanque, realizar pedidos muy tardíos, fugas del combustible, etc.
Llegando a tener pérdidas económicas a largo plazo. En Ecuador, las empresas
que brindan el servicio de suministro de gasolina constituyen un motor de
desarrollo económico, tanto por su contribución en la generación de empleo, malla
productiva e ingresos económicos al país; sin embargo, existen muchos factores
que las afectan y requieren de herramientas automatizadas para administrar de
manera eficiente y eficaz los inventarios de almacenamiento (El Comercio, 2012).
El precio de los derivados del petróleo varía de acuerdo con las necesidades
globales, esto provoca que la gasolina muchas veces cueste más. El precio por
4
galón que se paga puede variar sin un control adecuado. Por lo tanto, esto es un
indicador que muestra una mala gestión del almacenamiento de gasolina que
repercute en pérdidas económicas que muchas veces son difíciles de detectar (El
Universo, 2018).
Las empresas tratan de implementar diferentes mecanismos para mitigar que
suceda la pérdida del combustible como verificar que el medidor se encuentre en
cero al momento de cargar, que esté correctamente conectada la manguera a su
respectiva bomba, que la compra de gasolina se de acuerdo con el volumen
consumido por la empresa, etc. Esta problemática, da inicio al presente proyecto
que consta de un controlador electrónico diseñado para medir el flujo de carga y
descarga de la gasolina. También permitirá medir el nivel en tiempo real utilizando
un sistema web informático fácil de usar, intuitivo y capaz de generar reportes
estadísticos con información relevante de los inventarios de almacenamiento. El
impacto de la tecnología ha tenido gran incidencia en los procesos
organizacionales, permitiendo que los sistemas digitales se integren para generar
nuevos desarrollos y modelos tecnológicos que generen valor agregado a la
empresa.
Situación conflicto. Nudos críticos (Donde se origina y cuáles son los
problemas)
Los mecanismos de control manual en algunas empresas con reservorios de
gasolina están expuestos a errores humanos al momento de medir este
combustible, ocasionando un mal inventario con informes de volúmenes
incorrectos, ya que periódicamente se debe realizar de manera manual los
registros a través de los datos obtenidos por una persona, siendo digitados en una
hoja de cálculo para poder determinar los tiempos y costos operativos de carga y
descarga en el tanque de almacenamiento. Otro problema derivado de una mala
gestión de abastecimiento en los tanques de la empresa es no disponer del stock
suficiente para la flota de vehículos de la empresa, siendo estos puntos sensibles
del negocio.
5
CUADRO N. 1 Causas y Consecuencias del problema
CAUSAS CONSECUENCIAS
Altos costos de implementación de
equipos tecnológicos dentro de la
empresa.
La falta de avances tecnológicos en
una empresa provoca que no estén al
nivel competitivo que demanda el
mercado global.
Falta de sistemas tecnológicos para el
control y medición de carga y
descarga del combustible.
No se puede obtener una medida real
del volumen adquirido por el
distribuidor del combustible, lo cual es
traducido en pérdidas.
Falta de reportes gerenciales
automatizados generados a través de
las medidas obtenidas en tiempo real
del tanque de almacenamiento.
Estos reportes no reflejan
correctamente las pérdidas que se
producen diariamente por fugas o
medidas no exactas.
Falta de alarmas en caso de fugas o
pérdidas de nivel de la gasolina
contenida en el tanque principal.
Una fuga de combustible no controlada
a tiempo puede desencadenar un
evento catastrófico como un accidente
laboral de alto riesgo.
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
6
Delimitación del problema
CUADRO N. 2 Delimitación del problema
Campo: Tecnología
Área: Microcontroladores y Robótica
Aspecto: Red de sensores y actuadores
electrónicos.
Tema: Diseño de un sistema inteligente de
monitoreo y control en tiempo real para
tanques de almacenamiento de
gasolina utilizando tecnología de
hardware y software libre para
pequeñas y medianas empresas.
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Formulación del problema
Muchas empresas que gestionan hidrocarburos como la gasolina, utilizan
procesos de medición manuales para medir el volumen almacenado por el que se
pagó. Entre los procesos de medición más comunes se tienen los siguientes:
reglas numeradas para medir niveles, cuerda atada a un peso, tanque con marcas
de nivel definidas, etc. Por otra parte, los administradores periódicamente deben
analizar los registros de inventario de los datos obtenidos en una hoja de cálculo,
para poder determinar los tiempos y costos operativos de abastecimiento.
¿Cuál es el impacto económico en las empresas surtidoras de gasolina cuando
existe pérdida o fuga de gasolina almacenada en un tanque que no lleva un control
adecuado?
7
¿Qué beneficios y ventajas ofrecería un diseño tecnológico capaz de medir y
controlar la carga y descarga de la gasolina en tiempo real en un tanque de
almacenamiento, mediante hardware y software libre?
Evaluación del problema
Delimitado: Percibe el diseño de un sistema tecnológico, el cual utilizará para
medir y controlar el flujo de carga y descarga de la gasolina mediante sensores y
actuadores electrónicos conectados al tanque de almacenamiento a través de una
interfaz web.
Factible: El diseño propuesto del prototipo tecnológico es viable puesto que los
componentes a utilizar son de bajo costo, flexibles para muchos escenarios
basados en necesidades reales y de consumo mínimo de energía. Se utilizará un
microcontrolador Raspberry Pi, el cual tendrá un módulo electrónico para
mediciones y otro para activar electroválvulas, además, un servicio web
desarrollado en java conectado a una base de datos en MySQL para almacenar
la información. El sistema podrá realizar análisis estadísticos, generación de
reportes, monitoreo en tiempo real y control remoto.
Concreto: La investigación tiene como enfoque estudiar las diferentes
configuraciones de sensores y crear un prototipo tecnológico que monitoree en
tiempo real, controle las válvulas de ingreso y salida de gasolina y finalmente
realice análisis estadístico de la información obtenida.
Evidente: Las empresas que gestionan tanques de almacenamiento de gasolina
tienen procesos operativos de medición y control manual, utilizando herramientas
básicas de medición como cuerdas o reglas nivelas para tomar una medida en el
tiempo. Por tal razón, es prioritario optimizar y automatizar estos procesos.
Original: La Biblioteca General de la Universidad de Guayaquil no tiene
almacenado en sus repositorios un proyecto de similares características y
funcionalidades para medir y controlar el nivel de gasolina en un tanque de
almacenamiento en tiempo real mediante un aplicativo web haciendo uso de
tecnología de hardware y software libre.
8
Identifica los productos esperados: Este prototipo tecnológico permite a las
empresas de almacenamiento de gasolina, automatizar sus procesos de carga y
descarga, utilizando hardware y software libre, frente a soluciones propietarias que
existen en el mercado, las cuales llegan a ser muy costosas. En contra parte, un
microcontrolador es más pequeño, utiliza menos energía eléctrica y su poder de
computo permite ejecutar cálculos complejos en poco tiempo.
OBJETIVOS
Objetivo general:
Diseñar un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real para tanques
de almacenamiento de gasolina, mediante una interfaz web haciendo uso de
tecnologías de código libre y técnicas de medición de flujo y nivel para mejorar los
procesos operativos de pequeñas y medianas empresas.
Objetivos específicos:
● Estudiar posibles configuraciones aplicadas a los sistemas de instrumentación en tanques de combustible como sensores y actuadores electrónicos.
● Proponer una solución tecnológica para controlar el flujo de carga y
descarga del combustible en tiempo real, así como medir el nivel actual en el tanque de almacenamiento.
● Proponer un sistema de control electrónico y monitoreo continuo a través
de un microcomputador Raspberry Pi con características de bajo costo, bajo consumo energético y de fácil uso.
● Diseñar un sistema informático capaz de generar reportes gerenciales de
manera automática a través de una interfaz web sencilla e intuitiva para el usuario.
9
Alcances del problema
La investigación presente propone un prototipo tecnológico para medir en tiempo
real el nivel y volumen de la gasolina dentro de un tanque de almacenamiento, así
como controlar de manera remota la carga y descarga del combustible mediante
electroválvulas. Se utilizará un microcontrolador Raspberry Pi, al cual se le
programaran varios módulos, los cuales son: módulo electrónico de medición y
control, módulo de sistema informático, módulo de base de datos y finalmente el
módulo de comunicación. El Raspberry Pi, es un microcomputador que ofrece
potencia de cómputo, bajo consumo energético y además posee un reducido
tamaño. Se utilizará el lenguaje de programación java, el cual servirá para
desarrollar el sistema informático y los servicios web. Además, este se ejecutará
sobre un servidor de aplicaciones llamado WildFly, el cual consume pocos
recursos. La base de datos se desarrollará en MySQL y las interfaces electrónicas
en el lenguaje de programación Python.
El sistema tendrá la capacidad de medir con exactitud el nivel de combustible
dentro del tanque de almacenamiento. Por otra parte, permitirá gestionar los
pedidos de combustibles de manera óptima a los distribuidores. Otro aspecto
importante, es la generación de reportes gerenciales basado en la información
adquirida permitiendo a los administradores tomar decisiones en el menor tiempo
posible para evitar pérdidas económicas.
Justificación e importancia
Las empresas que gestionan el abastecimiento de gasolina tienen problemas en
sus procesos operativos de medición y control, puesto que son manuales y
generan costos innecesarios. Se presentará un prototipo tecnológico que permitirá
obtener medidas precisas en tiempo real del nivel y volumen de la gasolina
almacenada en un tanque mediante sensores. También permitirá controlar la
carga y descarga del combustible y generar reportes para la toma de decisión de
la empresa. Esto ayudará a los procesos operativos, de manera que sean óptimos
y fiables previniendo pérdidas del hidrocarburo, lo que reducir tiempos y costos.
Una de las problemáticas más comunes, es medir el nivel físico del tanque, este
10
generalmente es un proceso manual, en el cual se utiliza una regla que se
introduce en el tanque para medir la altura hasta dónde llega el combustible y
partiendo de ese dato calcular el volumen almacenado.
Es importante tener un control del combustible suministrado por parte del
distribuidor, puesto que la carga puede ser ligeramente menor a lo que indica la
orden facturada. Por ejemplo, de una entrega de 10,000 litros, solo se recibe 9990
litros generando un margen de error en el momento de cargar el combustible al
tanque. La cantidad, calidad y precio, son parámetros de control que son
regulados por parte de la Agencia de Regulación y Control Hidrocarburifero
(ARCH) en las estaciones de servicio que comercializan combustibles (Agencia
de Regulación y Control Hidrocarburífero, 2011).
Una manera para determinar el nivel del tanque y poder calcular el volumen del
combustible en caso de no disponer de sensores, es determinar el volumen inicial
y final. Con esta operación se puede determinar los litros consumidos y el
inventario disponible. Las empresas surtidoras de combustible tienen la necesidad
de gestionar correctamente el volumen despachado a los clientes, así como
controlar que el distribuidor cargue exactamente el volumen solicitado en el
tanque.
Las ventajas de tener un sistema de control y monitoreo en tiempo real son
muchas, pero la principal es la de evitar pérdidas económicas difíciles de detectar
sin un buen análisis de costos. También facilitar un registro oportuno y continuo
del inventario de carga y descarga, lo permite optimizar los tiempos de pedidos al
distribuidor de combustible.
11
CAPÍTULO II
El problema
Marco teórico
Antecedentes del estudio
Las empresas que gestionan el abastecimiento de combustible tienen procesos
de carga y descarga manuales, los cuales muchas veces no son óptimos e
impactan en los costos de operación y por ende en la utilidad de la empresa. El
costo del combustible es un factor importante en las finanzas de una empresa, por
esta razón, es necesario buscar mecanismos para controlar, optimizar y ahorrar
este recurso (El Economista, 2017).
Independientemente de si la empresa opera con pocos camiones o tienen que
mantener una gran flota de buses a nivel nacional, la finalidad de la empresa es
seguir siendo rentable. Ciertamente, el gasto de combustible puede llegar hasta
el 50% del total de los gastos de una empresa que administra una flota de
transporte. Es por esto, que es importante no sólo encontrar un modo de reducir
el consumo, sino también de evitar los casos de fuga del combustible, conociendo
el origen de la desviación y la posible solución (El Comercio, 2018). Por ejemplo,
si se produce un derrame o fuga de una cantidad de combustible del tanque de
almacenamiento, bastará con suspender el flujo de combustible apagando la
bomba principal y utilizando arena para contener y retirar el combustible
derramado en el suelo. Después, una vez identificado el problema, se puede
reanudar las operaciones de abastecimiento, identificando cuál tanque de
combustible está comprometido para pasarlo a revisión y reparación técnica.
El combustible es un insumo fundamental para las empresas. Una óptima gestión
del abastecimiento de combustible permite controlar los costos operativos y por
consecuente lograr ahorros significativos. Existen muchas maneras de medir y
controlar el nivel del combustible en un tanque de almacenamiento, por ejemplo,
la manera tradicional es a través de una persona, la cual está encargada de
12
introducir una varilla numerada en el tanque para tomar las medidas de nivel de
combustible almacenado cada cierto tiempo y posteriormente generar un reporte
manual utilizando una hoja de cálculo como Microsoft Excel y así estimar el
volumen. Esta es una de las técnicas más utilizada, sin embargo, es imprecisa
puesto que existen muchos factores que no permiten tener el inventario real del
combustible. Otras alternativas que existen en el mercado para optimizar el
consumo de combustible, es el uso de sistemas tecnológicos, cuyas funciones
facilitan la gestión operativa en las empresas como, por ejemplo, un contador de
litros mecánico o un medidor electrónico de nivel de combustible o volumen del
tanque.
La información obtenida a partir del nivel de combustible y el consumo en tiempo
real, permiten a las empresas prevenir y detectar fugas de combustible. También,
las lecturas tomadas a lo largo del tiempo permiten generar reportes gerenciales
especializados para detectar fugas de combustible o que el distribuidor no haya
cumplido con el llenado del tanque de almacenamiento por el volumen pagado.
Por otro lado, los conductores son más conscientes del consumo de combustible
cuando están siendo monitorizados, es menos probable que se desperdicie el
combustible con actividades ajenas al negocio. Por ejemplo, la información a
detalle sobre el nivel y el consumo de combustible permiten a los administradores
comparar los galones utilizados por cada unidad de transporte, su consumo de
combustible y la distancia recorrida. En el mercado existen productos tecnológicos
que controlan y miden el consumo de combustible otorgando un mayor control del
inventario de combustible, sin embargo, estos productos requieren de un alto
costo de inversión y pueden llegar a requerir servicio técnico especializado. Otro
punto de vista importante, son los avances tecnológicos, que convierten la gestión
de las empresas en procesos automáticos siendo estos, más eficientes y por
consecuente, permiten reducir los costos operativos de almacenamiento de
combustible. Así, muchas empresas pequeñas han podido competir con empresas
de mayor tamaño ofreciendo un servicio diferenciado.
13
Fundamentación teórica
El control y gestión de los tanques de almacenamiento es un proceso operativo
muy importante en las empresas surtidoras de combustible, sin embargo, no todas
empresas tienen automatizado sus procesos, es decir, no han podido invertir en
soluciones tecnológicas que puedan ayudar a: reducir errores de cálculo a la hora
de obtener el volumen del tanque en tiempo real, detectar oportunamente fugas
de combustible, generar informes y reportes gerenciales, etc. y en consecuencia,
dar como resultado un ahorro monetario significativo.
Actualmente, existen empresas surtidoras de combustible que utilizan dos tipos
de tecnologías comúnmente comercializadas para medir los niveles de los
tanques de almacenamiento, estos son: la regla o varilla y la medición automática
(mecánica o electrónica).
El proceso de medición, se ha venido utilizando durante años de manera manual,
siendo un mecanismo poco fiable debido a que puede introducir errores en la
lectura y los cálculos correspondientes, aun así siendo una forma poco eficiente,
la regla o varilla numerada se utiliza con mucha frecuencia, no obstante esto
provoca gastos que no son fáciles detectar a simple vista, estos mecanismos se
encuentran en el mercado a un costo menor comparado con un producto
tecnológico, pero con una precisión deficiente (Departamento de Protección
Ambiental y Planificación Urbana del Condado de Broward, 2016).
Los sistemas digitales realizan la medición de los tanques de almacenamiento de
combustible a través de sensores capaces de obtener el nivel del tanque y calcular
el volumen presente. Por lo tanto, la inversión inicial del prototipo propuesto tiende
a recuperarse a mediano plazo (SAL Y ROSAS & RENZO, 2015).
Otros aspectos importantes que deben considerarse además de la precisión del
controlador electrónico son los múltiples beneficios que da a la empresa como
14
parte de una solución integral al proceso operativo y funcional de abastecimiento
de gasolina, los cuales son los siguientes:
● Control y monitoreo del volumen del tanque de almacenamiento en tiempo
real
● Detección oportuna de fugas
● Generación de reportes e Informes automáticos de carga y descarga
● Optimización del consumo de combustible por unidad de transporte
● Control del inventario de combustible y pedidos al distribuidor
La investigación propuesta medirá el nivel de volumen de combustible presente
en el tanque de almacenamiento, en tiempo real, lo cual permitirá ser un pilar
importante para brindar soporte a las operaciones de logística y administrativa de
la empresa surtidora. Otro beneficio de la investigación permitirá, planificar
correctamente los pedidos a los proveedores de combustible, evitando tener
pérdidas económicas por falta de este insumo. Por esta razón, el presente diseño
de investigación pretende generar un valor agregado a las empresas surtidoras
de combustible, utilizando tecnologías de hardware y software libre mediante un
microcomputador para satisfacer las necesidades y los avances tecnológicos
futuros de la empresa, como parte de las soluciones de telemetría y telecontrol
industrial.
Redes de Datos
Las redes de datos son tecnologías de comunicación que permiten integrar varias
infraestructuras, para transmitir datos de manera desde un punto de origen hasta
un punto de llegada, utilizando protocolos de conmutación o enrutamiento (Walton,
2017).
15
Gráfico 1 Red de datos
Elaboración: Melvyn Peralta.
Fuente: (Peralta, 2015)
Las redes son tecnologías con capacidad de integrar diferentes soluciones
empresariales como: datos, VoIP, videollamadas, correo, etc. en la misma
infraestructura tecnológica. Las redes pueden ser físicas o lógicas y pueden estar
diseñadas sobre otras tipologías de arquitecturas de redes e integrando diferentes
componentes tecnológicos, servicios y protocolos para brindar soluciones con las
siguientes particularidades:
● Escalabilidad: Permiten a una red crecer para aceptar nuevos dispositivos
de comunicación sin afectar el rendimiento de los servicios desplegados en
la empresa. Esta característica depende del diseño jerárquico o modelo de
capas, esto es aplicable tanto para infraestructuras físicas como lógicas.
Cada capa está especialmente diseñada de manera se puedan integrar
nuevos servicios o equipos de telecomunicaciones, sin causar interrupción
en toda la red.
16
Gráfico 2 Red escalable
Elaboración: Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, M. en C. Arturo
Curiel Anaya.
Fuente: (Redes de computadoras - Apuntes digitales, s.f.)
● Tolerancia a fallas: faculta a una red a tener enlaces y dispositivos críticos
estén disponibles en todo momento, por lo cual, la arquitectura de red debe
estar correctamente diseñada y creada para soportar fallas. Una red
tolerante a fallas disminuye el riesgo que produce un punto único de falla
causado por software o hardware. Posee características que permiten
recuperarse inmediatamente después de producirse un evento o
interrupción. Dependen de enlaces o rutas redundantes entre el origen y el
destino, puesto que, si un enlace falla, los procesos de redundancia
permitirán que los mensajes pueden tomar una ruta alter nativa de manera
automática, totalmente transparente para los dispositivos en cada extremo.
Un punto importante es que, a mayor grado de tolerancia a falla, se
incrementan la complejidad de administración y costos.
17
Gráfico 3 Tolerancia a fallas
Elaboración: Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, M. en C. Arturo
Curiel Anaya.
Fuente: (Redes de computadoras - Apuntes digitales, s.f.)
● Calidad de servicio (QoS): Permite a una red cumplir con los
requerimientos de calidad en una arquitectura de red diseñada para admitir
diferentes tráficos de red. Cada tipo de servicio tienen diferentes
asignaciones para su transporte de paquetes, es decir, la red debe ser
capaces de identificar y asegurar los distintos tráficos a enrutar.
Gráfico 4 Calidad de servicio
Elaboración: Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, M. en C. Arturo
Curiel Anaya.
Fuente: (Redes de computadoras - Apuntes digitales, s.f.)
18
● Seguridad: Las redes deben cumplir con las expectativas de privacidad y
seguridad que demandan el mercado, debido a que todos los días se
encuentran nuevas vulnerabilidades, las cuales pueden exponer
información empresarial sensible y confidencial, o producir la paralización
de los sistemas informáticos. Por tal motivo, se dedica un gran esfuerzo en
mitigar los potenciales riesgos e innovar nuevos esquemas de seguridad
integral.
Gráfico 5 Expectativas de privacidad y seguridad
Elaboración: Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, M. en C. Arturo
Curiel Anaya.
Fuente: (Redes de computadoras - Apuntes digitales, s.f.)
Las redes informáticas se clasifican en base a diversos factores como: el alcance,
tecnología y topología. Entre las más conocidas tenemos las redes LAN y WAN
(La Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, 2017).
LAN (Red de Área Local, Local Area Networks): Se utilizan para conectar
equipos en áreas relativamente pequeñas. El alcance de estas redes es de 100
metros. Además, de poseer una velocidad de transmisión de datos muy alta. El
protocolo de comunicación utilizado comúnmente es Ethernet.
WAN (Red de Área Amplia, Wide Area Networks): Este tipo de red permite
establecer comunicaciones entre grandes áreas separadas a cientos de
19
kilómetros incluso, continentes. El ejemplo más notable es Internet, la cual
conforman grandes grupos de redes interconectadas entre si a grandes distancias,
las redes WAN cuentan con una infraestructura tecnológica de alta disponibilidad,
velocidad y capacidad de transmisión.
Sistemas Digitales
Los sistemas distribuidos son tecnología que permiten orquestar de forma
coordinada todo tipo de recursos de hardware o software como, por ejemplo:
cómputo, almacenamiento, aplicaciones específicas, etc. siendo la principal
característica la descentralización. Ofrece una solución escalable y de alto
desempeño gracias a la orquestación y optimización de recursos.
Los sistemas distribuidos han sido parte importante de la evolución de las
telecomunicaciones y nuevos modelos de arquitectura de software. Además, son
sistemas con tolerancia a fallos, es decir, al ser una única red, pero compuesta
por múltiples equipos de cómputo, si alguno falla los otros podrán seguir
realizando su función sin afectar los servicios (Cann, 2016).
Antes de darse el auge de los procesadores y microprocesadores, inicialmente la
mayoría de las funciones digitales u operaciones matemáticas se encontraban
implementadas sobre circuitos integrados. Un circuito integrado es un componente
electrónico que está construido totalmente en un único y compacto paquete de
silicio. Dentro del circuito integrado pueden caber cientos o miles de transistores,
diodos, resistencias y condensadores, con el objetivo de realizar una función
específica de mayor complejidad. Por esta razón, su popularidad y
comercialización los hicieron muy rentables y exitosos en la industria electrónica.
La principal ventaja de los circuitos integrados, frente a una implementación
basada en transistores discretos, es que reducen y facilitan el diseño de
implementación, el tiempo de desarrollo y, por consecuente, el costo final.
Por otro lado, los procesadores y microprocesadores surgieron como producto de
la evolución tecnológica de dos ramas específicas: la computación y los
20
semiconductores. Un microprocesador puede operar con uno o más núcleos de
procesamiento, el cual está constituido por una unidad de registro, una unidad de
control, una unidad aritmética-lógica y una unidad de cálculo de coma flotante
también llamada coprocesador matemático (BBC News, 2011).
Los sistemas digitales basados en microprocesadores poseen un conjunto de
instrucciones programables, hardware y software perfeccionados para
aplicaciones informáticas que demanden operaciones matemáticas complejas a
muy alta velocidad. Por ejemplo, para el procesamiento y captura de señales
analógicas en tiempo real, se utiliza un componente llamado ADC (convertidor
analógico/digital) que recibe las muestras tomadas, las amplifica, las adecua y las
convierte en señales digitales. Adicional, los microprocesadores actuales cuentan
con varios núcleos de procesamiento, lo que permiten ejecutar varios procesos en
paralelo con una alta velocidad y bajo consumo de energía, ver Gráfico 6. Los
microprocesadores son un avance tecnológico con gran potencial para
aplicaciones industriales y científicas a bajo costo, consumo energético, reducido
tamaño y alta velocidad de procesamiento. (Usaregui & María, 1983)
Entre las principales ventajas que ofrecen los sistemas digitales tenemos los
siguientes:
● Alto grado de unificación, llegando a tener diseños con miles de millones
de componentes en un solo chip de tamaño reducido.
● Reducción de costos, debido a la gran demanda global por parte de la
industria electrónica y la economía de escala, la producción y fabricación
de chips en países como china, reduce los costos considerablemente, así
como el costo del producto final.
● Los sistemas digitales son más fiables debido a que introducen algoritmos
y unidades para detección y corrección de errores de bits.
● La velocidad de procesamiento es mayor, y así por ende la de trasmisión
de información a través de canales de telecomunicación.
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● Gran reducción de tamaño de manera que se pueden implementar
avanzados sistemas digitales de menor tamaño que el de una moneda de
centavo de dólar.
● Reducción del tiempo para localizar averías y reemplazo de componentes
defectuosos.
Gráfico 6 Microprocesador básico de 4 bits
Elaboración: Jesús Alfonso Carvajal Valderrama.
Fuente: (Valderrama, 2014)
“La ley de Moore expresa que aproximadamente cada dos años se duplicará el
número de transistores en un circuito integrado.” (E. Moore, 1965)
Sistemas Embebidos
Es un sistema electrónico especialmente diseñado para realizar funciones
específicas en tiempo real. Por el contrario, las computadoras tienen un propósito
general, pueden realizar diversas tareas en paralelo. Los sistemas embebidos
integran productos especializados, que controlan una o varias funciones, con
22
recursos limitados y en situaciones ambientales extremas. Por ejemplo, los
sistemas de ascensores, sistemas de rieles de trenes y sistemas de encendido,
control de autos, etc. contienen una gran cantidad de componentes embebidos
que controlan: movimiento, conectividad, diagnóstico, energía, ambiente y
seguridad, entre otras funciones (Publicaciones DYNA, 2010).
El principal componente de un sistema embebido es el microprocesador que
contribuye con potencia de cómputo al sistema, también tiene una memoria
interna o externa de gran velocidad, adaptable según los requisitos de la solución.
Los sistemas embebidos tienen diferentes interfaces de comunicación ya se por
medio de cable o inalámbricos, los cuales pueden ser: USB, Ethernet, WiFi, GSM,
GPRS entre otros, ver Gráfico 7. Adicional, se pueden incorporar como medio de
visualización, leds, pantallas LCD o pantallas táctiles. Generalmente se utilizan
baterías como fuente de alimentación en para procesos de recuperación de
suministro eléctrico. Una de las características más importantes de un sistema
embebido son el bajo costo y consumo de energía. Debido a que muchos sistemas
embebidos son desarrollados para ser producidos en masa, el costo por unidad
debe ser un aspecto importante al momento de realizar el diseño (Cortes Aguilar,
2017).
El microcontrolador o microprocesador del sistema embebido se puede programar
en lenguaje ensamblador, o también, utilizando programas para compilar un
lenguaje específico como el C o C++. Cuando el tiempo de respuesta de la
aplicación no es un componente crítico, existen lenguajes orientados a objetos
como Java con el que se pueden realizar aplicaciones empresariales complejas.
Finalmente, el sistema embebido es un componente más incorporado dentro de
un sistema más complejo. Entre las principales aplicaciones que brindan los
sistemas embebidos tenemos:
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● Sistemas de telecomunicaciones
● Automatización de procesos industriales
● Instrumentación y control automático
● Sistemas de domótica y videovigilancia
● Sistemas de control para electrodomésticos
● Sistemas de control para navegación y geoposicionamiento
● Aplicaciones para juguetes y ocio
● Sistemas periféricos para computadores
Gráfico 7 Componentes lógicos de un sistema embebido
Elaboración: Instituto Nacional de Ciberseguridad.
Fuente: (INCIBE, 2018)
24
Microcomputadores
Un microcomputador es un dispositivo electrónico con altas capacidades de
cómputo, memoria y almacenamiento de datos, cuya principal característica es su
reducido tamaño y costo. Los microcomputadores también son conocidos como
SBC (Single BoardComputer) o computador de placa única, el cual tiene integrado
en sí todos los componentes, tales como: un microprocesador, memoria RAM, un
procesador de video, puertos USB, puertos Ethernet, puertos HDMI y otros
periféricos de entrada y salida. Los microcomputadores son pequeños dispositivos
sencillos de programar y flexibles para desarrollar aplicaciones industriales,
debido a que cuentan por lo general con una distribución sencilla de Linux
(Rodríguez, 2018), ver Gráfico 8.
Gráfico 8 Microcomputador
Elaboración: Cristian Alejandro Muñoz.
Fuente: (Acerca de la Raspberry Pi, 2018)
Tal como se mencionó anteriormente, una de las características más importante
de las placas SBC es su bajo costo. Por lo general las placas SBC son muy
económicas, usualmente no suelen sobrepasar los 100 dólares y cuentan con
todas las características de un ordenador tradicional. Los microcomputadores
ofrecen potencia de procesamiento más que suficiente para proyectos
tecnológicos tales como: telemetría, telecontrol, telecomunicaciones, redes de
25
datos, sistemas distribuidos, servidores, centros multimedia, domótica, sistemas
de auditoría, penetración de sistemas, etc.
Los microcomputadores más populares son:
● Raspberry Pi
● BeagleBone Black
● Pandaboard
● PcDuino
Raspberry Pi
Raspberry Pi es un proyecto que nació en Reino Unido con la finalidad de
estimular la enseñanza de ciencias de la computación en los colegios. Es una
placa única, de reducido tamaño y sencilla de programar, además, es de bajo
costo y consumo energético, en parte porque utiliza software libre, siendo su
sistema operativo oficial una versión adaptada de Debian denomina Raspbian. En
versiones actuales, también permite utilizar una versión gratuita de Windows 10.
Por otra parte, la Raspberry Pi fue diseñada originalmente para enseñar a
programar en institutos educativos, su sistema operativo está basado en una
distribución de Linux denominada Raspbian, la cual cuenta con una interfaz gráfica
muy amigable, también se puede utilizar la consola a través de SSH para ejecutar
comandos. El usuario puede interactuar con el microcomputador a través de un
teclado y mouse. Adicional, cuenta con salidas digitales para comunicarse con el
mundo exterior a través de dos puertos de 40 pines cada uno conocidos como
GPIO (General Purpose Input/Output, Entrada/Salida de Propósito General), ver
Gráfico 9 (Binti Hasim, 2017).
26
El microcomputador Raspberry Pi cuenta con estas principales
características:
● CPU, GPU y RAM: La Raspberry Pi cuenta con un procesador central
(CPU) de 64 bits con arquitectura ARM que trabaja a 1.4 GHz, un tipo de
procesador similar al que tienen los teléfonos inteligentes, la unidad de
procesamiento de gráficos (GPU) puede correr vídeos en full HD y
memoria SDRAM de 1GB.
● HDMI y DSI: Tenemos dos opciones de salida de vídeo, por HDMI o por
DSI (conector de pantalla táctil).
● Red: Gigabit Ethernet y Power-over-Ethernet (PoE).
● Puertos USB: 4 puertos USB 2.0.
● Leds indicadores: Indicadores luminosos de encendido, conectividad y
procesamiento.
● Salida de audio: Conector 3.5mm, (también por HDMI).
● Puerto GPIO: Dos puertos de entradas y salidas de propósito general, con
la capacidad de poder conectar actuadores y sensores.
● Puerto Micro SD: La tarjeta Micro SD, es básicamente el disco duro de la
Raspberry Pi, en ella estará el sistema operativo, demás archivos y
carpetas que queramos almacenar.
● Módulo WiFi y Bluetooth: Cuenta con un módulo de 2.4GHz y 5GHz con
especificaciones IEEE 802.11.b/g/n/ac y, adicional un módulo Bluetooth.
● Módulo CSI: Cuenta con un módulo que permite conectar una cámara
digital compatible con Raspberry Pi.
● Alimentación: La Raspberry Pi funciona correctamente con una fuente de
alimentación de 5v a 2.5A que es suministrada a través de la interfaz micro
USB.
27
Gráfico 9 Raspberry Pi 3
Elaboración: Raspberry Pi Foundation.
Fuente: (Raspberry PI 3 modelo B, 2018)
Uno de los campos de investigación actuales es precisamente la computación
paralela, la cual puede ser implementada sobre estos microcomputadores, esta
disciplina altamente especializada tiene aplicaciones, uno de ellos es
especialmente la minería bitcoin. También es posible aprovechar estos equipos
conectados entre sí como clústeres para diseñar servidores con alta escalabilidad
y tolerancia a fallos. Otra alternativa es la investigación en inteligencia artificial y
big data, planteando soluciones especializadas con plataformas abiertas como
TensorFlow (WhatsNews, 2018).
Control e Instrumentación Industrial
El mundo ha experimentado tres cambios tecnológicos considerables a nivel
industrial. La primera, muestra el uso de las máquinas de vapor en los procesos
productivos, la segunda, cuyo base fundamental fue la electricidad y el manejo de
motores, la tercera, relacionada con el uso de circuito integrado para la fabricación
de ordenadores y la sistematización mediante la electrónica digital. Finalmente, la
cuarta revolución industrial, también llamada 4.0 incorpora avances tecnológicos
como conectividad a través de dispositivos inteligentes, big data, inteligencia
28
artificial, etc. mejorando los procesos industriales, con la premisa de que datos
relacionados directa e indirectamente, también son importantes.
Consecuentemente, permite que la producción se ajuste en función de las
necesidades de un mercado que cambia rápidamente.
La instrumentación puede integrar complejos sistemas para medir, controlar y
monitorear los elementos de un entrono industrial con exactitud y en tiempo real,
también se pude utilizar técnicas de inteligencia artificial para procesos de
aprendizaje automático, como, por ejemplo, reconocimiento de patrones,
detección automática de fallas en la línea de producción, etc. La eficiencia de los
procesos garantiza a la empresa resultados productivos y económicos (Digital
Research S.L, 2016).
Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía neumática, hidráulica
o eléctrica con la finalidad de generar un efecto de activación o desactivación de
un proceso automatizado. Este recibe una señal eléctrica desde un controlador y
en función a ella genera la orden para activar o desactivar un elemento de control
como, por ejemplo, una válvula (González V. R., 2002).
Existen varios tipos de actuadores como son:
● Neumáticos
● Eléctricos
● Electrónicos
● Hidráulicos
29
Actuadores electrónicos: Los actuadores electrónicos son muy utilizados en
sistemas robóticos, como, por ejemplo, los servomotores, ver Gráfico 10.
Gráfico 10 Servomotor
Elaboración: Antony García González.
Fuente: (González A. G., 2016)
Actuadores eléctricos: Un actuador eléctrico requiere energía eléctrica como
fuente de poder para poder accionar un pistón, como, por ejemplo, una
electroválvula, ver Gráfico 11.
Gráfico 11 Innovatronik MS
Elaboración: Andrés Fiallos.
Fuente: (Fiallos, 2018)
Los sensores son dispositivos que transforman magnitudes físicas o químicas en
magnitudes eléctricas, ver Gráfico 12. Un sensor necesita estar bien calibrado
30
para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento por
el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal convertida.
Los sensores se clasifican básicamente en dos tipos, dependiendo de la forma en
la que la señal es convertida. Los dos tipos son:
● sensores analógicos
● sensores digitales
Un sensor analógico proporciona una señal analógica continua, por ejemplo,
voltaje o corriente eléctrica.
Un sensor digital produce una señal de salida digital, conformada por un conjunto
de bits en serie o paralelo. La señal digital representa el valor de la variable medida
(Aceves, Vargas, Ramos, & Fernandez, 2017).
Los sensores deben constar con las siguientes características:
● Exactitud
● Velocidad de respuesta
● Calibración
● Precisión
● Rango de funcionamiento
● Fiabilidad
31
Gráfico 12 Tipos de sensores
Elaboración: Paola Guimerans.
Fuente: (Guimerans, 2018)
Sensor magnético: Este sensor detecta los campos magnéticos a través de un
par de láminas metálicas ferromagnéticas que se atraen en presencia de un
campo magnético, cerrando el circuito.
Sensor eléctrico: Sensor cuyo funcionamiento está basado en el efecto Hall para
la detección campos magnéticos o corrientes, generando una señal que varía de
acuerdo con la intensidad.
Telemetría y Telecontrol
La telemetría surge a principios del siglo 20 y es utilizada para realizar mediciones
remotas como, medición del sistema de distribución energética, medición de
sistemas de satélites, aeronáutica, globos aerostáticos para medir el clima. La
telemetría aeroespacial se inauguró en 1957 con el satélite soviético Sputnik
posteriormente, las antenas satelitales permitieron a la comunidad científica crear
complejos sistemas de telecomunicaciones alrededor del mundo. En la actualidad
la evolución de los sistemas de telemetría ayuda a realizar investigaciones donde
el hombre difícilmente puede realizar mediciones, como obtener datos de otros
planetas o del fondo marino. Otro campo de investigación es la medicina, donde
32
se pude tener lecturas de parámetros corporales que ayudan a prevenir o detectar
enfermedades o la cirugía realizada remotamente a través de robots (CENGAGE,
2016).
La telemetría es una tecnología que permite medir y monitorear magnitudes físicas
de manera remota. A través de las lecturas continuas, se pueden generar análisis
estadísticos o de comportamiento según la información obtenida. Por lo general,
se utiliza un sistema electrónico que obtiene la información a través de sensores,
la adecua y la amplifica para finalmente ser procesada y enviada a un sistema de
almacenamiento. El funcionamiento de la telemetría se basa en la conversión de
señales captadas por un sensor a señales eléctricas que son transmitidas para su
registro y posterior medición. La telemetría tiene muchas aplicaciones, uno de los
ámbitos más importantes es la industria, por ejemplo, podemos encontrar grandes
panales de control en hidroeléctricas que sirven para supervisar el buen
funcionamiento de los sistemas eléctricos, mecánicos, hidráulicos, etc. Otra forma
de sacarle provecho a la telemetría es la interpretación de la información del
cliente mediante que es registrada por dispositivos inteligentes, la cual mediante
herramientas de análisis de big data permite crear estrategias de ventas o
campañas de marketing, ver Gráfico 13.
La telemetría permite optimizar los procesos agrícolas. La información es captada
por sensores que miden parámetros como: temperatura, pH, presión atmosférica,
humedad, intensidad solar, etc. La información es procesada por un sistema
informático que genera información gerencial o ejecuta procesos automáticos,
como encender una válvula de riego (Righi, 2018).
33
Gráfico 13 Sistema de Telemetría mediante GPRS.
Elaboración: Moisés Meléndez Reyes.
Fuente: (Reyes, 2017)
Los dispositivos eléctricos comenzaron una revolución industrial permitiendo
automatizar muchos procesos de manera eficaz, eficiente y a un menor coste. El
telecontrol nace con la necesidad de obtener el control de dispositivos y equipos
a distancia mediante un controlador con sensores y actuadores. Estos sistemas
tecnológicos permitieron mejorar los procesos industriales sin necesidad de
intervención humana, ver Gráfico 14.
Gráfico 14 Control Nivel Agua Tinaco Cisterna.
34
Elaboración: Moisés Meléndez Reyes.
Fuente: (Nextiafenix, 2018)
Las ciudades inteligentes ocupan un 2% del área urbana y, de acuerdo con
estimaciones de la Organización Mundial de las Naciones Unidas el 70% del
urbana se convertirán en ciudades inteligentes en el 2050. Santiago de Chile,
Ciudad de México, Bogotá, Buenos Aires y Río de Janeiro Madrid son algunas de
las ciudades que incorporan proyectos ecológicos y de infraestructura tecnológica
para mejorar la economía, el desarrollo cultural, social y urbano. Una ciudad
inteligente tiene como objetivo crear un ecosistema tecnológico que permita que
sus habitantes ahorren energía, se reduzca las emisiones de carbono y mejore la
actividad física de las personas como parte de la vida diaria. Un ejemplo de ciudad
inteligente debe integrar tecnología tales como: medidores con sistema de
telemetría, iluminación pública eficiente, fuentes de energía renovable, sistemas
de almacenamiento de energía y dispositivos que mejoren el consumo energético,
ver Gráfico 15 (ARENAS, 2016).
Gráfico 15 Telemetría y Telecontrol.
Elaboración: Genera Soluciones Tecnológicas, S.L.
Fuente: (Genera Soluciones Tecnológicas, S.L, 2018)
35
Fundamentación legal
Las disposiciones legales en Ecuador, que tienen relación con el proyecto y que
deben considerarse son las que a continuación se detallan:
CAPÍTULO I
LOT LEY ORGÁNICA DE TELECOMUNICACIONES
REDES Y PRESTACIÓN DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES
Según el art. 9 de la LOT, El concepto de redes de Telecomunicaciones
compatibles con el sistema radica en recursos instrumentos que admiten
transferencia, emisión y recepción de voz, videos, datos o algún ejemplar de señal,
haciendo el uso de dispositivos físicos o inalámbricos, independientes del tipo de
información que pase por el medio. Correa & Barrezueta, (2015:6)
La tarea de poner en marcha o instar la red involucra el establecimiento e
integración de los diferentes componentes activos, pasivos y todas las acciones
incluidas de forma que esta comience a operar. Correa & Barrezueta, (2015:6)
Art. 10 Redes públicas de telecomunicaciones.
Las redes incluidas dentro de una asistencia de servicios públicos de
telecomunicaciones; es decir, otorgar servicios a terceros estará incluida en el
ámbito de una red pública y permitirá su acceso a los que brinden el servicio de
telecomunicaciones que la soliciten, según cumplan lo que se encuentra
establecido en la ley, sus estatutos generales de ejecución y normas que sean
emitidas por la ARCOTEL.
Estas redes de telecomunicaciones de carácter público deben estar diseñadas de
forma abierta, sin contener ningún protocolo ni especificación propietaria, esto
permitirá el vínculo para acceder y conectarse a los servicios, de manera que se
complete la planificación técnica fundamental.
36
Existen varios servicios que pueden ser soportados por las redes públicas, con la
condición de que cuenten con el título habilitante respectivo. Correa & Barrezueta,
(2015:6)
Art. 13 Redes privadas de telecomunicaciones.
Se conoce como redes privadas a las que se usan por personas naturales o
jurídicas con el beneficio exclusivo de estas, con el objetivo de interconectar sus
propiedades, sucursales o centros de datos de su dominio.
Para que sean oficializadas deberá ser conocido por la ARCOTEL para los
distintos casos y en el caso de necesitar el uso de espectro radioeléctrico, se
demandará el uso del título habilitante pertinente.
En las redes privadas se incluye la única satisfacción de la necesidad de la
persona natural o jurídica titular, no se incluye prestar servicios de los que
intervienen a terceros. La interconexión estará sujeta a los estatutos emitidos por
la ARCOTEL quien regulará la validez y normativas vigentes para el uso de las
redes privadas dentro de las telecomunicaciones. Correa & Barrezueta, (2015:7)
Marco Legal del Software Libre en Ecuador
Incluye la recopilación los estatutos legales que corresponden a la ejecución de
las aplicaciones Open Source en la república ecuatoriana. De modo que sea
utilizado de la mejor forma y a su vez los investigadores puedan aportar con
mejoras, pudiendo ser comunicadas a la comunidad de software libre.
Según el decreto 1014 menciona sobre la política pública el uso de las
aplicaciones Open Source las cuales incluyen su sistema y equipos informáticos
propios de instituciones del estado central, teniendo en cuenta lo mencionado por
Richard Stallman en las cuatro libertades. (Silva, 2015)
Excepciones y previsiones
37
● Antes de realizar alguna instalación, en primera instancia los sujetos
necesitan confirmar que exista el personal idóneo en el área técnica y así
pueda abastecer las necesidades de soporte sobre aplicaciones Open
Source. Pero en contraparte en el Ecuador no existe la capacidad técnica
necesaria en las organizaciones, tampoco en las empresas privadas. De
esta manera se evidencia que la mayor parte de productos para desarrollo
impide su implementación.
● Si las aplicaciones propietarias facultan su uso, en el momento que no
haya un producto de Software libre que pueda reemplazarlo, en el caso de
que se evalué el costo beneficio y después de esto se detecte que no sea
conveniente migrar a aplicaciones Open Source o continuar con el
desarrollo de Software Libre, si es demostrada que las aplicaciones
propietarias funcionen de manera correcta. (Silva, 2015).
TÍTULO III
GARANTÍAS CONSTITUCIONALES
Capítulo tercero
Sección quinta
Acción de hábeas data
Art. 92.- Toda persona, por sus propios derechos o como representante legitimado
para el efecto, tendrá derecho a conocer de la existencia y a acceder a los
documentos, datos genéticos, bancos o archivos de datos personales e informes
que sobre sí misma, o sobre sus bienes, consten en entidades públicas o privadas,
en soporte material o electrónico. Asimismo, tendrá derecho a conocer el uso que
se haga de ellos, su finalidad, el origen y destino de información personal y el
tiempo de vigencia del archivo o banco de datos. Las personas responsables de
los bancos o archivos de datos personales podrán difundir la información
archivada con autorización de su titular o de la ley.
La persona titular de los datos podrá solicitar al responsable el acceso sin costo
al archivo, así como la actualización de los datos, su rectificación, eliminación o
38
anulación. En el caso de datos sensibles, cuyo archivo deberá estar autorizado
por la ley o por la persona titular, se exigirá la adopción de las medidas de
seguridad necesarias. Si no se atendiera su solicitud, ésta podrá acudir a la jueza
o juez. La persona afectada podrá demandar por los perjuicios ocasionados.
ACUERDO No. MH-DM-2015-009-AM
ESTATUTO ORGANICO DE GESTIÓN ORGANIZACIONAL POR PROCESOS
DE LA AGENCIA DE REGULACION Y CONTROL HIDROCARBURIFERO,
ARCH
AGENCIA DE REGULACION Y CONTROL HIDROCARBURIFERO
Art. 4 De acuerdo con el tipo de servicio y segmento, los centros de distribución
se clasifican en:
a. Gasolinera.
b. Estación de Servicio.
c. Depósito de Pesca Artesanal.
d. Depósitos Industriales.
e. Depósito para Combustible Naviero Nacional.
f. Depósito para Combustible Naviero Internacional.
Art. 5 La Agencia de Regulación y Control Hidrocarburifero, podrá autorizar el
emplazamiento de un nuevo centro de distribución en donde la infraestructura
existente de la zona no sea suficiente para atender a la demanda del sector y una
vez que el terreno propuesto cumpla con los requisitos descritos en este
instrumento.
Art. 6 Para el emplazamiento de nuevos centros de distribución de combustibles
líquidos derivados de hidrocarburos, biocombustibles y sus mezclas, así como los
centros de distribución mixtos (segmento automotriz) a nivel nacional, deberán
cumplir con los requisitos de este procedimiento y demás leyes vigentes.
39
Art. 7 Los certificados otorgados por los Gobiernos Autónomos Descentralizados,
el Cuerpo de Bomberos, Ministerio de Transporte y Obras Públicas y de otras
entidades según su competencia, son parte de los requisitos previos que deben
presentar en la ARCH para su análisis y posterior autorización de factibilidad o
negación de esta.
Art. 8 La autorización de factibilidad para el emplazamiento de un nuevo centro
de distribución de combustibles líquidos derivados de hidrocarburos,
biocombustibles y sus mezclas, así como los centros de distribución mixtos
(segmento automotriz), no podrá ser objeto de cesión ni transferencia por parte
del beneficiario, de presentarse el acto, la autorización se extinguirá en ese
momento.
Art. 9 La autorización tendrá vigencia de dieciocho (18) meses, tiempo que puede
ser ampliado por única vez a petición del solicitante mediante comunicación, con
treinta (30) días de anticipación de cumplirse el período de validez de la
autorización de la factibilidad, para lo cual deberá adjuntar los documentos
debidamente notariados que justifiquen las razones por las cuales requiere la
extensión del término, mismo que, se otorgará de conformidad con el numeral 1
del artículo 119 del Estatuto del Régimen Jurídico y Administrativo de la Función
Ejecutiva, caso contrario el peticionario deberá reiniciar el trámite cumpliendo con
todos los requisitos establecidos en este procedimiento (ARCH,2015).
Art. 10 Si el peticionario no ha obtenido los permisos correspondientes de
aprobación y habilitación para el inicio de la obra por parte de las entidades
correspondientes, y consecuentemente no ha iniciado la construcción del nuevo
Centro de Distribución dentro de los términos otorgados por esta Agencia, la
Autorización de Factibilidad se extinguirá automáticamente.
Art. 11 Una vez que el solicitante obtenga los permisos por parte de las
Instituciones correspondientes y previo al inicio de la construcción del nuevo
Centro de Distribución, deberá comunicar formalmente a la ARCH, solicitando la
comparecencia de un funcionario que certifique que este nuevo Centro de
40
Distribución será construido en el sitio autorizado y conforme a los términos
establecidos.
DECRETO EJECUTIVO 1215
REGULACIÓN Y CONTROL HIDROCARBURÍFERO
EL REGLAMENTO AMBIENTAL PARA LAS OPERACIONES
HIDROCARBURÍFERAS DEL ECUADOR
DIRECCIÓN NACIONAL DE HIDROCARBUROS
Art. 1 del Decreto Ejecutivo No. 407, en el cual se indica que: Prohíbase el registro
de nuevas instalaciones de almacenamiento y abastecimiento, plantas
envasadoras y centros de distribución de combustibles líquidos derivados de los
hidrocarburos y gas licuado de petróleo, en donde la Agencia de Regulación y
Control Hidrocarburifero, organismo técnico-administrativo de control del
Ministerio de Recursos Naturales No Renovables, determine que la infraestructura
existente para la comercialización de combustibles líquidos derivados de los
hidrocarburos y gas licuado de petróleo, es suficiente para atender la demanda
del mercado (ARCH,2015).
En referencia a temas ambientales, se pondrá énfasis en el Plan de
Contingencias, que se estipulan sobre la base de reglamentos y normativas de
carácter nacional e internacional la cual se resume de la siguiente manera:
● La Constitución Política de la República del Ecuador, vigente.
● La Ley de Gestión Ambiental
● Reglamento a la Ley de Prevención y Control de la Contaminación Ambiental
● El Texto Unificado de la Legislación Ambiental Secundaria, TULAS
● La Ley de Hidrocarburos
41
Hipótesis
¿La presente investigación de un sistema inteligente de monitoreo y control en
tiempo real para tanques de almacenamiento de combustible haciendo uso de
tecnología de hardware y software libre, permitirá optimizar los procesos
operativos de las estaciones de servicios, generar información gerencial para toma
de decisiones y reducir costos financieros por pérdidas o fugas de combustible?
Variables de la Investigación
A partir de la hipótesis detallada anteriormente, se consideran las siguientes
variables.
Variable independiente
Investigar una solución tecnológica de monitoreo y control en tiempo real para
tanques de almacenamiento de combustible haciendo uso de tecnología de
hardware y software libre para optimizar los procesos operativos de carga y
descarga de combustible.
Variable dependiente
Reducción de costos financieros y operativos producidos por fugas o mediciones
incorrectas del combustible.
Definiciones conceptuales
Microcomputador: Es dispositivo electrónico que posee un alto poder cómputo y
memoria RAM. Son de reducid tamaño, consumen poca energía eléctrica y tienen
todos sus componentes completados embebidos en la misma placa.
42
Almacenamiento de información digital: Es la representación digital de la
información que es almacenada en medios digitales, tales como: discos duros,
medios magnéticos, discos compactos (CD) y memorias flash portables.
Código Libre: Hace referencia al uso, modificación y distribución de software
libremente, sin tener que pagar licencias.
Servicios de tecnologías de la Información: Es un conjunto de herramientas
informáticas que tienen como objetivo realizar tareas organizacionales a través de
un proceso operativo automatizado.
Encriptación: Es una técnica matemática, que permite codificar la información
mediante complejos algoritmos, para que no pueda ser descifrada si un atacante
llegará a interceptar el mensaje que es enrutado por la red.
Instrumentación: Es una serie de mecanismos y procesos que permiten medir y
controlar algunas magnitudes físicas, como, por ejemplo, conductividad,
velocidad, humedad, presión, temperatura , caudal, pH, etc.
Sensor: Es un dispositivo que permite medir una magnitud física o química
mediante un transductor.
Transductor: Dispositivo capaz de transformar la energía de magnitud física a
otra magnitud. Por ejemplo, de fuerza de presión a una señal eléctrica.
Rango: Conjunto de valores discretos o continuos que tienen un límite superior e
inferior.
Resolución: Es la medida que brinda mayor exactitud ante el cambio de una
variable de entrada al proceso.
Error: Es el margen de diferencia causada entre el valor medido y el valor real.
Exactitud: Capacidad de un instrumento para generar un valor con el más
pequeño error.
Precisión: Es menor dispersión de valores medidos alrededor del valor real.
Sensibilidad: Es la capacidad que tiene un dispositivo de instrumentación para
responder ante la variación de una señal de entrada, se puede decir que es la
ganancia del instrumento.
Interferencias: Son datos de entradas no deseados C externos o internos que
generan errores de lectura.
43
CAPÍTULO III
Metodología de la Investigación
Diseño de la Investigación
Modalidad de la investigación
El presente proyecto de investigación busca desarrollar un prototipo tecnológico
que permita monitorear y controlar de manera remota y en tiempo real el nivel de
combustible en empresas de abastecimiento. Para esto, se diseñó e implementó
un controlador electrónico a través del microcomputador Raspberry Pi, en el cual
se instalarán varios componentes de software como son: el módulo de aplicación
web, módulo de base de datos, módulo de control y el módulo de comunicaciones.
Adicional, se utilizará un sensor de nivel, un sensor de flujo y dos electroválvulas.
Estos componentes serán visualizados a través de un aplicativo web flexible,
intuitivo y de fácil uso, el cual estará desarrollado en java.
La telemetría y telecontrol permiten crear nuevos modelos de negocios enfocados
al desarrollo e innovación de nuevos servicios industriales, comerciales y de uso
personal automatizados de manera que se ajustan a las necesidades del cliente.
Tipo de investigación
La investigación es de tipo descriptivo, de campo y por factibilidad, en la cual se
diseñará varias pruebas técnicas para obtener mediciones y así analizarlas, de
manera que sustenten y viabilicen la implementación del prototipo tecnológico
propuesto en la investigación. Además, una encuesta que permitirá obtener datos
relevantes para determinar la situación real de las empresas que tienen esta
necesidad de aplicar un nuevo modelo de medición a sus tanques de
almacenamiento de combustible. Entre los tipos de investigación que se ajustan
al tema propuesto, tenemos las siguientes:
44
Descriptivo
El método descriptivo es un instrumento que permite examinar el perfil de la
investigación a través de sus distintas características y propiedades, las cuales
serán medidas y profundizadas para validar los objetivos del caso estudiado. Este
instrumento no modificará la variable de estudio y se centrará únicamente en los
niveles de medición y análisis de información.
Utilizando este instrumento de investigación podremos detallar escenarios de
aplicación, contextos y eventos que nos permitan realizar mediciones y análisis en
busca de las propiedades y características más relevantes para el estudio.
De campo
Este tipo de investigación aprovechará las características y propiedades del objeto
de estudio para un determinado escenario, evento o comportamiento dentro de su
entorno de estudio, permitiendo conocer; el problema, como se origina y el impacto
que conlleva la solución. Para esto se diseñará una encuesta que recopila la
información necesaria del caso de estudio en las empresas dedicadas al ámbito
de almacenamiento de combustible, así examinar mediante un análisis estadístico
cada uno de los criterios consultados en la encuesta y así sostener los objetivos
del estudio.
Por la factibilidad
El diseño propuesto solucionará el problema de medición en los tanques de
almacenamiento de combustible en las empresas dedicadas al negocio. Donde
las mediciones que se realizan son de manera manual, mediante reglas
numeradas que se ingresan directamente al tanque de almacenamiento para
obtener el nivel, llegando a tener lecturas inexactas o erróneas, esto implica
pérdidas económicas por mala gestión del inventario de combustible. Se diseñará
un sistema de medición y control automático para tanques de combustible
utilizando un microcomputador Raspberry Pi que actuará como controlador
electrónico, el cual tiene las capacidades de medir la información mediante el uso
de sensores, y controlar las válvulas de ingreso y descarga de combustible al
45
tanque de almacenamiento, procesar, almacenar y presentar la información a
través de un aplicativo informático web de manera sencilla, intuitiva y que permita
generar reportes gerenciales en base a la información obtenida. Estas tecnologías
de código libre permiten reducir el costo del diseño a implementar, puesto que son
de licencias gratuitas y de libre uso.
Población y muestra
Población
La población elegida para la propuesta consta con un universo de 1062
gasolineras y 17 comercializadoras de combustible registradas en el Ecuador
hasta el 2015. (El Comercio, 2015), para este estudio se considera sólo la
población de Guayaquil que representa al 9.27% de la población total de estudio
en el Ecuador.
Gráfico 16 Comercializadoras de combustible registradas en el Ecuador
Elaboración: El Comercio Data
Fuente: (El Comercio, 2015)
46
Muestra
A partir de la población universo que fue seleccionada para este estudio, es
necesario proyectar el espacio muestral que representará a la población, para lo
cual utilizaremos la siguiente fórmula:
La fórmula que se va a utilizar es la siguiente:
𝑛 = 𝑀
𝑒2(𝑀 − 1) + 1
En donde:
• n es el tamaño de la muestra
• M es el tamaño de la población
• e es el error de estimación
CUADRO N. 3 Tamaño de la muestra
𝑛 = 𝑀
𝑒2(𝑀 − 1) + 1
𝑛 = 1079
(0.06)2(1079 − 1) + 1
𝑛 = 1079
(0.0036)(1078) + 1
M = 1079
e = 6%
n = 221
47
𝑛 = 1079
(3.8808) + 1
𝑛 = 221
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Cálculo de la fracción muestral
𝑓 =𝑛
𝑀=
221
1079= 0.2048
El resultado que se obtuvo partir de la fórmula indica que el tamaño de la muestra
está conformado por 221 individuos que son parte de la población total de estudio
en el Ecuador y que deben ser encuestados.
Instrumentos de recolección de datos
Técnicas
La investigación planteada utilizará técnicas e instrumentos que permitirán obtener
la información necesaria para proporcionar la viabilidad del diseño propuesto
mediante la tabulación de la información y el análisis estadístico respectivo.
Un instrumento de medición importante es la elaboración de formularios de
preguntas cerradas o encuestas realizadas a la muestra poblacional del estudio,
lo cual permite tener una visión más clara de la problemática, la solución y el
impacto que tendrá en los procesos operativos de la empresa. La información
48
obtenida será tabulada, analizada y presentada mediante gráficos y conclusiones
por cada preguntada realizada.
Técnicas para usar:
• Campo
• Documentales
CUADRO N. 4 Técnica de recolección de datos
Campo Documentales
Observación Lectura científica
Encuesta Análisis de contenido
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Instrumentos de recolección de datos
Una vez definidas las técnicas a utilizar en esta investigación, se seleccionan los
instrumentos que permitirán obtener la información, describirla y presentarla.
CUADRO N. 5 Instrumentos de la investigación
Técnica Instrumentos
Observación Registro de observación
Encuesta Cuestionario
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
49
Recolección de la información
Para la recolección de la información, se utilizará un registro de observaciones y
un cuestionario de preguntas. El registro de observaciones permitirá obtener los
datos a partir de las pruebas realizadas en el diseño tecnológico propuesto y de
los resultados que generados para probar varios escenarios de esta manera
validaremos los objetivos de la investigación y la viabilidad de implementación.
La encuesta realizada esta dirigida a las empresas abastecedoras de combustible
del Ecuador y permitirá obtener información acerca de la problemática, los
requerimientos y el impacto que tendrá este de implementarse en los procesos
operativos de carga y descarga del combustible, mostrando los resultados de
manera tabulados mediante gráficos y conclusiones de forma clara y objetiva.
Procesamiento y análisis
Posteriormente finalizada las encuestas, es necesario tabular la información
haciendo uso de tablas, hojas de cálculo y gráficos estadísticos que permitan de
manera clara y concisa presentar los resultados desde un punto de vista analítico
y así poder generar la conclusión. Para ponderar la información se debe realizar
lo siguiente:
• Medir las variables existentes
• Exponer la hipótesis
• Validar los resultados
En la etapa de análisis de datos se busca sustentar la validez de la investigación
a través de la solución propuesta. La información obtenida se tabula para
frecuencias, promedios, factores de correlación, etc. Lo cual nos permite generar
indicadores que servirán para cuantificar las variables de investigación y así poder
analizarla la información resultante.
50
El proceso de análisis requiere de seguir los siguientes pasos, tal como se muestra
a continuación:
1. Plantear 10 preguntas a través de una encuesta
2. Encuestar a los individuos pertenecientes a la población de estudio.
3. Tabular y diagramar los resultados mediante gráficos estadísticos tipo
pastel o de barras.
4. Interpretar el resultado obtenido de cada una de las preguntas de la
encuesta indicado lo más relevante con respecto a los objetivos del
estudio.
5. Resumen del resultado obtenido.
6. Validar la hipótesis planteada en la investigación
7. Elaborar el documento detallando los pasos realizados para llegar la
conclusión obtenida.
Análisis de datos
Análisis de la encuesta
Primero se procede a tabular la información en cuadros y gráficos estadística con
ayuda de alguna herramienta estadística u hoja de cálculo. Posterior se genera la
respetiva conclusión.
1. ¿Conoce Ud. mecanismos automatizados para medir el volumen de
combustible de un tanque de almacenamiento?
51
Gráfico 17 Resultado de la encuesta - pregunta No. 1
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos demuestran que el 91% de las personas
encuestadas no conocen algún mecanismo automatizado para medir el volumen
de combustible de un tanque de almacenamiento, en contraste con un 9% que
conocen de algún producto tecnológico que permiten realizar dichas tareas. Esto
indica, que la mayoría de las personas encuestadas y que administran empresas
de abastecimiento de combustible desconocen de los productos tecnológicos
actuales, los cuales permiten automatizar procesos industriales y brindar una
mejor gestión del abastecimiento de combustible, lo que facilitaría tomar medidas
reales y precisas de manera autónoma.
SI 9%
NO 91%
¿Conoce Ud. mecanismos automatizados para medir el volumen de
combustible de un tanque de almacenamiento?
9%
91%
¿Conoce Ud. mecanismos automatizados para medir el
volumen de combustible de un tanque de almacenamiento?
SI NO
52
2. ¿Cree Ud. que la fuga o perdida de combustible de un tanque de
almacenamiento pueden tener un impacto económico en la empresa?
Gráfico 18 Resultado de la encuesta - pregunta No. 2
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos señalan que el 65.50% de las personas
encuestadas creen que, una fuga o perdida de combustible de un tanque de
almacenamiento puede tener un impacto económico alto en una empresa
abastecedora de combustible, un 28.50% medio y un 6.00% bajo. Esto, indica la
preocupación por parte de la administración de mantener siempre los registros e
inventarios de combustible actualizados y con medidas fiables tomadas en los
Bajo 6.00%
Medio 28.50%
Alto 65.50%
¿Cree Ud. que la fuga o perdida de combustible de un tanque de
almacenamiento pueden tener un impacto económico en la empresa?
6%
29%
66%
¿Cree Ud. que la fuga o perdida de combustible de un tanque de
almacenamiento pueden tener un impacto económico en la empresa?
Bajo Medio Alto
53
tanques de almacenamiento para evitar pérdidas económicas por gastos de
operación y errores de lectura.
3. ¿Cree Ud. que la tecnología para controlar la carga y descarga del
combustible es un aliado estratégico que genera valor agregado a la
empresa?
Gráfico 19 Resultado de la encuesta - pregunta No. 3
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos muestran que el 81% de las personas
encuestadas creen que la tecnología para controlar la carga y descarga de
combustible es un aliado estratégico que genera valor agregado a la empresa.
Mientras un 19% piensa que no. Este comportamiento permite conocer que las
empresas de abastecimiento de combustible tienen una visión más clara de los
Si 81.00%
No 19.00%
¿Cree Ud. que la tecnología para controlar la carga y descarga del
combustible es un aliado estratégico que genera valor agregado a la
empresa?
81%
19%
¿Cree Ud. que la tecnología para controlar la carga y descarga del
combustible es un aliado estratégico que genera valor agregado a la
empresa?
Si No
54
beneficios que brinda la tecnología, la cual permite no sólo optimizar sus procesos
de operación, sino reducir costos innecesarios.
4. ¿Conoce Ud. que los reportes gerenciales generados manualmente a
través de las medidas tomadas por mecanismos físicos pueden tener
datos errados y pueden ser causantes de pérdidas económicas?
Gráfico 20 Resultado de la encuesta - pregunta No. 4
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados conseguidos señalan que un 78.50% de las personas
encuestadas conocen que los reportes gerenciales generados manualmente a
través de las medidas tomadas por mecanismos físicos pueden tener datos
errados y pueden ser causantes de pérdidas económicas. Mientras un 21.50%
piensan que no. En las empresas de abastecimiento de combustible la
importancia de mantener reportes gerenciales con información fiable demanda de
Si 78.50%
No 21.50%
¿Conoce Ud. que los reportes gerenciales generados manualmente a
través de las medidas tomadas por mecanismos físicos pueden tener datos
errados y pueden ser causantes de perdidas económicas?
78%
22%
¿Conoce Ud. que los reportes gerenciales generados manualmente a través de las medidas tomadas por
mecanismos físicos pueden tener datos errados y pueden ser causantes
de perdidas económicas?
Si No
55
mucho tiempo y esfuerzo por parte del personal operativo, además de tener
posibles datos errados lo que finalmente se traduce en gastos financieros.
5. ¿Considera Ud. que los equipos de medición y control electrónico
para tanques de almacenamiento de combustible deben contar con
un aplicativo informático inteligente?
Gráfico 21 Resultado de la encuesta - pregunta No. 5
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos muestran que el 97% de las personas
encuestadas consideran que los equipos de medición y control electrónico para
tanques de almacenamiento de combustible deben contar con un aplicativo
inteligente. Mientras un 3% consideran que no. Esto indica que el personal que
gestiona los inventarios de combustible busca flexibilidad, facilidad y confiabilidad
en una aplicación de monitoreo y control de combustible.
Si 97.00%
No 3.00%
¿Considera Ud. que los equipos de medición y control electrónico para
tanques de almacenamiento de combustible deben contar con un
aplicativo informático inteligente?
97%
3%
¿Considera Ud. que los equipos de medición y control electrónico para
tanques de almacenamiento de combustible deben contar con un aplicativo informático inteligente?
Si No
56
6. ¿En qué porcentaje considera Ud. que un producto tecnológico para
medición y control de combustible permitirá optimizar sus procesos
de inventario y gestión?
Gráfico 22 Resultado de la encuesta - pregunta No. 6
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos en esta pregunta infieren que el 70% de las
personas encuestadas consideran que un producto tecnológico para medición y
control de combustible permitirá optimizar sus procesos de inventario y gestión en
un 80% de efectividad, es decir que la optimización de los procesos operativos no
sólo permitirá automatizar tareas sino reducir costos a través del control del
inventario de combustible en tiempo real.
60% 21.00%
80% 70.00%
100% 9.00%
¿En qué porcentaje considera Ud. que un producto tecnológico para
medición y control de combustible permitirá optimizar sus procesos de
inventario y gestión?
21%
70%
9%
¿En qué porcentaje considera Ud. que un producto tecnológico para
medición y control de combustible permitirá optimizar sus procesos de
inventario y gestión?
60% 80% 100%
57
7. ¿Considera Ud. que el uso de microcomputadores tiene aplicaciones
industriales y comerciales reales?
Gráfico 23 Resultado de la encuesta - pregunta No. 7
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos señalan que un 85.50% considera que el uso
de microcomputadores tiene aplicaciones industriales y comerciales reales,
mientras un 14.50% considera que no. Las empresas buscan no solo reducir
costos sino tener una solución tecnológica de altas capacidades, bajo consumo
energético, tamaño reducido y fácil de administrar, esto lo logramos con el uso de
los microcomputadores que hoy en día los encontramos en el mercado a precios
por debajo de los 100% dólares, el personal técnico y financiero consideran una
gran ventaja trabajar con proyectos basados en tecnología de código abierto que
se adaptan fácilmente a sus necesidades.
Si 85.50%
No 14.50%
¿Considera Ud. que el uso de microcomputadores tiene aplicaciones
industriales y comerciales reales?
86%
15%
¿Considera Ud. que el uso de microcomputadores tiene aplicaciones industriales y
comerciales reales?
Si No
58
8. ¿Considera Ud. que un sensor electrónico de ultrasonido tiene mayor
precisión para medir el nivel de combustible que una varilla
numerada?
Gráfico 24 Resultado de la encuesta - pregunta No. 8
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos señalan que un 79% de las personas
encuestadas consideran que un sensor electrónico de ultrasonido tiene mayor
precisión para medir el nivel de combustible que una varilla numerada, mientras
un 21% considera que no. Este resultado indica la confianza que tienen los
técnicos y administradores de las empresas abastecedoras de combustible en los
sensores electrónicos, como es el caso del sensor de ultrasonido que a través de
ondas mecánicas permiten conocer la profundidad de un fluido y mediante un
cálculo numérico nos permite conocer el volumen del tanque de almacenamiento
en tiempo real, cosa que no es tan fácil ni fiable con los métodos tradicionales de
medición.
Si 79.00%
No 21.00%
¿Considera Ud. que un sensor electrónico de ultrasonido tiene mayor
precisión para medir el nivel de combustible que una varilla numerada?
79%
21%
¿Considera Ud. que un sensor electrónico de ultrasonido tiene
mayor precisión para medir el nivel de combustible que una varilla
numerada?
Si No
59
9. ¿Si le ofreciera un producto tecnológico para medir y controlar el
abastecimiento de combustible en su empresa con alta precisión a
través de una interfaz web de manera remota, sencilla e intuitiva,
estaría dispuesto a comprarlo?
Gráfico 25 Resultado de la encuesta - pregunta No. 9
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Los resultados obtenidos señalan que el 77% de las personas
encuestadas estarían dispuestas a comprar una solución tecnológica que les
permita medir y controlar el abastecimiento de combustible en su empresa con
alta precisión a través de una interfaz web de manera remota, sencilla e intuitiva.
Mientras un 14% considera que no es necesario. Este resultado, nos permite
introducir nuestro producto en el mercado pensando en las necesidades que
tienen las empresas de abastecimiento de combustible brindando calidad,
precisión y fiabilidad, de manera que los administradores puedan realizar su
trabajo a través de un aplicativo informático en sitio o de manera remota,
generando reportes en tiempo real de los inventarios.
Si 86.00%
No 14.00%
¿Si le ofreciera un producto tecnológico para medir y controlar el
abastecimiento de combustible en su empresa con alta precisión a través
de una interfaz web de manera remota, sencilla e intuitiva, estaría
dispuesto a comprarlo?
86%
14%
¿Si le ofreciera un producto tecnológico para medir y controlar el abastecimiento de combustible en su empresa con alta precisión a través
de una interfaz web de manera remota, sencilla e intuitiva, estaría
dispuesto a comprarlo?
Si No
60
10. ¿Cuánto estaría Ud. dispuesto pagar por este producto tecnológico
si le permite a su empresa ahorrar el 100% del gasto por perdida o
fuga de combustible? Escoja un precio a pagar.
Gráfico 26 Resultado de la encuesta - pregunta No. 10
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Análisis: El siguiente resultado muestra que el 56% de las personas encuestadas
pueden pagar hasta $200 dólares por una solución tecnológica que se adapte a
sus necesidades, el 34% pueden pagar hasta $400 y el 10% hasta $600 dólares.
Esto permite introducir nuestra solución tecnológica en el mercado con un precio
que bordea los $200 dólares implicando factibilidad económica y técnica para
implementar el proyecto en empresas de abastecimiento de combustible.
Validación de la hipótesis
La hipótesis definida en esta investigación indica que el diseño propuesto debe
tener todas las características necesarias para brindar un servicio confiable, rápido
$200 56.00%
$400 34.00%
$600 10.00%
¿Cuánto estaría Ud. dispuesto pagar por este producto tecnológico si le
permite a su empresa ahorrar el 100% del gasto por perdida o fuga de
combustible? Escoja un precio a pagar.
56%34%
10%
¿Cuánto estaría Ud. dispuesto pagar por este producto tecnológico si le
permite a su empresa ahorrar el 100% del gasto por perdida o fuga de
combustible? Escoja un precio a pagar.
$200 $400 $600
61
y seguro a través de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real
para tanques de almacenamiento de gasolina, haciendo uso de tecnología de
hardware y software libre lo que permitirá reducir costos financieros por pérdidas
o fugas de combustible.
Los resultados de la pregunta #10 realizados, señala que el 90% de las personas
que administran o supervisan empresas que brindan el servicio de abastecimiento
de gasolina estarían dispuestas a comprar una solución tecnológica entre $200 a
$400 dólares. Una manera de dar a conocer la solución tecnológica propuesta en
esta investigación es a través de una campaña de marketing que permita
incrementar el mercado potencial presentando las características y funciones
principales características en empresas que tengan necesidades similares de
monitoreo y control.
Por otra parte, el análisis de la pregunta #4, indica que el 78.50% de las personas
encuestas prefieren que un sistema automático y fiable genere sus reportes
gerenciales, con la finalidad de conocer en tiempo real los inventarios de gasolina,
las pérdidas y ganancias del proceso de carga y descarga del tanque de
almacenamiento. Esto a su vez, permite que la empresa comience una etapa de
transformación digital lo cual brindará una característica competitiva en el
mercado.
Finalmente, la tecnología de hardware y software libre disminuye
considerablemente los costos operativos y de implementación, puesto que no se
pagan licencias por uso. Los microcomputadores además de brindar diversas
soluciones empresariales son de costo reducido, alto poder de cómputo, y de
pequeño tamaño. Esta tecnología, permite que la solución propuesta sea factible
tecnológicamente cumpliendo con las principales características y objetivos
señalados dentro de la investigación.
62
CAPÍTULO IV
Resultados conclusiones y recomendaciones
A partir de los resultados conseguidos en las pruebas técnicas realizadas como
parte de la investigación para el diseño de un sistema inteligente de monitoreo y
control en tiempo real para tanques de almacenamiento de gasolina utilizando
tecnología de hardware y software libre en empresas surtidoras, podemos concluir
que el prototipo tecnológico tiene todas las funcionalidades y características
necesarias para alcanzar los objetivos propuestos. Las cuales fueron creados en
base a las necesidades que tienen las empresas que almacenan combustibles
tales como la gasolina de manera que se pueda obtener el nivel del tanque de
almacenamiento en tiempo real y con precisión, así mismo poder determinar en
tiempo real el volumen almacenado y el costo real por la compra del insumo. Si
bien es cierto, que los reportes generados a través del aplicativo web, no es parte
de una funcionalidad técnica que requieren las empresas para solventar el
problema raíz, este tiene un trasfondo operativo y económico que se traduce en
indicadores de gestión de pérdidas y ganancias para uso de la gerencia, lo que
permite dar un valor agregado al diseño propuesto en esta investigación. Ver
Anexo 3.
Otro punto importante gira entorno al estudio realizado a las empresas que
cuentan con tanques de almacenamiento de combustible, las cuales fueron
realizadas mediante herramientas de recolección de datos, como son las
encuestas. Como parte de los resultados, se observó que los encuestados
estarían dispuestos a adquirir la solución, si esta cumple con los requisitos que
demanda la problemática, este resultado indica una factibilidad económica de
implementación, la cual es ratificada en las pruebas técnicas que dieron como
resultado una factibilidad tecnológica. Finalmente, el proyecto de investigación se
encuentra enfocado en las pequeñas y medianas empresas que no cuentan con
capacidad económica para realizar una inversión de alto costo, permitiendo
competir en este mercado, con un producto de bajo costo, fiable, de fácil
instalación y uso.
63
CUADRO N. 6 Matriz de requerimientos
REQUERIMIENTOS ACEPTACIÓN
Estudiar los sistemas de instrumentación
con sensores y actuadores electrónicos
aplicados a la medición y control de
tanques de almacenamiento de gasolina.
Configuración de válvulas
electrónicas, sensor de ultrasonido y
sensor de temperatura integrados en
un controlador electrónico.
Controlar el flujo de carga y descarga de la
gasolina en tiempo real, así como el nivel
actual.
Módulo informático con una interfaz
electrónica para activar y desactivar
las válvulas de control.
Investigar un controlador electrónico con
características de alto poder de cómputo,
bajo consumo de energía, bajo costo y de
fácil uso.
Uso del microcomputador Raspberry
Pi para la implementación del
controlador electrónico y sistema
informático web.
Diseñar un sistema informático web
flexible, de fácil uso e intuitiva que permita
controlar y medir en tiempo real.
Se implementó una aplicación web en
Java y PrimeFaces, la cual dispone
de servicios web e interfaces de
ejecución de comandos remotos.
Conocer si las empresas pequeñas y
medianas tienen la necesidad de integrar
un sistema de control y medición en tiempo
real en sus procesos operativos para
optimizarlos.
El 86% de las personas encuestadas
en la pregunta #9, estarían
dispuestas a comprar la solución
tecnológica propuesta.
Generar reportes gerenciales con
indicadores y análisis de datos.
Sistema informático web con
funcionalidad para generar reportes
gerenciales, basado en los análisis
estadísticos de los datos obtenidos
por los sensores.
Presentar una guía de uso e instalación del
diseño tecnológico para su implementación
en pequeñas y medianas empresas.
Se generará un documento anexo
con el cual se podrá realizar la
implementación y uso de la solución
propuesta.
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
64
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
El diseño propuesto como parte del proyecto de investigación cubre todas las
necesidades de medición y control automático en tanques de almacenamiento de
gasolina que tienen las empresas que gestionan este hidrocarburo, de manera
que a través de esta solución se optimizarán los procesos operativos de carga y
descarga a través de un sistema informático web que se conecta hacia un
controlador electrónico en tiempo real y de forma remota. Ver Anexo 4.
El estudio de las configuraciones de medición a través de sensores se lo realizó
con cuatro tipos, los cuales son: de contacto, magnéticos, infrarrojo y de
ultrasonido, estos fueron probadas en base a la ficha técnica de cada fabricante,
de manera que se evaluó la factibilidad técnica de cada uno de ellos para medir el
nivel del fluido en el tanque de almacenamiento, concluyendo que: el sensor de
ultrasonido presenta mayores ventajas y beneficios frentes a los otros tipos de
sensores, siendo una de las mayores características el alcance que este tiene
pudiendo tomar lecturas desde 4 hasta los 1000 metros, dependiendo de la
calidad y costo de este. Otra característica importante dentro de esta conclusión
es que el sensor no es invasivo, es decir, no está en contacto con el fluido, es de
fácil instalación, baja tasa de error y bajo costo. Ver Anexo 3.
El diseño permite una gestión eficiente de los inventarios de gasolina
almacenados en taques que pueden tener diferentes formas, para lo cual se
dispone de algoritmos que modelan una ecuación matemática para medir dicho
volumen. Es por tal razón, que la solución propuesta es adaptable a las
necesidades del cliente, puesto que todo el sistema tecnológico es modular,
sencillo, flexible, seguro y fácil de instalación, ofreciendo nuevas ventajas y
beneficios frente a una solución propietaria o bajo licenciamiento. Ver Anexo 3.
El diseño tecnológico esta implementado en dos componentes principales:
primero el controlador electrónico, el cual utiliza un microcomputador Raspberry
Pi cuyo hardware es libre, con un costo aproximado de $70 dólares y con un
procesador Cortex-A53 de 64bits a 1.4Ghz, lo que permite desarrollar e investigar
65
soluciones a la medida del cliente. Por otro lado, se utilizará interfaces electrónicas
para comunicar los actuadores y sensores con el software que procesará la
información hacia el servicio web y la base de datos. El sistema web implementa
la lógica de negocio mediante el lenguaje de programación Java y modelo
multicapas, también se utiliza Python para diseñar el disparador de eventos
automático, dando como resultado un sistema de telemetría y telecontrol de alta
calidad con un costo competitivo en el mercado, siendo su mayor nicho las
pequeñas y medianas empresas cuya necesidad es medir y controlar en tiempo
real la carga y descarga de la gasolina. Adicionalmente, estos se selecciona un
microcomputador como controlador electrónico, debido a que consumen una
corriente eléctrica muy baja lo que reduce los costos relacionados al
mantenimiento y operación del diseño propuesto. Ver Anexo 4.
Las pruebas técnicas realizadas cubren los escenarios cuya base está
fundamentada en la necesidad descrita en el objetivo principal del proyecto de
investigación, lo que garantiza un diseño tecnológico que automatiza los procesos
operativos de medición y que brinde soporte al proceso financiero mediante
reportes gerenciales, que son generados por la aplicación web en cualquier
instante. Otra prueba realizada consistió en validar el rendimiento del
microcomputador Raspberry Pi y de la aplicación informática en tiempo de
ejecución, para lo cual se utilizó la herramienta JMeter que es capaz de enviar
varios hilos de peticiones de manera concurrente en un periodo de un segundo.
Se enviaron entre 50 a 500 peticiones HTTP por segundo para estresar al
hardware y software obteniendo como resultado solo un incremento del 15% del
total de memoria utilizada que es en promedio 600MB y de un 70% de uso de
procesador, siendo un indicador importante de factibilidad tecnológica, a su vez
que permite crear futuras mejoras en los módulos o procesos internos del diseño
para ampliar sus posibilidades de uso hacia otros mercados. Ver Anexo 4.
Finalmente, el análisis de la encuesta desarrollada en el Capítulo III, sustenta la
viabilidad de implementar el diseño en términos económicos, puesto que el 86%
de los encuestados, indicaron que tienen la necesitan adquirir una solución
automática de medición y control en tiempo real mediante un aplicativo informático
66
web de fácil uso y que se encuentre dentro de su presupuesto de inversión
tecnológica.
Recomendaciones
Se recomienda investigar y hacer uso de otras configuraciones de instrumentación
como sensores infrarrojos, de presión y químicos, dentro de la solución propuesta,
a fin de explotar nuevas características y funcionalidades que se pueden brindar
a las empresas e industrias.
Se crearon cuatro escenarios de pruebas técnicas para observar las
características y funcionalidades del diseño tecnológico propuesto, por lo cual se
recomienda analizar y crear nuevos escenarios de medición, los cuales pueden
ser, por ejemplo: piscinas de cultivo, acuarios, sistemas de procesamientos de
agua, etc. a fin cubrir otras necesidades tecnológicas que demande el mercado.
Para obtener mejores resultados en las pruebas técnicas realizadas, y así poder
determinar qué tipo de funcionalidades se pueden desarrollar e implementar, se
recomienda separar el aplicativo informático web en servidor independiente de
manera que un servicio liviano puede ser levantado y consumido por el aplicativo
externo, mejorando notablemente el rendimiento. De esta manera, se pueden
ofrecer otros tipos de servicios de software que amplían y utilizan todas las
capacidades de hardware que tiene el Raspberry Pi.
Para disminuir el costo de producción masiva del diseño tecnológico, se optar por
una cadena de ensamblaje rápida y de bajo costo, como por ejemplo en China, a
fin de reducir el precio de venta final por cada unidad, lo cual es beneficioso y por
ende ofrecerá la oportunidad de expansión a otros países a través del mercado
global.
Se recomienda utilizar otras herramientas de pruebas de estrés y de auditoria en
el diseño de investigación, a fin de obtener métricas complejas que avalen la
calidad del producto final y sus principales funcionalidades y características. Esta
información permitirá agregar mejoras en rendimiento y experiencia de usuario.
67
Para mejorar el acabado estético del diseño se recomienda adquirir un case
acrílico transparente que se ajuste al tamaño del producto final. Además, utilizar
una fuente de energía renovable como un panel solar conectado a baterías de alta
duración con la finalidad de que la solución sea portable y más atractiva al público
y así, crear una campaña de marketing para expandir el mercado potencial.
68
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https://www.rcrwireless.com/20161206/internet-of-things/sensor-iot-tag31-
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Usaregui, A., & María, J. (1983). Microprocesadores fundamentos, diseño y aplicaciones
en la industria y en los microcomputadores. Biblioteca UNAH, 774.
Valderrama, J. A. (31 de Agosto de 2014). Microprocesador de 4 bits en FPGA con VHDL.
Obtenido de http://digitales3escom.blogspot.com/2014/08/microprocesador-
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Walton, A. (16 de 11 de 2017). Tipos de Redes Informáticas (LAN, WAN, MAN,…).
Obtenido de https://ccnadesdecero.es/tipos-redes-informaticas-lan-wan-man/
WhatsNews. (31 de Agosto de 2018). Coches autónomos de juguete usando Inteligencia
Artificial y Raspberry Pi. Obtenido de
https://wwwhatsnew.com/2018/08/31/coches-autonomos-de-juguete-usando-
inteligencia-artificial-y-raspberry-pi/
72
ANEXOS
Anexo 1
Cronograma del proyecto
Gráfico 27 Cronograma del proyecto
73
Anexo 2
Encuesta
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
Diseño de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real para
tanques de almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de hardware y
software libre para pequeñas y medianas empresas.
Estamos interesados en conocer su opinión, por favor, ¿sería tan amable de
contestar la siguiente encuesta? La información que nos proporcione será
utilizada para conocer las necesidades y problemáticas que tienen las
pequeñas y medianas empresas que gestionan tanques de almacenamiento
de gasolina.
El cuestionario dura 5 minutos aproximadamente. Gracias.
1. ¿Conoce Ud. mecanismos automatizados para medir el volumen de combustible
de un tanque de almacenamiento?
a) Si
b) No
2. ¿Cree Ud. que la fuga o perdida de combustible de un tanque de almacenamiento
pueden tener un impacto económico en la empresa?
a) Bajo
b) Medio
c) Alto
3. ¿Cree Ud. que la tecnología para controlar la carga y descarga del combustible es
un aliado estratégico que genera valor agregado a la empresa?
a) Si
b) No
74
4. ¿Conoce Ud. que los reportes gerenciales generados manualmente a través de las
medidas tomadas por mecanismos físicos pueden tener datos errados y pueden
ser causantes de pérdidas económicas?
a) Si
b) No
5. ¿Considera Ud. que los equipos de medición y control electrónico para tanques
de almacenamiento de combustible deben contar con un aplicativo informático
inteligente?
a) Si
b) No
6. ¿En qué porcentaje considera Ud. que un producto tecnológico para medición y
control de combustible permitirá optimizar sus procesos de inventario y gestión?
a) 60%
b) 80%
c) 100%
7. ¿Considera Ud. que el uso de microcomputadores tiene aplicaciones industriales
y comerciales reales?
a) Si
b) No
8. ¿Considera Ud. que un sensor electrónico de ultrasonido tiene mayor precisión
para medir el nivel de combustible que una varilla numerada?
a) Si
b) No
9. ¿Si le ofreciera un producto tecnológico para medir y controlar el abastecimiento
de combustible en su empresa con alta precisión a través de una interfaz web de
manera remota, sencilla e intuitiva, estaría dispuesto a comprarlo?
a) Si
b) No
10. ¿Cuánto estaría Ud. dispuesto pagar por este producto tecnológico si le permite
a su empresa ahorrar el 100% del gasto por perdida o fuga de combustible? Escoja
un precio a pagar.
a) $200
b) $400
c) $600
75
Anexo 3
Análisis de Configuraciones y Calibración
En el mercado tecnológico existen muchos tipos de sensores electrónicos que
permiten realizar la misma medición basado en diversos factores físicos o
químicos. Los sensores evaluados dentro de esta investigación están clasificados
en cuatro tipos: infrarrojos, magnéticos, de contacto eléctrico y ultrasonido. (Tracy,
2016)
Los sensores infrarrojos se encuentran dentro del espectro electromagnético que
van desde los 0.75 a 1000 micrómetros, la base de funcionamiento radica en emitir
una longitud de onda sobre un cuerpo que absorbe y reemite parte de la radiación
incidente, de manera que un receptor se encarga de leer la diferencia o perdida.
(Melero, 2011)
∝ (𝜆) + 𝜚(𝜆) + 𝜏(𝜆) = 1
Donde alpha es la reflectancia, rho la absorción y tau la transmitancia del cuerpo.
Un claro ejemplo de factor de absorción igual a uno es un espejo ideal, que refleja
toda la radiación incidente, al contrario de un cuerpo opaco que refleja y absorbe.
Entre las ventajas más relevantes para este tipo de sensores tenemos:
• Bajo costo
• Bajo voltaje de uso
• Fácil integración con interfaces electrónicas
• Detección de calor
Entre las desventajas podemos encontrar las siguientes:
• Corto alcance, no son buenos para mediciones de larga distancia
• Interferencia con la luz visible, el clima y otros factores atmosféricos
• Baja velocidad de trasmisión de datos
76
• Interferencia de lectura por objetos opacos que se interponen al momento
de medir
Sensor de Infrarrojo
Gráfico 28 Sensor infrarrojo
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
CUADRO N. 7 Prueba técnica del sensor infrarrojo
Modelo Consumo
Eléctrico
Distancia
Máxima
No. de
observaciones
% de
error
FC-51 43mA 30 cm 40 6%
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Los sensores magnéticos, poseen la característica de detectar una variación
magnética gracias un dispositivo resistivo que reacciona ante la proximidad de un
imán, estos pueden usarse para el propósito de la investigación como
interruptores de nivel, es decir varios sensores colocados estratégicamente para
tener una medida relativa del total del volumen.
77
Entre las ventajas más relevantes para este tipo de sensores tenemos:
• Bajo costo
• De acción inmediata
• Fácil integración con interfaces electrónicas
• Bajo voltaje de uso
Entre las desventajas podemos encontrar las siguientes:
• Corto alcance, no son buenos para mediciones de larga distancia
• No permiten mediciones lineales, son interruptores
• Aumenta el costo y la complejidad cuantos más puntos de medición existan
• Interferencia de lectura por substancias ferromagnéticas
Sensor Magnético
Gráfico 29 Pruebas con el medidor magnético
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
CUADRO N. 8 Prueba técnica del sensor magnético
Modelo Consumo
Eléctrico
Distancia Máxima No. de
observaciones
% de
error
KY-003 8mA Depende del campo
magnético para esta prueba
40 3%
78
se considera un imán
pequeño a máximo 5 cm
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Los sensores de contacto eléctrico son los más sencillos, permiten activarse en
cuanto entran en contacto con un objeto o substancias cerrando un circuito
eléctrico, estos pueden ser por acción mecánica, neumática o eléctrica.
Entre las ventajas más relevantes para este tipo de sensores tenemos:
• Bajo costo
• De acción inmediata
• Fácil integración con interfaces electrónicas
• Bajo voltaje de uso
Entre las desventajas podemos encontrar las siguientes:
• Corto alcance, no son buenos para mediciones de larga distancia
• No permiten mediciones lineales, son interruptores
• Aumenta el costo y la complejidad cuantos más puntos de medición existan
• Desgaste de las piezas electromecánicas
• Mayor tamaño frente a otros sensores
Sensor de Contacto
Gráfico 30 Sensor de contacto
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
79
CUADRO N. 9 Prueba técnica del sensor contacto
Modelo Consumo
Eléctrico
Distancia Máxima No. de
observaciones
% de
error
CS-
CO058
1A De contacto
directo con el
fluido
40 0.01%
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
El sensor de ultrasonido mide una señal acústica de tono alto, imperceptible para
los humanos mayor a los 20Khz, estos funcionan emitiendo una onda que se
refleja ante un objeto o substancia con una excelente precisión e integridad ante
factores ambientales externos. Además, de detectar objetos transparentes y
obscuros independientemente de su forma y viscosidad, el transductor ultrasónico
recibe la señal, la cual es procesada digitalmente midiendo el tiempo en que tarda
en regresar, similar al efecto Doppler (Keyence, 2017).
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = {(𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑦 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜) ∗ (𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑛𝑖𝑑𝑜 340
𝑚𝑠
)}
2
Entre las ventajas más relevantes para este tipo de sensores tenemos:
• No tiene interferencias ambientales
• La medida no es afectada por los parámetros físicos del objeto o fluido
• Mediante software especializado se puede detectar la forma del objeto
• Rango de medición de largo alcance
Entre las desventajas podemos encontrar las siguientes:
• La precisión debe ser ajustada mediante algoritmos de reducción de ruido
• Velocidad de respuesta más baja frente a un sensor óptico
• De costo medio, depende del rango de medición y precisión
80
• Se necesita una interfaz electrónica especial de acople y
acondicionamiento de señal
Sensor de Ultrasonido
Gráfico 31 Pantalla LCD para mostrar las medidas obtenidas
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
CUADRO N. 10 Prueba técnica del sensor ultrasonido
Modelo Consumo
Eléctrico
Distancia
Máxima
No. de
observaciones
% de
error
HC-
SR04
15 mA 5 m 40 0.3%
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Luego de analizar las diversas características y pruebas realizadas con los cuatro
tipos de sensores disponibles para esta investigación, en la cual necesitamos
medir el nivel de un tanque de almacenamiento de gasolina, seleccionamos el
sensor de ultrasonido debido a que este presenta todas las características
necesarias que se necesitan para este diseño propuesto.
81
Los sensores mencionados en este anexo fueron probados y evaluados, tomando
muestras a partir de las observaciones en las pruebas técnicas, sugiriendo que el
sensor de ultrasonido presenta mayores ventajas y beneficios frente a otros.
Se realiza una prueba de carga transaccional al aplicativo web, de manera que
podamos determinar la capacidad de cómputo del microcomputador,
modelamiento de base de datos y desarrollo del software, para lo cual hacemos
uso del programa JMeter, que nos permitirá simular una carga de usuario por
segundos de manera concurrente para finalmente mostrarnos los resultados
estadísticos y de rendimiento.
Se configura el número de usuario a 100 durante un periodo de un segundo, en
cual se realizará la simulación de conexión al aplicativo web, luego ejecutamos la
prueba dando clic en el icono de color verde ubicado en la parte superior y que
dice ejecutar.
Gráfico 32 Parametrización de JMTER
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Se apunta a la dirección IP y puerto del aplicativo web, así como la URL principal
del servicio en donde realizaremos la prueba de carga transaccional.
82
Gráfico 33 Parametrización de JMTER
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Gráfico 34 Parametrización de las pruebas técnicas
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Como podemos observar todas las transacciones fueron exitosas, la tasa de error
es cero por ciento, esto nos permite deducir lo siguiente en base a esta
información recopilada. A pesar de que el sistema tiene un numero mucho mayor
a un escenario real de pruebas en una empresa, este microcomputador tiene la
capacidad de soportar un volumen transaccional alto, esto es debido a las
características que posee la Raspberry Pi, al desarrollo del software el cual tiene
83
aplicado paradigmas de programación orienta a objetos y una arquitectura de
software que utiliza pool de conexiones a base de datos. Adicionalmente, las
interfaces electrónicas fueron diseñadas con Python las cual brinda de manera
nativa una interacción entre en hardware y el software controlador.
Finalmente obtenemos los reportes con los resultados:
Gráfico 35 Resultado parametrización de las consultas envidadas
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Se puede observar que todas las peticiones se contestaron correctamente.
84
Gráfico 36 Resultado de las pruebas técnicas realizadas
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Podemos observar la correlación de datos entre que se realiza la transacción, se
ejecuta y responde.
85
Gráfico 37 Resultado de la encuesta - gráficos
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Se resumen en una vista, la tasa de errores, la desviación y velocidad de
transacciones por segundos TPS alcanzada.
Gráfico 38 Resultado de las pruebas técnicas
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Finalmente, validamos el estado de carga computacional, memoria y rendimiento
de dispositivo de almacenamiento mediante el comando ps en Linux, el cual
observamos que a pesar de la gran carga transaccional a la cual fue expuesto el
86
microcomputador, este mantiene sus recursos de hardware equilibrados bajo un
rendimiento óptimo. Ver Gráfico 38.
Gráfico 39 Rendimiento del sistema
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
87
Análisis matemático para el cálculo del volumen de un tanque cilíndrico
para almacenar gasolina.
Gráfico 40 Tanque cilíndrico para almacenar gasolina
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
El volumen de un tanque cilíndrico horizontal está en función del nivel “H” que es
la altura del líquido, del radio “R” del contenedor y de la longitud “L” del mismo.
La ecuación de una circunferencia con centro en el origen es:
𝑥2 + 𝑦2 = 𝑅2
Se despeja x y se aplica el diferencial dA = 2xdy; sustituyendo a “x”, de manera
que nos queda:
𝑑𝐴 = 2√𝑅2 − 𝑦2𝑑𝑦
Aplicando integral en ambos lados, nos queda:
𝐴 = ∫ 𝑑𝐴 = ∫ 2𝑥𝑑𝑦 = ∫ 2√𝑅2 − 𝑦2𝑑𝑦−𝑅+𝐻
−𝑅
Sustituyendo por funciones trigonométricas tenemos:
sin 𝜃 =𝑦
𝑅, 𝑦 = 𝑅 sin 𝜃 , 𝜃 = sin−1 (
𝑦
𝑅) , 𝑑𝑦 = 𝑅 cos Θ𝑑Θ
88
Entonces reemplazando:
= 2 ∫ 2√𝑅2 − (𝑅2𝑠𝑒𝑛Θ)2𝑅𝑐𝑜𝑠Θ𝑑Θ𝑅+𝐻
−𝑅
2𝑅2 [1
2Θ +
1
2𝑠𝑒𝑛Θ𝑐𝑜𝑠Θ]
−𝑅
−𝑅+𝐻
= 2 [𝑅2
2Θ +
𝑅2
2𝑠𝑒𝑛Θ√1 − 𝑠𝑒𝑛2Θ]
−𝑅
−𝑅+𝐻
Haciendo cambio de variable:
2 [𝑅2
2𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
𝑦
𝑅) +
𝑦
2√𝑅2 − 𝑦2]
−𝑅
−𝑅+𝐻
⇔ 2 [𝑦
2√𝑅2 − 𝑦2 +
𝑅2
2𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
𝑦
𝑅)]
−𝑅
−𝑅+𝐻
Resolviendo la integral y aplicando todas las propiedades trigonométricas y
evaluando los límites, el área de la base nos quedaría finalmente así:
𝐴 =𝜋𝑅2
2+ (𝐻 − 𝑅)√2𝑅𝐻 − 𝐻2 + 𝑅2𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
−𝑅 + 𝐻
𝑅)
Para encontrar el volumen tenemos que multiplicar por la longitud “L” del cilindro,
quedando así:
𝑉 = 𝐿 [𝜋𝑅2
2+ (𝐻 − 𝑅)√2𝑅𝐻 − 𝐻2 + 𝑅2𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
−𝑅 + 𝐻
𝑅)]
89
Análisis matemático para el cálculo del volumen de un tanque elíptico
horizontal para almacenar gasolina.
Gráfico 41 Tanque elíptico horizontal
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Partimos de la siguiente ecuación, donde a es el eje mayor y b el eje menor:
𝑥2
𝑎2+
𝑦2
𝑏2= 1
Despejamos “x”, y aplicamos el diferencial 𝑑𝐴 = 2𝑥𝑑𝑦 e integramos:
𝑑𝐴 = 2 (𝑎
𝑏√𝑏2 − 𝑦2) 𝑑𝑦
𝐴 = ∫ 𝑑𝐴 = ∫ 2𝑥𝑑𝑦 = 2 ∫ (𝑎
𝑏√𝑏2 − 𝑦2) 𝑑𝑦
𝛼
−𝜋2
Aplicando sustitución trigonométrica y resolviendo, nos queda así:
sin 𝜃 =𝑦
𝑏, 𝑦 = 𝑏 sin 𝜃 , 𝜃 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
𝑦
𝑏) , 𝑑𝑦 = 𝑏 cos Θ𝑑Θ
90
Entonces reemplazando:
= ∫ (𝑎𝑏)𝑐𝑜𝑠2Θ𝑑Θ = 𝑎𝑏 ∫ 𝑐𝑜𝑠2Θ𝑑Θ = 𝑎𝑏𝛼
−𝜋2
𝛼
−𝜋2
[1
2Θ +
1
4𝑠𝑒𝑛(2Θ)]
−𝜋2
𝛼
𝑎𝑏 [𝛼 +𝜋
2𝑠𝑒𝑛α𝑐𝑜𝑠α] = 2 [𝛼 +
𝜋
2𝑠𝑒𝑛α√1 − 𝑠𝑒𝑛2α]
Haciendo cambio de variable:
𝑎𝑏 [𝜋
2+ 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
𝐻
𝑏− 1) + (
𝐻
𝑏− 1) √
𝐻
𝑏(2 −
𝐻
𝑏)]
Para encontrar el volumen tenemos que multiplicar por la longitud “L” del cilindro,
quedando así:
𝑉 = 𝐿 [𝜋
2𝑎𝑏 + (𝑎𝑏)𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (
𝐻
𝑏− 1) + (𝑎𝑏) (
𝐻
𝑏− 1) √
𝐻
𝑏(2 −
𝐻
𝑏)]
91
Finalmente, el cálculo del volumen de un tanque de almacenamiento cilíndrico con
casquetes semiesférico en los extremos quedaría de la siguiente forma, donde “L”
es la longitud, “R” el radio y “H” la altura del líquido:
Gráfico 42 Tanque de almacenamiento cilíndrico con casquetes semiesférico en los extremos
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
𝑉 = 𝐿 [𝑅2𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (𝑅 − 𝐻
𝑅) − (𝑅 − 𝐻)(𝑅)𝑠𝑒𝑛 (𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (
𝑅 − 𝐻
𝑅))] +
𝜋𝐻2(3𝑅 − 𝐻)
3
92
Anexo 4: Diseño, Instalación y Guía de Usuario
La presente solución pretende automatizar el proceso de medición de carga y
descarga en los tanques de almacenamiento de gasolina, mediante un sensor de
ultrasonido que medirá el nivel del líquido en el tanque y mediante un
microcomputador como es el Raspberry Pi la señal se acondicionará y se
amplificará para poder procesarla a través de algoritmos computacionales que nos
devolverán el volumen del tanque. Este microcomputador tendrá interfaces
electrónicas desarrolladas en Python, una base de datos en MySQL, un servidor
de aplicaciones web WildFly y un software desarrollado en Java al que llamaremos
Control Center.
Requerimientos del diseño
La solución tecnológica esta divida en tres partes importantes, las cuales
detallaremos a continuación:
Interfaces electrónicas:
• Disparadores independientes por sensor y actuador
• Fácil acople y parametrización con las capas de software superiores
• Programación automática de disparo
• Flexibilidad para integrar nuevos sensores y actuadores
Aplicación web:
• Interfaz de usuario intuitiva
• Responsiva
• Servicios web integrados y seguros
• Aplicación modular
• Visualización de información en tiempo real
93
• Generación de reportes estadísticos
• Desarrollo basado en patrones de diseño de software
• Código limpio, seguro y de fácil mantenimiento
Controlador electrónico:
• Microcomputador con alta capacidad de computo
• Velocidad de respuesta inmediata
• Orquestación de software
• Sistema operativo Linux
• Bajo consumo energético
• Automatización basada en perfiles y scripts
Arquitectura del diseño
El diseño propuesto está constituido por un enlace de comunicaciones a través de
Ethernet el cual se conectará a un equipo de enrutador con el que podrá salir hacia
internet. Este equipo tiene configurado el servicio de DNS público con el que el
usuario final accederá al aplicativo de manera segura.
Todas las peticiones recibidas son llevadas hasta un orquestador, el cual es un
componente de software que se encarga de las reglas de negocio y enrutamiento
interno entre diferentes componentes del controlador. El controlador Raspberry Pi
tiene instalado el sistema operativo Linux cuya distribución es Raspbian. Este
sistema tiene instalado los controladores y módulos necesarios que permiten
conectar las interfaces electrónicas con el kernel de Linux, esta característica
ayudará a acoplar los sensores y actuadores de una manera sencilla y flexible.
Segundo, se tiene instalado una base de datos MySQL, en cual desplegaremos
nuestro modelo lógico de datos en la que se almacenara la información de los
sensores, parámetros y estados.
94
Tercero, se instalará un servidor de aplicaciones WildFly, en el que se ejecutará
nuestra aplicación web, adicional, se configurará un pool de datos, con el que
garantizaremos un mejor rendimiento con las conexiones a la base de datos.
Cuarto, se desarrollará un disparador, el cual es un componente de software que
permiten programar eventos periódicamente, este será usado para tomar lecturas
de los sensores, activar y desactivar las válvulas electrónicas.
Gráfico 43 Arquitectura del diseño
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Componentes de la solución tecnológica
Raspberry Pi: Microcomputador con altas características de cómputo, bajo costo,
en el cual podemos desarrollar diversos proyectos de manera sencilla, gracias a
todos los módulos y componentes que se pueden conectar. Tal como vemos en
el siguiente gráfico.
95
Gráfico 44 Microcomputador Raspberry Pi
Elaboración: Raspberry Pi Foundation.
Fuente: (Raspberry PI 3 modelo B, 2018)
Sensor de Ultrasonido: Sensor que permite medir la velocidad con que una onda
de sonido sale e incide nuevamente en el sensor, de manera que, mediante una
ecuación matemática con un factor preconfigurado, podemos determinar la
distancia entre el objeto y el sensor. Ver gráfico 44.
Gráfico 45 Sensor de ultrasonido
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
96
• Alimentación de 5 volts • Interfaz sencilla: Solamente 4 hilos Vcc, Trigger, Echo, GND • Rango de medición:2 cm a 400 cm • Dimensiones del módulo: 45x20x15 mm. • Corriente de alimentación: 15 mA • Frecuencia del pulso: 40 KHz • Apertura del pulso ultrasónico: 15º • Señal de disparo: 10uS
Válvula Electrónica: Este dispositivo permite abrir o cerrar una pequeña
compuerta, la cual controlará la entrada o salida de un fluido. Este actuador tiene
que ser acoplado mediante componentes electrónicos que actuaran como interfaz
hacia la Raspberry Pi. Ver Gráfico 45.
Gráfico 46 Electroválvula de 110v
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
• Tamaño de la rosca: 1/2" (Nominal NPT) • Electroválvula en Angulo de 90° • Presión de trabajo: 0.02Mpa - 0.8Mpa • Temperatura de trabajo: 1ºC a 75ºC • Tiempo de respuesta (abierta): <= 0.15 seg • Tiempo de respuesta (cerrada): <= 0.3 seg • Voltaje de trabajo: 12VDC
97
Tarjeta MicroSD: Dispositivo que permite almacenar información, se utilizarán
una MicroSD de 64Gb, en esta tarjeta se instalará el sistema operativo Raspbian
y los principales módulos de software. Ver Gráfico 46.
Gráfico 47 Tarjeta MicroSD para almacenar el sistema operativo
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Pantalla LCD 16X2: Dispositivo electrónico que permite visualizar caracteres,
esta nos permitirá visualizar los principales estados de sistema de telemetría y
telecontrol. Ver Gráfico 47.
Gráfico 48 Pantalla LCD 16X2
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Sensor de temperatura: Dispositivo electrónico que permite obtener la
temperatura mediante una sonda que transforma la señal recibida en digital con
una alta precisión de lectura.
98
Gráfico 49 Sensor de temperatura digital
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: (DS18B20 sensor de temperatura para líquidos con Arduino, 2018)
• Voltaje de Operación: 3.0V – 5.5V • Rango de Trabajo: -55℃ hasta +125℃ (-67°F / +257°F) • Cables: Rojo (+VCC), Blanco (DATA), Negro (GND) • Protocolo 1-Wire, solo necesita 1 pin para comunicarse. • Identificación única de 64 bits. • Precisión en el rango de -10°C hasta +85°C: ±0.5°C. • Resolución seleccionable de 9-12 bits • A prueba de Agua • Longitud de cable: 1m
Sensor de Flujo: Dispositivo electrónico que permite medir la velocidad de un
fluido que pasa de un tubo, este componente nos permitirá medir la velocidad con
que se llena el tanque de almacenamiento, a su vez que podemos determinar el
tiempo restante de llenado y automatizarlo.
Gráfico 50 Sensor de medición de caudal
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: (Sensor de Flujo YF-S201 para Agua, 2014)
99
• Voltaje de funcionamiento: 5V-24V • Máxima corriente: mA (DC 5V) • Humedad de funcionamiento: 35% ~ 90% RH • Presión de trabajo: 1.75Mpa bajo • Temperatura: -25 ° C ~ +80 ° C • Rango de caudal: 1 ~ 60 L/min • Temperatura de funcionamiento: 0 ° C ~ 80 ° C • Temperatura del líquido: <120 ° C
Módulo de Relays: Dispositivo electrónico que actuará como interfaz de conexión
con las válvulas electrónicas y el microcomputador Raspberry Pi, activando o
desactivando mediante una señal de voltaje bajo. Ver Gráfico 50.
Gráfico 51 Módulo de componentes de conmutación Arduino
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: (Llamas, 2016)
• Aislamiento Si • Canales 4 (independientes protegidos con Optoacopladores) • LED indicador Para cada canal (cuando bobina está activa) • Tamaño 6.8cm x 4.9cm x 1.6cm • Voltaje de operación 250VAC/30VDC • Voltaje de la bobina (relé) 5V • Corriente de operación 10ª • Corriente de activación por relé 15mA~20mA
Se muestra todos los componentes a utilizar dentro de esta investigación. Ver
Gráfico 51.
100
Gráfico 52 Componentes de cómputo y electrónicos para el diseño del prototipo
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Sistema Operativo Raspbian: En esta investigación se utilizará el sistema
operativo Raspbian Stretch Lite Versión Jun 2018, el cual está basada en la
distribución liviana de Linux Debian.
Gráfico 53 Software Raspbian
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
101
Pasos para instalar Raspbian:
1. Descargar la imagen ISO que contiene el sistema.
Gráfico 54 Descargar la imagen ISO del sistema
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Para descargar la imagen ISO Raspbian Stretch Lite, ir al siguiente enlace:
https://downloads.raspberrypi.org/raspbian_lite_latest.
2. Inserta la tarjeta microSD en tu computador.
Para instalar el sistema operativo, se necesita una tarjeta MicroSD, además de
ser usada como dispositivo de almacenamiento.
102
Gráfico 55 Tarjeta MicroSD
Elaboración: Sandisk MicroSD
Fuente: (Sandisk MicroSD 16GB, s.f.)
Posteriormente se formatea e instala la distribución de Linux Raspbian Stretch en
la MicroSD, es necesario descargar e instalar el aplicativo llamado Etcher, el cual
lo podrás encontrar en la siguiente ruta: https://etcher.io/, esta herramienta permite
instalar el sistema operativo de una manera sencilla y preconfigurada. Ver Gráfico
55.
Gráfico 56 Formatear e instalar la distribución de Linux en la microSD
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
3. Habilitar SSH
Para poder conectarnos a la consola, es necesario habilitar el acceso
mediante SSH, para lo cual se debe crear un archivo “ssh” sin extensión
en la partición boot de la microSD. Ver Gráfico 56.
103
Gráfico 57 Habilitando el acceso mediante SSH
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
4. Iniciar la Raspberry Pi
Una vez listo todos los archivos, se insertar dentro de la Raspberry Pi la tarjeta
microSD y se conecta el cable de red y alimentación de corriente para iniciar
el proceso de arranque. Ver Gráfico 57.
Gráfico 58 Preconfigurando la Raspberry Pi
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
5. Conectarse remotamente a la Raspberry mediante SSH
Para conectarse a la Raspberry Pi, se utiliza la herramienta PuTTY, en el cual
pondremos el usuario y la contraseña predeterminado, para posteriormente
cambiar la contraseña. Ver Gráfico 58.
104
• username: pi
• password: raspberry
Gráfico 59 Conexión mediante PuTTY a la Raspberry mediante SSH
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Gráfico 60 Consola de Linux mediante conexión SSH
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
105
6. Proceso de Inicialización
Se configurará varios archivos scripts, que servirán como inicializadores de
configuraciones al momento de arrancar la Raspberry Pi.
Abrir el archivo rc.local con la herramienta nano y editar.
# nano /etc/rc.local
#!/bin/sh -e
python /root/sistema/lcd.py "RASPBERRY PI" "INICIANDO"
iptables-restore < /etc/iptables.rules
echo 44 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio44/direction
chmod 777 /sys/class/gpio/gpio44/value
echo 26 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio26/direction
chmod 777 /sys/class/gpio/gpio26/value
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio44/value
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio26/value
sleep 10
python /root/sistema/lcd.py " RASPBERRY PI " "WILDFLY INICIANDO"
/etc/init.d/wildfly start
echo "SERVIDOR WILFLY INICIALIZADO"
python /root/sistema/lcd.py "RASPBERRY PI " "WILDLFY EJECUTANDOSE"
echo BB-W1:00A0 > /sys/devices/bone_capemgr.9/slots
106
exit 0
Configurar la interfaz de comunicación con el sensor de temperatura, creamos un
archivo taskDS18B20.sh y agregamos las siguientes líneas de código.
# nano taskDS18B20.sh
#! /bin/bash
echo "ds18b20"
echo "1616"
echo "C1S5"
cat /sys/bus/w1/devices/28-001414ab79ff/w1_slave | grep -o "t=.*" | egrep -o '\-
?[0-9]*\.?[0-9]*'
Para configurar las interfaces que se comunicaran con los actuadores, tenemos
los siguientes scripts activar.sh y desactivar.sh, los cuales activaran o
desactivaran las válvulas electrónicas.
#nano activar.sh
#! /bin/sh
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio44/value
python /root/sistema/lcd.py " RASPBERRY PI " "ACTIVANDO AHORA"
"VALVULA DE DESCARGA" "ENCENDIDA"
# nano desactivar.sh
#! /bin/sh
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio44/value
107
python /root/sistema/lcd.py " RASPBERRY PI " "DESACTIVANDO AHORA" "
VALVULA DE DESCARGA " "APAGADA"
Se creará un disparador de tareas programadas automáticamente, para lo cual
utilizaremos el comando crontab –e, que permite programar siguiendo el patrón:
minutos |horas|días|mes|dia de la semana|usuario|comando_a_ejecutar
* todos
# crontab –e
# m h dom mon dow command
*/10 * * * * /root/sistema/sensorTemperatura.sh
*/10 * * * * /root/sistema/sensorNivel.sh
7. Instalar MySQL en Raspbian
sudo yum --enablerepo=mysql80-community install mysql-community-server
sudo apt install mysql-server php-mysql
grep 'A temporary password is generated for root@localhost' /var/log/mysqld.log
|tail -1
sudo mysql_secure_installation
108
sudo mysql -u root -p
mysql> CREATE USER 'root'@'%' IDENTIFIED BY 'root';
mysql> GRANT ALL PRIVILEGES ON *.* TO 'root'@'%' WITH GRANT OPTION;
FLUSH PRIVILEGES;
SET lc_time_names = 'es_ES';
Una vez finalizada la instalación de MySQL en Linux, crearemos nuestro esquema
de base datos tal como se muestra en el siguiente gráfico.
Gráfico 61 Esquema de la base de dato implementado en MySQL
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Finalmente, tendremos muestra base de datos en donde se almacenará toda la
información que será recolectada por los sensores y actuadores. Ver Gráfico 61.
109
Gráfico 62 Tablas de la base de datos con contenido obtenido por los sensores y actuadores
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Aplicación Web Desarrollo y Guía de Uso
La aplicación web fue desarrollada con el lenguaje de programación Java en la
versión 8, se utilizó también Apache Maven, PrimeFaces, HTML5, FusionCharts,
JPA y librerías de uso genérico.
El sistema este diseñado bajo un patrón de desarrollo de software compuesto
por un modelo de varias capas las cuales son:
• Controlador
• Vista
• Modelos
• Utilerías
• Servicios
• Interfaces
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Esto permite flexibilizar el desarrollo, mantenimiento del código y brindando
seguridad ante vulnerabilidades. Se utilizó el IDE NetBeans, el cual es de código
libre. Dentro del proyecto se crearán todas las clases y objetos a utilizar dentro del
sistema web, la lógica de negocios y conexión con base de datos. Ver Gráfico 62.
Gráfico 63 IDE de desarrollo Java NetBeans
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Para la conexión con la base de datos, utilizaremos un pool de datos llamado
proyectos, el cual lo creamos dentro del servidor de aplicaciones WildFly como se
puede ver el siguiente gráfico.
111
Gráfico 64 Pantalla de configuración de pool de datos – Servidor WildFly
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Luego, en NetBeans procedemos a invocar el pool de datos dentro del archivo
persistence.xml. Ver Gráfico 64.
Gráfico 65 Archivo persistence.xml para configuración de pool de datos
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Una vez, finalizado el desarrollo del software, procedemos a ejecutar el aplicativo.
112
Gráfico 66 Servidor de aplicaciones WildFly corriendo el sistema web
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
El sistema tiene dos módulos importantes el primero llamado Control, que es
donde encontraremos la información en tiempo real del nivel de tanque, volumen,
temperatura y costo por volumen cargado. Además, de poder activar o desactivar
las válvulas electrónicas de carga y descarga del tanque de almacenamiento de
manera remota.
Podemos también visualizar los parámetros preconfigurados o información
adicional del sistema. Ver Gráfico 66.
113
Gráfico 67 Pantalla de control – monitoreo en tiempo real
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Como segundo módulo importante tenemos, el análisis de datos, en el cual se
implementan algoritmos estadísticos que describen a la muestra de datos tomada
de manera, que se puedan tomar decisión basada en la información en el menor
tiempo posible.
Para lo cual, tenemos que seleccionar el rango de fecha inicial y final, queremos
observar. Adicional, se selecciona el indicador que puede ser: volumen,
temperatura o costo, una vez seleccionado los parámetros procedemos a dar clic
en buscar y esperamos a que se despliegue la información. Ver Gráfico 67.
114
Gráfico 68 Pantalla de análisis – selecciona parámetro indicador
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Gráfico 69 Pantalla de análisis – selecciona rango de fecha
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
115
Finalmente, podemos revisar en una serie temporal de daros como se tomaron las
muestras a lo largo del tiempo y para un análisis en profundidad, una herramienta
estadística que nos permite obtener todos los parámetros descriptivos de la
muestra tomada. Este algoritmo es capaz de discriminar datos atípicos. Ver
Gráfico 69.
Gráfico 70 Análisis estadístico – serie temporal de datos
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Gráfico 71 Análisis estadístico descriptivo
116
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Gráfico 72 Análisis descriptivo – diagrama de caja
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Gráfico 73 Análisis descriptivo – datos atípicos en la muestra
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
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Como información adicional, se creó una funcionalidad que permite generar
reportes gerenciales basados en los datos obtenidos, tal como se muestra en la
siguiente gráfica.
Gráfico 74 Reporte gerencial de inventario mensual de gasolina
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Integración con el diseño prototipo.
Una vez terminado el software se procede a integrar todos los componentes
desarrollados para realizar las pruebas técnicas de los escenarios descritos en
esta investigación. Para lo cual, se dispone de un tanque pequeño con el que
simularemos el contenedor de gasolina, unas bombas de agua y los dispositivos
electrónicos de acople, tal como se muestra a continuación.
118
Gráfico 75 Prototipo de sistema de monitoreo y control de tanques de almacenamiento de gasolina
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
Se integra el sensor de flujo de agua a la bomba principal, con la que simularemos
la carga y descarga de la gasolina. Ver Gráfico 75.
Gráfico 76 Instalando el sensor de flujo a la tubería de la bomba de agua
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
En la pantalla LCD de 16X2 se podrá observar información relevante del estado
de sistema y valores medidos. Ver Gráfico 76.
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Gráfico 77 Pantalla LCD de 16X2 midiendo el nivel del agua
Elaboración: Hamilton Chamorro
Fuente: Datos de la investigación
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Anexo 5: Licencia gratuita intransferible y no exclusiva para el uso no
comercial de la obra con fines no académicos.
Yo, Chamorro Salazar Hamilton Gabriel con C.I. No. 0923900203, certifico que
los contenidos desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo título es “Diseño
de un sistema inteligente de monitoreo y control en tiempo real para tanques de
almacenamiento de gasolina utilizando tecnología de hardware y software libre
para pequeñas y medianas empresas.” Es de mi absoluta propiedad y
responsabilidad Y SEGÚN EL Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA
ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN*, autorizo el uso de una licencia gratuita intransferible y no
exclusiva para el uso no comercial de la presente obra con fines no académicos,
en favor de la Universidad de Guayaquil, para que haga uso de este, como fuera
pertinente.
_________________________
Chamorro Salazar Hamilton
Gabriel