UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MADRID ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR ANTEPROYECTO FIN DE CARRERA Diseño, desarrollo e implementación del protocolo de monitorización y comunicación entre una nariz electrónica y un Smartphone o computador. Luis Pulido García-Duarte OCTUBRE 2014 1
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Diseño, desarrollo e implementación del protocolo de monitorización y comunicación entre una nariz electrónica y un Smartphone o computador. AUTOR: Luis Pulido García-Duarte TUTOR: Francisco de Borja Rodríguez Grupo de Neurocomputación Biológica (GNB) Dpto. de Ingeniería Informática Escuela Politécnica Superior Universidad Autónoma de Madrid Octubre de 2014 3
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ÍNDICE DE CONTENIDOS MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS... 7 METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO... 9 1. Formación previa.... 9 2. Desarrollo... 9 3. Conclusiones... 10 4. Realización de la memoria del proyecto... 10 MEDIOS A UTILIZAR... 11 A) Hardware... 11 B) Software... 11 REFERENCIAS... 13 5
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MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS Este proyecto se centrará en proporcionar una herramienta que implementa un protocolo de comunicación y monitorización entre una nariz electrónica y un Smartphone. Actualmente no existe ninguna herramienta que proporcione datos en tiempo real de los sensores en un sistema totalmente portátil como es un teléfono móvil. El proyecto está enfocado a narices electrónicas con el objetivo de implementar métodos de análisis complejos y dinámicos, pero será escalable a cualquier tipo de sensor. También se centrará en el uso del Smartphone y de las tablets por su movilidad, aunque se estudiará la posibilidad de adaptar el sistema de comunicación a un PC. La forma de analizar los datos será a través de modelos de ciclo cerrado orientados al análisis de odorantes, como por ejemplo, el modelo desarrollado por el grupo GNB basado en la modulación de la temperatura del sensor [1]. Estos modelos consisten en variar parámetros, tales como la temperatura del sensor, de manera que se puedan parametrizar las curvas características de cada odorante para así discriminar olores. Para ello se analizarán y estudiarán diferentes modelos y se implementarán un conjunto de éstos para probar la herramienta. Dichos modelos serán, por ejemplo, un modelo de rampa, variación de la temperatura de calentamiento del sensor mediante funciones trigonométricas, así como la implementación de modelos empleados en el proyecto de Alejandro Pequeño Zurro, Uso de una nariz electrónica ultra portátil en robots para la detección de fuentes odorantes [2]. La plataforma para alojar dicha herramienta será un dispositivo portátil tipo Smartphone o Tablet con sistema operativo android[3] puesto que la comunicación entre los sensores y el Smartphone se realizará a través del arduino Mega ADK[4] y el Accessory Development Kit (ADK)[5] de Google, diseñado para android. De esta forma se provee un sistema totalmente portátil y se estudiará la posibilidad de comunicar las plataformas a través de bluetooth, otorgando así un mayor aislamiento de la nariz y movilidad para el usuario. La ventaja de usar android y arduino es que son plataformas de software libre y código abierto, lo que genera una comunidad de desarrollo muy amplia y avances en el ámbito tecnológico de gran envergadura, proporcionando así versiones estables, de fácil acceso y continuo desarrollo. La placa de arduino se encargará de alojar los sensores para recoger los resultados, procesarlos y enviarlos al Smartphone para que los pueda representar y analizar. De ésta manera la placa arduino junto con los sensores será la nariz electrónica. Por su parte el Smartphone se encargará de transmitir a la placa la configuración de los puertos de los sensores implicados en el análisis y representará los datos devueltos por la nariz. Además tendrá la posibilidad de modificar parámetros del modelo seleccionado en tiempo real según se observen los resultados. Este proyecto combina la electrónica necesaria para el acondicionamiento de sensores químicos resistivos conectados en una placa de arduino y el software necesario tanto para el análisis como para la comunicación entre plataformas, además del software correspondiente a la parte de la interfaz gráfica. 7
De esta manera se proporciona una herramienta para observar y modificar parámetros en tiempo real en el sensor, por lo que no sólo es una herramienta de monitorización, sino también una herramienta para el estudio e investigación de modelos de análisis de ciclo cerrado y el comportamiento de dichos modelos. Así se logra desarrollar una herramienta no sólo para el estudio y análisis en tiempo real de modelos, sino también para ver el comportamiento de distintos sensores ante un mismo elemento o extraer datos para su posterior análisis o para entrenar distintos sistemas. Esta herramienta permite, además de ajustar los parámetros, probar los resultados obtenidos en distintos análisis para corroborar si la predicción, la hipótesis y el modelado eran acertados. Por parte del alumno, el objetivo es la iniciación al desarrollo e investigación en comunicaciones entre dispositivos móviles y una nariz electrónica dando lugar así a crear y usar un protocolo de comunicación entre dispositivos, aprender a programar aplicaciones para dispositivos Android y aprender el lenguaje de programación Java, lenguaje que no se imparte en la carrera. Por otro lado, también se instruirá en la familiarización y formación en la plataforma arduino, investigar e implementar modelos de análisis para odorantes a través de narices electrónicas, trabajar en un entorno multidisciplinar, saber analizar problemas y plantear soluciones escalables. 8
METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO La realización de este proyecto seguirá la siguiente distribución de trabajo: 1. Formación previa. Lectura y estudio de la plataforma Android: funcionalidades y características del sistema operativo, tanto a nivel software como en usabilidad. Aprendizaje y familiarización con el entorno de programación de Android, en este proyecto se optará por la nueva plataforma de Android Studio. Lectura y estudio de la plataforma Arduino: funcionalidades y características de la plataforma así como un análisis detallado de la placa a usar en este proyecto. Aprendizaje y familiarización con el entorno de programación de Arduino, cuyo lenguaje está basado en C. Estudio del uso del ADK: funcionalidades y métodos que provee la plataforma. Aprendizaje y familiarización con el entorno de programación Java. Análisis y estudio del estado del arte de las narices electrónicas, funcionamiento y búsqueda de algoritmos útiles para nuestro estudio. Lectura de literatura sobre modelos de análisis de odorantes. Análisis y estudio de la posibilidad de integrar bluetooth en la comunicación para aislar la nariz del usuario que la pueda manipular. Análisis y estudio de la posibilidad de hacer la plataforma para PC: estudiar la posibilidad de adaptar la interfaz desarrollada para Smartphone y Tablet a un ordenador. Análisis y estudio para crear un servidor donde alojar los datos para futuras consultas desde una plataforma WEB. 2. Desarrollo Implementación de las diferentes clases en Java que realizarán las funcionalidades que se le va a dar a la aplicación final. Creación del código para la comunicación entre el Arduino y el dispositivo Android. Implementación del código para captura de datos y análisis por parte de Arduino. 9
Diseño de la interfaz con el usuario en el entorno Android. Establecimiento de distintos modelos de análisis para comprobar el funcionamiento de la herramienta. 3. Conclusiones Análisis de la aplicación resultante, tanto en usabilidad como en funcionamiento y respuesta a la interacción con el usuario. Estudio de posibles mejoras y trabajo futuro, nuevas funcionalidades y características que se puedan implementar en la plataforma. Conclusiones obtenidas del resultado final. 4. Realización de la memoria del proyecto Introducción del proyecto: motivación y objetivos que suscitan la necesidad de la realización del PFC. Evaluación del estado del arte en Android. Evaluación del estado del arte en Arduino. Diseño que tendrá la aplicación. Desarrollo del código necesario y de la parte hardware necesaria para la realización del PFC. Integración de la aplicación, análisis y pruebas de la aplicación final y resultados obtenidos. Conclusiones y trabajo futuro. Descripción de mejoras posibles. 10
MEDIOS A UTILIZAR A) Hardware - Arduino Mega ADK. - Smartphone con sistema operativo Android. - Tablet con sistema operativo Android. - Ordenador. - Sensores de la casa Fígaro. - Sensores de humedad y temperatura. - Protoboard. B) Software - Sistema operativo Linux Ubuntu. - Arduino IDE. - Android Studio. 11
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REFERENCIAS [1] Fernando Herrero-Carrón, David J. Yáñez, Francisco de Borja Rodríguez, Pablo Varona, An active, inverse temperature modulation strategy for single sensor odorant classification, Sensors and Actuators B: Chemical. [2] A. Pequeño Zurro, Uso de una nariz electrónica ultra portátil en robots para la detección de fuentes odorantes. [3] http://arantxa.ii.uam.es/~gnb/ [4] http://www.android.com/ [5] http://arduino.cc/en/main/arduinoboardmegaadk?from=main.arduinoboardadk [6] http://developer.android.com/tools/adk/index.html [7] Lee, Wei-Meng, Beginning Android 4 Aplication Development. [8] Torres Milano, Diego, Android Application Testing Guide. [9] Hellman, Erik, Android Programming. Pushing the limits.wiley [10] Bruce Eckel, Piensa en Java, Prentice Hal [11] Chris Haseman, Android Essentials, firstpress [12] T. Vázquez Rubio, Integración de una nariz electrónica ultra-portátil en un robot modular para el control de su movimiento a través de los odorantes recibidos Universidad Autónoma de Madrid, 2013. [13] D. J. Yáñez, A. Toledano, E. Serrano, A. M. Martín de Rosales, F. B. Rodríguez, and P. Varona, Characterization of a clinical olfactory test with an artificial nose, Front. Neuroeng., vol. 5, no. February, p. 1, Oct. 2012. [14] Eugenio Martinelli Davide Polese, Alexandro Catini, Arnaldo D Amico, Corrado DiNatale, Self-adapted temperature modulation in metal-oxide semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B161 (2012) [15] http://developer.android.com/index.html 13