4.3. Conectados, listos, ¡ya!

Diccionario

Acrónimo

La imagen muestra el significado del acrónimo STEAM con letras en varios colores

Definición: Es el vocablo formado por la unión de letras de varios términos que puede ser pronunciado como una palabra.
Ejemplo: La palabra OVNI es en realidad un acrónimo formado por las iniciales de Objeto Volante No Identificado.

Corriente

La imagen muestra un tubo por el que circulan a través de una sección, establecida por un plano secante, una serie de pequeñas bombillas con signo menos que van en la dirección que indica una flecha roja.

Definición: Es la medida de la cantidad de carga eléctrica que atraviesa una determinada sección de un conductor de un circuito cerrado en la unidad de tiempo. También recibe el nombre de intensidad y se mide en Amperios.
Ejemplo: La corriente que circula por ese cable es tan alta que resulta peligrosa.

Estimulo

La imagen muestra un termómetro con indicación de frío y calor al lado de una botella de la que emana una nube de gas y debajo una nube con lluvia y una oreja a la que llega una onda de sonido.

Definición: Es todo agente capaz de hacer que se active un determinado dispositivo de captación.
Ejemplo: Un sensor es un dispositivo capaz de captar el valor de estímulos procedentes del entorno en el que se encuentra.

Pines

La imagen muestra los grupos de pines de conexión de la placa micro:bit.

Definición: Es cada uno de los terminales metálicos de una placa microcontroladora a los que se puede realizar la conexión de un cable.
Ejemplo: La placa Micro:bit tiene pines de conexión con distinto ancho en su parte inferior.

Protocolo

La imagen muestra tres direcciones IP con las central enmarcada por una etiqueta

Definición: Es un conjunto de normas que regulan un determinado servicio o la comunicación de información entre sistemas o dispositivos.
Ejemplo: El protocolo de comunicación de Internet se llama TCP/IP.

Resistencia (componente)

La imagen muestra varias resistencias electrónicas fijas

Definición: Es el componente eléctrico que cumple la función de dificultar el paso de la carga eléctrica a través suyo.
Ejemplo: He colocado una resistencia fija en el circuito que protege al resto de componentes.

Resistencia (magnitud)

La imagen muestra la letra griega omega mayúscula.

Definición: Es la medida de la oposición al paso de una corriente eléctrica a través de un material.
Ejemplo: Los materiales aislantes de la electricidad se caracterizan por tener una muy alta resistencia eléctrica.

Tensión

La imagen muestra en blanco y negro unas torres de transporte de energía eléctrica en un paisaje

Definición: Es aquello que indica la energía que se transmite a una carga eléctrica en un determinado circuito. También recibe el nombre de diferencia de potencial o de voltaje (en referencia a la unidad en que se mide que es el Voltio).
Ejemplo: La tensión en los enchufes de nuestras casas es de alrededor de 230 Voltios.

Por fin vas a entrar en la recta final de todo lo que necesitas saber para poder cumplir con tu reto de realizar una instalación de iluminación dotada de inteligencia para tu salón.

Una vez que conoces qué son los sensores y los actuadores, ya puedes añadir un microcontrolador, que mediante un programa, gesitone el funcionamiento y la conexión de esos elementos para que se comuniquen de cara interactuar entre ellos.

En el mercado existen muchos microcontroladores diferentes, por lo que hay que elegir uno. Por su sencillez y potencia te aconsejo que te centres en Micro:bit, que a buen seguro ya conoces.

En este apartado vas a trabajar en la conexión de elementos a la placa microcontroladora y en cómo se pueden conectar para que se comuniquen a distancia. Como supongo que ya sabes, todo ello se programa en el entorno MakeCode.

Dicho esto, es momento de que empieces ¡ánimo!

1. Conexiones con Micro:bit

Cómo has visto antes, un sistema IoT dispone de unos sensores que captan información para que se pueda dar a los estímulos captados una respuesta controlada mediante unos actuadores. Pero, tanto unos como otros (sensores y actuadores) pueden estar separados y comunicarse a distancia automáticamente gracias a su interconexión.

Esto lleva a que lo primero en lo que hay que centrarse es en aprender a conectar sensores y actuadores a las placas microcontroladoras que, más tarde, se comunicarán entre sí.

La conexión de elementos externos a la placa te va a permitir ampliar muchísimo las posibilidades de actuación en la Smart Home,

Algunos aparatos ya integran estos elementos en un solo dispositivo, de hecho, si lo piensas bien, la placa Micro:bit ya incorpora algunos sensores y actuadores, pero es interesante que aprendas que también se le pueden conectar otros elementos externos.

Para que entiendas cómo hacer funcionar los sensores y actuadores que conectes a una placa micro bit debes tener claras unas cuantas ideas básicas:

La electricidad es la clave

Funcionan con electricidad, por lo que habrá que aplicarles una tensión que generará pequeñas corrientes.

Para ello, ya sabes que en la placa Micro:bit hay unos terminales (llamados pines) que están a 3 voltios (3V) y otros a cero voltios (llamados tierra o GND por la abreviatura del término en inglés "ground").

Datos

La mayor parte de los terminales de la placa Micro:bit pueden recibir o enviar datos al elemento conectado.

Los datos en realidad son valores de tensión. Básicamente hay dos grandes tipos analógicos y digitales.

Digitales: Solo hay dos posibles valores, por ejemplo, encendido (3,3V) o apagado (0V).
Analógicos: Pueden tomar cualquier valor entre dos extremos, por ejemplo, el nivel de luz de una habitación. No solo puede estar con o sin luz, si no que entre medias puede haber una luz más o menos intensa. Micro:bit puede distinguir entre 1024 valores diferentes. Realmente los pines solo pueden emitir 3,3V ó 0V, pero con el "truco" de encender y apagar el voltaje rápidamente y controlando el tiempo en cada estado, se consiguen señales intermedias. A este "truco" se le llama modulación de ancho de pulso (Pulse Width Modulation o PWM por sus siglas en inglés).

Las señales digitales o analógicas no son más que valores de tensión que el microprocesador de la placa interpreta como un dato y actúa según le indique su programación.

Componentes con placa o sin ella

Te encontrarás sensores y actuadores que vienen montados en una pequeña placa que incluye otros elementos auxiliares (como resistencias) y además tiene sus patillas con una rotulación que indica donde deben conectarse.

Sin embargo, en otros casos los puedes encontrar sin esa placa, por lo que hay que conectar sus extremos directamente y añadirle aparte los elementos auxiliares que necesitara.

En las imagenes puedes ver un ejemplo de lo que te acabo de decir para el caso del sensor de luz.

Conexión

A la hora de conectar un sensor o un actuador externo a la placa micro bit hay que tener en cuenta que hay que alimentarlo de corriente eléctrica y permitir el intercambio de datos.

Para obtener la electricidad necesaria hay que conectar dos polos opuestos representados por pines de 3V y GND, respectivamente. Para el intercambio de datos se usan los pines analógicos y digitales que más tarde habrá que identificar en la programación.

La imagen muestra los grupos de pines de conexión de la placa micro:bit.

Para que lo veas más claro. Consulta los ejemplos que encontrarás más adelante, en el siguiente apartado.

Placa de expansión (adaptador para Micro:bit)

Si observas los pines de Micro:bit verás que hay algunos muy anchos con un agujero encima y otros más finos.

Los primeros permiten que los cables se conecten directamente de forma sencilla, bien enrollándolos a través del agujero o usando pinzas de cocodrillo.

Sin embargo, los segundos necesitan de un adaptador que permita introducir Micro:bit en una ranura para conectar sus pines con unas patillas metálicas donde poder situar los cables, dando acceso a los pines adicionales, tal como se muestra en las imágenes a continuación. En ellas puedes ver un adaptador y los tipos de pines de Micro:bit.

La imagen muestra un adaptador para usar los pines de una placa Micro:bit que se indica cómo se conecta mediante una flecha roja

La imagen muestra los tipos de pines de una placa micro:bit.

De esta manera, cuando tengas que conectar más componentes simultáneamente a una misma placa, no tendrás que preocuparte por la falta de pines para hacerlo, ya que con este adaptador puedes usarlos todos.

Para que veas cómo se utiliza, observa detenidamente los ejemplos que podrás encontrar un poco más adelante, en el siguiente apartado.

2. Ejemplos de conexión a Micro:bit

Vistas las generalidades, toca centrarse en hacer un par de ejemplos sencillos de conexionado, acompañados de su correspondiente programación.

Vas a empezar por ver como conectar y programar un sensor de luz y después un actuador, en este caso un LED RGB.

Sensor de luz

Un sensor de luz es aquel que detecta la intensidad de iluminación en un determinado momento, ofreciendo datos acerca de la mayor o menor oscuridad de un determinado espacio.

En realidad es un tipo de resistencia, llamada fotoconductor, célula fotoeléctrica o, más comúnmente, LDR (por sus siglas en inglés Light Dependent Resistor o resistencia dependiente de la luz).

La LDR modifica su valor de resistencia dependiendo de la luz que recibe. Cuanta más luz le llega, menor es el valor de la resistencia que tiene.

¿Cómo se puede conectar a la placa Micro:bit? Muy sencillo, solo tienes que observar los siguientes esquemas, el primero directamente y el segundo utilizando el adaptador de pines:

La imagen muestra una placa micro bit unida mediante un cable rojo que sale desde el pin de 3V a una patilla de un sensor LDR, con un cable negro que sale de GND hasta una resistencia fija que se une a la otra patilla de la LDR de donde sale el último cable de color verde que se une al pin número cero de la placa

La imagen muestra una LDR integrada en una placa y conectada al adaptador de pines de Micro:bit

Te lo explico:

Como ves una patilla se conecta directamente a 3V y la otra lo hace, por un lado, a tierra (pin GND) atravesando una resistencia fija (incorporada a la placa en el segundo caso) y por el otro lado, se conecta directamente al pin número cero.

El pin 0 es analógico, porque la iluminación puede tomar más de dos valores.

Si fuera digital, solo podría informar de si hay o no luz, pero en el caso analógico dice si hay más o menos luz.

Programación del sensor de luz

Una vez que has conectado el sensor de luz a la placa, lo siguiente que tienes que hacer para que el conjunto funcione, es la programación de las instrucciones que hay que seguir para obtener el resultado buscado.

Vas a ver a continuación la solución, en el entorno de programación MakeCode, del caso en que la matriz de leds de Micro:bit deba mostrar la lectura de un sensor de luz externo.

Observa detenidamente qué instrucciones se utilizan y cómo se combinan los bloques entre sí.

La imagen muestra los bloques de Makecode para fijar en la matriz de leds de la placa la lectura del pin 0 al que se ha conectado un sensor de luz externo.

LED RGB

Un LED RGB toma el nombre del diodo emisor de luz (traducción del acrónimo inglés LED, "Light Emitting Diode") de colores obtenidos por la mezcla de rojo, verde y azul (cuyas iniciales en inglés son respectivamente R, G y B) que es capaz de generar millones de tonos diferentes.

Se trata de un actuador lumínico que tiene cuatro patillas una para gestionar cada color y otra para conectar a GND o 3V según el caso.

¿Cómo se conecta a la placa Micro:bit? Solo tienes que ver las siguientes imágenes.

La imagen muestra una placa micro bit conectada mediante cuatro cables a un LED tipo RGB. Un cable negro lo conecta directamente al pin GND, mientras el restos de patillas se conectan mediante un cable a una resistencia fija y a un pin analógico. El cable azul va al pin cero, el verde al uno y el rojo al dos.

La imagen muestra un LED RGB integrado en una placa y conectado al adaptador de pines de Micro:bit

Te lo explico:

En la primera imagen, cada patilla del LED se conecta a un terminal de la placa.

La patilla que conecta la tierra se une mediante el cable negro al pin GND. La que conecta el color rojo se une, a través de una resistencia fija con el cable rojo, al pin 2, la del verde, con el cable de color verde, al pin 1 y la del azul, con el cable de color azul, al pin 0. Estas dos últimas conexiones también utilizan resistencias fijas, que en todos los casos actúan para proteger al LED de una intensidad de corriente superior a la que soportaría.

En la segunda imagen, el LED viene integrado en una placa que incorpora las resistencias necesarias y tiene 4 patillas que se conectan a los terminales del adaptador.

La patilla "V" se conecta a un pin de tensión mediante el cable rojo. La "R", que conecta el color rojo, se une con el cable magenta, al pin 1, la "G" del verde, va al pin 2 con el cable de color verde y la "B" del azul, llega al pin 0 con el cable de color azul.

Todos los pines de datos son analógicos, para poder gestionar la intensidad de cada color en cada momento, según se programe, estableciendo la mezcla específica que dé como resultado un determinado tono de color.

Programación del LED RGB

Una vez que has conectado el LED RGB a la placa, lo siguiente que tienes que hacer para que el conjunto funcione, es la programación de las instrucciones que hay que seguir para obtener el resultado buscado.

Vas a ver a continuación, para el caso del LED que no tiene placa, la solución, en el entorno de programación MakeCode, del caso en el que al pulsar el botón A, se encienda el LED RGB con una combinación de valores de 69 para el rojo, 218 para el azul y 15 para el verde. Al pulsar el B, apagarlo.

Observa detenidamente qué instrucciones se utilizan y cómo se combinan los bloques entre sí.

Para el caso del LED que tiene placa, se hace al contrario. Observa que el LED no se conecta a tierra (GND), sino a 3V, por lo que a la hora de programarlo, los valores van al contrario, ya que la tensión entre un puerto con valor 1023 (valor alto) y el de 3V es cero y al contrario cuando es 0 (valor bajo).

3. ¡Programa ya de una vez!

Prepara un programa para el control de un elemento externo conectado a la placa Micro:bit.

Tienes dos opciones distintas con dificultad creciente. Escoge la que creas que mejor se adapta a tus conocimientos.

Opción A: Ordena

Ordena los siguientes pasos para que al pulsar el botón A se encienda un LED RGB conectado a la placa micro:bit con un color determinado y al pulsar el botón B, se apague.

Coger la placa Micro:bit con su cable USB, un LED RGB, tres resistencias fijas y cables con pinza de cocodrilo para conexiones.
Unir los elementos entre sí, conectando las tres patillas más cortas a los pines de datos a través de las resistencias fijas y la más larga a tierra.
Abrir MakeCode y crear un programa nuevo.
Arrastrar al área de programación el bloque "al presionarse el botón A".
Arrastrar los bloques correspondientes a la escritura analógica en cada pin de datos hasta el interior del bloque del botón A.
Comprobar que los pines elegidos corresponden con cada patilla y que el valor analógico es el adecuado para el color elegido.
Una vez comprobado el botón A, duplicarlo y cambiarlo a B.
Cambiar los valores del botón B para que se apague el LED.
Conectar la placa al puerto USB del ordenador y cargarle el programa creado.
Comprobar que el programa funciona.

Opción B: Diseña

Poneros en pareja y conectad el LED RGB a la placa Micro:bit, tal como se ha visto anteriormente.

Seguidamente programad en el entorno MakeCode lo que se indica a continuación.

Mientras haga lo que se pide sois libres de añadir efectos como sonidos o patrones con la matriz de leds... Echadle imaginación y a ver que os sale.

Parpadeo

Programad el LED para que parpadee con un determinado color a elegir por vosotros.

El color según un número

Programad el LED para que su color dependa del número aleatorio que genere la placa.

Estableced al menos tres intervalos de números con tres colores diferentes.

Parpadeo con incremento de intensidad

Programad el LED para que parpadee en un color elegido por vosotros de manera que empiece con poca intensidad y esta se vaya incrementando en cada parpadeo.

El color según la temperatura

Programad el LED para que luzca con un color diferente según el valor de temperatura medido por la placa.

Estableced al menos tres niveles diferentes.

4. Juntos pero no revueltos

La imagen muestra una placa micro:bit, una resistencia fija, una LDR y un LED RGB, todos sin conexión. .

En primer lugar, poneros en pareja.

Antes habéis visto cómo conectar y programar un sensor de luz y un LED RGB por separado.

Ahora podéis probar a conectarlos a una misma placa y programar una acción conjunta de los dos, por ejemplo:

Al tocar el botón A, que se muestre en la matriz de leds el valor del nivel de iluminación y si es menor de 800, que se encienda el LED RGB en color rojo, si es menor de 500, que se encienda en azul y si es menor de 200, en verde.
Al tocar botón B, que se apague el LED y se muestre en la matriz de leds el valor del sensor de luz.

Para ello, podéis seguir los siguientes pasos:

Hacer un dibujo con las conexiones de los elementos mostrados en la imagen.
Crear el programa de control con MakeCode.
Llevarlo a la práctica cargando el programa en una Micro:bit que hayáis conectado siguiendo vuestro dibujo.

Lumen dice ¿Os faltan pines?

Antes habéis visto que para conectar el LED RGB necesitabais usar los pines 0, 1, 2 y GND y para el caso del sensor de luz empleabais el de 3V, el GND y el 0.

Pero si el GND y el 0 ya los tenéis ocupados, entonces ¿qué podéis hacer?

Muy sencillo, utilizar otros, ya que hay más, pero, por si no lo recordáis, aquí os dejo las imágenes que los detallan.

Kardia dice Una curiosidad

¿Sabéis lo que es la cromoterapia?

Si estáis interesados en saberlo podéis acceder al siguiente enlace a la wikipedia para informaros. Comprobaréis que tiene bastante relación con este ejercicio.

5. Modelo de conexión dispositivo a dispositivo

Una de las principales caracterísiticas del IoT, es que se puedan comunicar las cosas entre sí.

Como hay diversas formas de conseguirlo, te progongo que comiences por el modelo de dispositivo a dispositivo utilizando una conexión inalámbrica.

BLE

Para utilizar una conexión del tipo dispositivo a dispositivo resulta de utilidad la conexión mediante BLE (Bluetooth Low Enegy).

Básicamente es el tradicional protocolo de comunicación inalámbrico Bluetooth que empareja unos dispositivos periféricos con otro central para intercomunicarse en un radio de hasta 100 m.

Sin embargo a partir de su versión 4.0 pasa a ser BLE, debido a que incorpora la peculiaridad de que permite un consumo mucho menor de energía, con el consiguiente ahorro de batería, aumentando así la independencia de los dispositivos interconectados.

La imagen muestra varios aparatos domésticos interrelacionados mediante líneas que confluyen en el símbolo de la conexión Bluetooth

Bloques

Para establecer un modelo físico de ejemplo de este tipo de conexión de dispositivo a dispositivo, puedes utilizar perfectamente la comunicación vía radio de las placas Micro:bit para así ver en la realidad algún ejemplo simplificado.

Supón que quieres tomar la temperatura exterior para conocerla cuando te levantas de la cama. Una solución sería que pusieras una Micro:bit en el exterior que captara la temperatura y la transmitiera a otra, vía radio, para mostrártela a través de su matriz de leds.

Aquí tienes las secuencias de bloques que podrías emplear para conseguirlo.

Vídeo

En el siguiente vídeo puedes ver cómo conectar dos Micro:bits entre sí para que puedan comunicarse de forma inalámbrica.

Kardia dice Sabías que...

En marzo de 2015 la Junta de Arquitectura de Internet (Internet Architecture Board), publicó el documento RFC 7452 en el que establece cuatro modelos de comunicación de las cosas y uno ellos es precisamente el llamado "patrón de comunicación de dispositivo a dispositivo".

6. Habla que te escucho

Trabajando en pareja, diseñad un programa en MakeCode para conectar de manera inalámbrica dos placas Micro:bit de forma que se cumplan las siguientes condiciones:

Una de las placas debe transmitir a la otra la lectura de un sensor para que esa otra represente la gráfica con los valores recibidos, usando la matriz de leds.
Paralelamente, la segunda placa envía a la primera los datos de otro sensor para que se muestren sus valores, también mediante su matriz de leds.
Ambas placas deben mostrar cada cierto tiempo un mensaje de texto indicando el nombre de la variable que están representando.
Hay que establecer un sistema de alarma sonora que se active según sea el valor recibido.

La imagen muestras dos Micro:bits que se comunican de forma inalámbrica.

Lumen dice ¿No se os ocurre nada?

Si no tenéis ni idea de qué hacer, os puedo orientar un poco con alguna sugerencia:

Una placa puede tomar el nivel de luz y la otra la temperatura.
A la hora de fijar la alarma, podéis determinar un valor de cada una a partir del cual se active el sonido de alarma. Para la luz puede ser cuando sea menor de 500 y para la temperatura cuando sea menor de 15ºC.

Motus dice ¡Parece que has avanzado mucho!

¿Te has sentido confiado en esta actividad?

Cuando tienes que hacer alguna actividad puedes tener dudas sobre si serás capaz de hacerlo.

Para poder vencer a estos miedos en las nuevas actividades que tengas que hacer sigue estos consejos:

Hay cosas que haces muy bien. Úsalas para hacer la actividad.
Hay cosas que te cuestan un poco hacerlas. Inténtalo y cree en ti. Seguro que te sorprende lo que puedes conseguir.
Hay cosas que son muy difíciles. Fíjate en algún ejemplo, pregunta a tu pareja o pide ayuda a tu profe.

¡Ánimo! ¡Seguro que lo harás genial!

7. Reviso lo que aprendo

Reflexiona un momento sobre todo lo que has aprendido hasta llegar aquí y completa el PASO 3 (Reviso lo aprendido) de tu Diario de aprendizaje.

Recuerda:

Pregunta a tu profesor o profesora si lo vas a rellenar en papel o en el ordenador.
Si lo rellenas en el ordenador, no te olvides de guardarlo en una carpeta que más tarde puedas localizar.

¡Ánimo, que lo harás genial!

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