CENTRO DE ESTUDIOS AERONAUTICOS Básico control de aeródromo, ATC-030 CEA Formato para Propuesta de Proyecto de Grado del ATC-030 TITULO PROPUESTA DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE LABORATORIO VIRTUAL PARA EL TUNEL DEL VIENTO EN EL CEA. PROPONENTES JUAN CARLOS QUIROGA P. ELIZABETH BERMEO YOSSA. NESTOR AGREDO. DIRECTOR JAIRO BARRIENTOS ROJAS ABSTRAC No podemos pasar por alto siempre que tenemos que hacer una visita a una de los laboratorios mas importantes del CEA en este caso El Túnel del Viento la cantidad de personas que van con cada uno de nosotros es de un número mayor a los 10, por esta razón la incomodidad de no poder apreciar bien de este elemento nos hizo buscar nuevas maneras para que no se vuelva esto un obstáculo en nuestro camino al profesionalismo en nuestras carreras, por este motivo ahora contamos con la posibilidad de manejar este valioso elemento desde nuestra computadora y siendo nosotros mismos los estudiantes los que ingresamos directamente e interactuamos más rápido y estando siempre a nuestra disposición cada ves que lo necesitemos. Para mejorar, facilitar y perfeccionar la práctica del laboratorio del túnel del viendo en el Centro de Estudios aeronáuticos CEA puesto que todos los cursos que se realizan en esta escuela tienen acceso directo con esta herramienta queremos hacer de una manera más fácil y rápida el ingreso a este simulador pasándolo a un simulador virtual una manera mas cómoda su utilización y funcionamiento para todos los estudiantes donde cada uno de ellos podrá manejarlo de forma directa y haciendo el mismo las modificaciones que quiera hacer, aparte de hacerlo divertido es una manera más adecuada de poder hacer las practicas con este elemento que es tan importante para el desarrollo de nuestro conocimiento y aprobación en las practicas.
En pocas palabras podríamos decir que sería una ayuda mas en nuestro proceso de aprendizaje y paso por el CEA resaltando y buscando facilidades y mejor forma de aprendizaje. Basados en el Simulador del Túnel del viento instalado dentro del Centro de Estudios Aeronáuticos buscamos nuevas maneras para hacer de este un cubrimiento y mejoramiento donde contamos con que cada uno de nosotros los estudiantes podamos hacer contacto directo con este elemento haciendo las modificaciones que necesitemos y viendo así lo que causa tal efecto. DATOS DE ENLACE juankquiroga@yahoo.com Tel.: 3005570082 eliza_bermeo1111@hotmail.com Tel.: 3125556463 nestor.cadc@hotmail.com Tel: 3213396270 Versión del Documento: 1 Código del Documento: APROBADO MODIFICAR RECHAZADO
HOJA DE ACEPTACIÓN DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE LABORATORIO VIRTUAL PARA EL TUNEL DEL VIENTO EN EL CEA. Observaciones. Director del Proyecto Fecha de presentación: 26 agosto del 2011
RESUMEN EJECUTIVO 2.0 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 2.1.1 Planteamiento del Problema En la actualidad las prácticas de laboratorios aplicados se constituyen como la mejor herramienta de implementación teórica en aplicaciones prácticas, pero muchas veces el acceso a estas tecnologías se limitan a cierto sector de estudiantes según el espacio, disponibilidad de recursos, y libertad de interacción, una de las principales causas puede ser algo difícil debido a los costos de cada uno de estos equipos. Una solución optima que se viene implementando desde hace varios años gracias a los nuevos sistemas de comunicación podemos aprovechar topologías existentes para aplicarlas en laboratorios remotos los cuales nos permiten contrarrestar las diferentes limitantes generando un espacio abierto de prácticas virtuales llegando a mucho más beneficiados y crear aplicaciones interactivas desde ambientes remotos. Actualmente en el laboratorio del CEA se cuenta con un túnel de viento en el cual se hacen pruebas de presión de aire y se estudia el flujo en varias superficies. 2.1.2 Identificación del problema PROBLEMA DESCRIPCION INDICADOR Investigar estándares de Investigar que estándares se Estándares sistemas comunicaciones. pueden aplicar al proyecto y realizar inteligentes. un breve estudio de proyectos Proyectos desarrollados anteriores para poder guiarse y obtener un mejor resultado. anteriormente de laboratorios virtuales. Diseñar el ambiente web Diseño del software que soporte la pagina web que le dará al usuario la posibilidad de visualizar y controlar Plataforma de software Diseñar prácticas de laboratorio remoto. Evaluar el desempeño del sistema 2.1.3. FORMULACION DE PROBLEMAS las variables, el video. Diseño de prácticas de laboratorio implementando módulos de aprendizaje para que el estudiante pueda desarrollar dichas prácticas en un ambiente virtual. Diseño de un prototipo donde se puedan hacer simulaciones del sistema para poder evaluar el desempeño, ventajas y desventajas de este e-learning. Guías de laboratorio que se utilizan en la actualidad. Prototipo En la actualidad existe la necesidad de implementar laboratorios remotos que le permitan a los estudiantes realizar las diferentes prácticas de laboratorio, con las cuales puedan poner en práctica los conocimientos adquiridos en la teoría y que debido a diferentes limitantes como lo son el espacio, la limitación de algunos recursos y a los altos costos de los equipos se hace necesario la implementación de nuevas tecnologías que permitan realizar de manera sencilla y a bajo costo dichas prácticas.
2.2 Impacto Esperado. 2.2.1 Impacto Social En la sociedad el impacto que se espera es darle al estudiante la oportunidad de tener más herramientas que le permitan poner en práctica su conocimiento, brindándole espacios y equipos necesarios para su desarrollo intelectual si necesidad de incurrir a costos elevados. 2.2.2 Impacto Económico Uno de los planteamientos de este proyecto es la reducción de costos ya que el dispositivo que se quiere diseñar solo constaría de un modulo programable. En la parte del software con el que se diseñara el ambiente web es un software libre. 2.2.3 Impacto Tecnológico Con el diseño e implementación del laboratorio virtual utilizando módulos de comunicaciones que tienen conexión directamente con la red internet, se tiene como objetivo dar las soluciones de los laboratorios físicos pero a un costo menor al de varios equipos y con una disminución significativa de la complejidad de su ejecución. 2.3 Usuarios directos e indirectos potenciales de los resultados de la investigación: El laboratorio virtual a diseñar e implementar centra su atención en el Túnel del viento del laboratorio del túnel del viento del CEA, en el grupo de investigación y en los estudiantes quienes trabajen en dichos laboratorios, junto con ellos es diseñado para cualquier otro laboratorio que pueda estar interesado en realizar estas prácticas virtuales. 2.4 Marcos de referencia 2.4.1 Marco Teórico 2.4.1.1 Túneles de viento Los túneles de viento se han utilizado desde hace bastante tiempo para estudiar y corroborar el desempeño de prototipos a través de modelos a escala. Su aplicación varía desde el estudio del flujo alrededor de objetos diseñados con forma aerodinámica (como aeroplanos, carros y otros) hasta objetos de forma obtusa (como edificios, personas, terrenos y cualquier tipo de estructura civil). Dependiendo de la aplicación el túnel debe cumplir con determinadas características para poder predecir adecuadamente el desempeño de los prototipos. Este hecho implica en la práctica que se deban construir túneles con diferentes características dependiendo su aplicación, por ejemplo: túneles de baja velocidad, supersónicos, o presurizados, entre otros. Por mucho tiempo los túneles fueron la única forma de modelar la física de muchos fenómenos. Sin embargo, tienen diversas desventajas, el costo elevado de adquisición y mantenimiento, gran demanda de espacio físico, alto costo de los instrumentos de medición. Adicionalmente, en muchos casos son sub-utilizados debido a su limitada aplicación. Los avances en la potencia y velocidad de computadores y redes de computación en los últimos años sumado al gran número de investigaciones en el área de la Mecánica de Fluidos Computacional han producido un cambio significante en la forma de hacer diseño, simulación y modelado de fenómenos complejos. En los sistemas más recientes es posible alterar los parámetros de la simulación mientras ésta se ejecuta (Manipulación Computacional o en Inglés Computational Steering). El sistema presentado en este proyecto combina esta capacidad con herramientas avanzadas de comunicación de video conferencias con el objeto de permitir a un grupo de científicos e ingenieros, localizados geográficamente aparte, trabajar colaborativamente en simulaciones, comparando ideas y compartiendo experiencia. Esto es un avance importante dado que la noción de un científico y un ingeniero trabajando solo en su laboratorio tiende a desaparecer cuando los problemas se vuelven grandes y complicados.
2.4.1.2 Laboratorios remotos Los laboratorios remotos (a veces llamados "laboratorios controlados vía Web o, simplemente, WebLabs), ofrecen acceso remoto a los verdaderos equipos de laboratorio e instrumentos en tiempo real. La principal ventaja de los WebLabs radica en la realidad de los sistemas con los que trabajan los alumnos. Su principal inconveniente se basa en una pérdida de la observación y control de manera directa: el sistema se visualiza mediante una cámara Web y las herramientas del sistema remoto se manejan mediante un teclado o un ratón. El campo de los WebLabs es muy activo en la actualidad y permite implementaciones con muy diversas técnicas. Las principales estrategias de diseño de WebLabs, según García y Sáenz (2005), son: WebLab basado en una aplicación específica Cliente / servidor TCP/IP. En este caso, el usuario desde su PC (cliente) envía al servidor, vía Internet, un archivo con el software que quiere descargar en, por ejemplo, un PLC conectado al servidor. Para enviar y recibir el archivo, la aplicación utiliza el protocolo TCP/IP soportado por Internet. WebLab implementado como una aplicación Web. El alumno accede al servidor a través de una página Web. Un microservidor, con una IP propia, sirve como puente entre el servidor y el dispositivo programable. El usuario envía el archivo o programa vía Internet, por ejemplo, a un PLC conectado al microservidor. (Lorenzo, 2006; Ruiz y otros, 2004; Garrido, 2003) WebLab implementado con Terminal Server de Windows o similares. Esta estrategia se basa en utilizar el servicio Terminal Server del sistema operativo Windows. La idea básica es ceder el control del servidor a un cliente para que descargue los archivos o programas y luego los ejecute directamente en el servidor (Wu y Kuo, 2008; Coquard et al, 2008) Implementaciones basadas en plataformas de desarrollo de Software como LabView o Matlab. Esta es una solución bastante utilizada, y sus principales ventajas son su potencia, su conocimiento por parte de la comunidad universitaria y la disponibilidad de servicios ya orientados al diseño de WebLab. (Chacón-Montiel et al. 2004; Valera et al, 2005) [1]. ARQUITECTURA DEL SISTEMA Para la implementación de una red de instrumentación y control industrial con conectividad a Internet, se plantea una solución Hardware-Software tal como se ilustra en la figura 1. 2.4.1.3 Dispositivos embebidos tcp/ip Un sistema embebido es un sistema electrónico auto contenido que posee un microcomputador programable y
que desarrollan una o más funciones específicas. Su funcionamiento en términos generales consta de: Entrada (sensores y/o periféricos). Son considerados como un todo, como sistemas que combinan interfaz o periféricos de entrada, un procesador interno, software de ejecución y periféricos de salida, poseen una cantidad de recursos físicos, como memorias, periféricos, discos duros, procesadores, etc, están diseñados para realizar variadas funciones, como por ejemplo funciones repetitivas. Se pueden encontrar inmersos en sistemas mayores o sistemas individuales por si solos son programables, para distintos y variados propósitos.[2]. Existen básicamente dos tipos de sistemas embebidos: Sistemas que corresponde a sistemas autónomos que funcionan por si solos, capaces de realizar varias funciones a la vez. Sistemas que son parte de sistemas mayores, los cuales cumplen una funcionalidad específica del sistema mayor. Entre sus principales aplicaciones están: Electrónica de consumo: lavadoras, congeladoras, microondas, relojes, consolas de juegos, control remoto, cámaras de video, fax, VCR, CD, DVD, GPS, televisión digital. Sistemas de comunicación: sistemas de telefonía, contestadores, celulares, beepers, PDAs, enrutadores, infraestructura de redes. Automóviles: inyección electrónica, frenos, elevadores de vidrios, control de asientos, instrumentación, seguridad. Industria: instrumentación, monitoreo, control, robótica, control de tráfico, manejo de códigos de barras, ascensores. Medicina: monitores cardiacos, renales y de apnea, marcapasos, máquina de diálisis. SISTEMAS EMBEBIDOS QUE HAY ACTUALMENTE CON SOFTWARE LIBRE Actualmente existen variados sistemas embebidos que se están desarrollando con software libre, como los siguientes que corresponden a dispositivos: Distribuciones GNU/Linux embebidas en CD portables. Knoppix Dynebolic Sistema operativo open source legos o brickos de Markus L. Noga, para Lego Mindstorms RCX Controller. Proyectos de empresa alemana PC Engines: tinybios, BIO desarrollada bajo open source. Wireless Router, router inalámbrico el cual utiliza tinybios. Proyecto Wireless Embedded Platform WEP, microprocesador inalámbrico desarrollado bajo software libre. Proyectos RedBoot (ambiente de conexión para sistemas. embebidos) y Ecos (sistema operativo para sistemas. Embebidos) de RedHat. Routers que proporciona Telefónica para el acceso ADSL. El principal uso de software libre en sistemas embebidos que corresponden a sistemas autónomos, como: Pda Videos grabadores handhelds Webpad Teléfonos móviles Servidores
Teléfonos IP Puntos de acceso inalámbrico Relojes Robots Tables Cámaras de vigilancia PcPocket 2.4.1.4 Metodologías de diseño de páginas web APLICACIÓN WEB Es en donde una gran cantidad de datos volátiles, altamente estructurados, van a ser consultados, procesados y analizados mediante navegadores. Una de las principales características va a ser su alto grado de interacción con el usuario, y el diseño de su interfaz debe ser claro, simple y debe estar estructurado de tal manera que sea orientativo para cada tipo de usuarios. TIPOS DE APLICACIÓN WEB A lo hora de establecer una clasificación se puede realizar atendiendo a criterios como la complejidad de los datos, de la propia aplicación, la volatilidad, la estructuración de los datos o la intencionalidad de la aplicación y pueden ser: Informacionales: Orientadas a la difusión de información personalizada o no, y con acceso a la BD o sin él. Orientados a la descarga de datos: Servidores de material didáctico, servidores de canciones. Interactivas: Orientadas a la interacción con el usuario. Orientas al Servicio: Sistemas de ayuda financiera, simuladores. Transaccionales: Compra electrónica, banca electrónica. De Flujo de Datos: Sistemas de planificación en línea, manejo de inventario. Entornos de Trabajo Colaborativo: Herramientas de diseño colaborativo, sistemas de autoría distribuidos. Comunidades on-line (Sistemas C2C): Foros de debate, servicios de subastas. Portales Web: Centros comerciales de compra electrónica, intermediarios en línea. Orientados al análisis de datos: Dataworkhousing, aplicaciones OLAP. CARACTERÍSTICAS DE UNA APLICACIÓN WEB Las Aplicaciones Web tienen una serie de rasgos comunes que diferencia a unos tipos de aplicaciones software de otros, y que son: Desde el punto de vista del usuario, se ha universalizado su accesibilidad: Actualmente un usuario experto y un usuario con habilidad limitada en el uso de aplicaciones informáticas acceden al mismo tipo de aplicación. Aún más, el número y tipo de usuario de las aplicaciones Web no siempre es predecible, lo que obliga a tener el concepto de facilidad de uso aún más presente que en otros tipos de aplicaciones. Desde el punto de vista de la plataforma se realiza un uso intensivo de la red y la conexión se establece desde distintos tipos de dispositivo de acceso. Desde el punto de vista de la información, asistimos en la actualidad a una disponibilidad global de fuentes heterogéneas de información, estructurada y no estructurada, pertenecientes a distintos dominios y que colaboran en el cumplimiento de los objetivos de la aplicación. REQUISITOS DEL DESARROLLO DE UNA APLICACIÓN WEB. PORTABILIDAD: Debido a la dinamicidad del entorno tecnológico, a menudo es necesario implantar una misma aplicación en distintas plataformas, con distintas arquitecturas, con distintas tecnologías y/o atendiendo a distintos dispositivos de acceso, lo que obliga a desarrollar técnicas, modelos y
herramientas que faciliten la reutilización e independiza hasta donde sea posible en el desarrollo de la aplicación. Inmediatez (Rapidez de Implantación): El desarrollo de aplicaciones web requiere un período de implantación mucho más reducido, que influye en todo su ciclo de desarrollo. Inmediatez (Rapidez de Implantación): El desarrollo de aplicaciones web requiere un período de implantación mucho más reducido, que influye en todo su ciclo de desarrollo. METODOLOGÍA DE DESARROLLO WEB Los principales problemas que se encuentran es la falta de fiabilidad, seguridad, escalabilidad, mantenimiento, integración y la alta dependencia para su desarrollo e implantación junto con la falta de estándares. Lo que se desea es controlar el caos que han provocado en el pasado procesos creativos de desarrollo con el fin de proporcionar un proceso sistemático orientado a la mejora de la calidad de la aplicación final. En esta nueva disciplina se parte de la base de que las necesidades de evolución, mantenimiento, la adaptación a nuevos dispositivos de acceso y la migración a nuevas plataformas y entornos de desarrollo deben dirigir el proceso del ciclo de vida. Para todo esto se han desarrollado metodologías que permiten estructurar comunicar, entender, simplificar y formalizar tanto el dominio como las decisiones de diseño, así como disponer de documentación detallada para posibles cambios del software. FASES DEL DESARROLLO WEB Para simplificar la captura de las necesidades de las aplicaciones web, se propone una extensión que se utiliza a lo largo del proceso de autoría. Este proceso de autoría está dividido en cuatro pasos o actividades: Análisis de Requisitos: Fija los requisitos funcionales de la aplicación Web para reflejarlos en un modelo de casos de uso. Diseño Conceptual: Materializado en un modelo de dominio, considerando los requisitos reflejados en los casos de uso. Diseño Navegacional: Lo podemos subdividir en : o Modelo del Espacio de Navegacional. o Modelo de la Estructura de navegación: Muestra la forma de navegar ante el espacio de navegación. Diseño de Presentación: Representa las vistas del interfaz del usuario mediante modelos estándares de interacción UML. [4]. 2.5 Objetivos 2.5.1 General. Diseñar e implementar un laboratorio virtual controlado desde internet para el manejo del túnel del viento del laboratorio del CEA que brinde mayor interactividad entre los estudiantes y sus prácticas. 2.5.2 Específicos. 2.5.2.1 Diseñar prácticas de laboratorio virtual para el aprendizaje a distancia (e-learning) mediante la Implementación de guías que conforman el laboratorio virtual. 2.5.2.2 Desarrollo de un Sistema de Gestión (de Acceso y Administrativo) para el laboratorio virtual realizando el diseño y posteriormente la implementación del entorno web (plataforma virtual de operación interactiva).
2.6 Alternativa de Solución 2.6.1 El laboratorio remoto que se desea desarrollar consta de tres bloques funcionales los cuales son: Sistemas a controlar Dispositivo de control Ambiente WEB Figura 3: Diagrama de bloques del sistema domótico a diseñar. A continuación se dará una breve explicación de cada uno de estos bloques. 2.6.2 DESCRIPCION DE LOS BLOQUES FUNCIONALES: SISTEMAS A CONTROLAR VELOCIDAD: en este sistema se pretende implementar un circuito que controle un potenciómetro el cual será encargado de variar la velocidad del flujo del aire que circula por el túnel del viento dependiendo las necesidades de la práctica o el usuario. PRESION: en este sistema se implementara un dispositivo que se encargara de medir la presión dentro del túnel de viento. VIDEO: en este sistemas utilizaremos cámaras IP, que se encargaran de enviar imágenes dependiendo de la programación que se les haga. Estas imágenes serán observadas desde el ambiente WEB. DISPOSITIVO PRINCIPAL DE CONTROL Este dispositivo es el encargado del envió y transmisión de señales provenientes del sistema de control o del ambiente WEB. El estará en la capacidad de determinar que señal va para que sistema y establecerá la debida comunicación. Para el diseño de este dispositivo se pretende utilizar sistemas embebidos que manejen TCP/IP y puertos Ethernet y WiFi. AMBIENTE WEB Esta es la parte en donde se visualizan y se controlan remotamente los sistemas antes mencionados. Aquí se diseñara una página web en donde se reciban todas las señales del sistema de control y el usuario las pueda observar y manipular.
2.7 Metodología Propuesta El desarrollo del proyecto se ha dividido en actividades que se llevaran a cabo en un periodo de (6) meses que es el tiempo presupuestado para llevarlo a buen término, las actividades son: Documentación: Se desarrollará una investigación sobre sistemas embebidos que tengan dentro de sus funcionalidades la comunicación TCP/IP, se investigara sus características, especificaciones de uso y modo de comunicación que maneja, haciendo pruebas de programación simples para comprobar su funcionalidad, costos y especificaciones de equipos ya existentes, y para finalizar se hará un estudio de los dispositivos a controlar como lo son elementos de control y cámaras de video. Diseño: teniendo ya los requerimientos de funcionamiento de los posibles elementos, se iniciara el diseño de todas las partes que conforman el proyecto. Implementación: Se implementa el diseño del proyecto que se hizo en la anterior actividad. Esto es, la realización de los circuitos de control, establecer la comunicación necesaria para el funcionamiento del proyecto, el desarrollo de los programas, la configuración de las cámaras IP y la puesta en marcha del web server. Pruebas: Cuando se tengan todas las partes que conforman el proyecto ya hechas se pasa a unir todas estas y se hacen las pruebas pertinentes para comprobar que se haya cumplido los objetivos propuestos desde un principio. Documentación final: se hará el respectivo informe del proyecto, este informe contendrá todo lo relacionado al desarrollo del mismo, como es el marco teórico utilizado, el diseño y resultados de las etapas mencionadas en el presente documento, cálculos de programación, las conclusiones, entre otros. Entrega: Se entregara el proyecto totalmente terminado, junto con la documentación. 2.8 Resultados Esperados Con el desarrollo de este proyecto de grado se espera entregar una herramienta funcional para el laboratorio del túnel del viento del CEA que cumpla con las características necesarias para realizar prácticas y pruebas del laboratorio a través de internet. Se espera también aportar el proyecto al grupo de investigación. 2.9 Estrategia de Comunicación Artículo escrito. Presentación en Público Mediante Exposición
2.10 Cronograma de Actividades. El siguiente cronograma está diseñado para los meses entre agosto y diciembre del 2011, que suman un tiempo no mayor a 6 meses con las labores programadas a continuación: Tabla 1: Tabla de semanas de duración del proyecto según actividad 3.0 PRESUPUESTO Solo será un estudio de factibilidad BIBLIOGRAFÍA [1] Chacón-Montiel, E., Camacho O. y Cárdenas O. (2004) Implementación de un laboratorio de control de procesos vía Internet. Revista Técnica de Ingeniería. Universidad del Zulia, Venezuela. Vol. 27, Nº 3, 137 144. [2] DA BD-Metodolog-ADasParaElDesarrolloDe n W b_uwe.. [3] MICROCHI IC 32. AR E KI. [4] S.M.H. Collin, Setting up a Web server, Elsevier, 1997. [
CONTENIDO 1. Presentación y ABSTRAC 1.1 datos de enlace 1.2 hoja de aceptación 2. Descripción del proyecto 2.1.1 planteamiento del problema 2.1.2 identificación de problemas 2.1.3 formulación de problemas 2.2 impacto esperado 2.2.1 impacto social 2.2.2 impacto económico 2.2.3 impacto tecnológico 2.3 Usuarios directos e indirectos potenciales de los resultados de la investigación 2.4 Marcos de referencia 2.4.1 marco teórico 2.4.1.1 túneles de viento 2.4.1.2 laboratorios remotos 2.4.1.3 dispositivos embebidos tcp/ip 2.4.1.4 metodologías de diseño de paginas web 2.5 objetivos 2.5.1 general 2.5.2 específicos 2.6 alternativa de solución 2.6.1 descripción de alternativas 2.6.2 descripción de los bloques funcionales 2.7 metodología propuesta 2.8 resultados esperados 2.9 estrategia de comunicación 2.10 cronograma de actividades 3. presupuesto