i , Mes y Año Departamento Título: Desarrollo de una olla a presión inteligente. Autor(a): Autor: Erasmo Jesús Fombona González. Tutores: Dr. C. Carlos Alberto Bazán Prieto. , Noviembre, 2024 ii Title: Development of an Intelligent Pressure Cooker. Author: Erasmo Jesús Fombona González. Thesis Director: Dr. C. Carlos Alberto Bazán Prieto. Academic Departament , November, 2024 iii Este documento es de titularidad de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Sin Obras Derivadas (CC-BY-NC-ND) Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 iv ACTA DE CONFORMIDAD PARA ESTUDIANTES DE PREGRADO Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas Por una parte: Erasmo Jesús Fombona González estudiante de la carrera de: Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en la facultad de: Ingeniería Eléctrica, en lo adelante El ESTUDIANTE. Con número de identidad permanente: 01032075446 o pasaporte: ______________________; y por otra parte: M.Sc. Rafael Olivera Solís Jefe del Departamento Docente de: Electrónica y Telecomunicaciones en la ya mencionada facultad, en lo adelante EL JEFE DE DEPARTAMENTO, y Dr. C. Carlos Alberto Bazán Prieto profesor(es) encargado(s) de tutorar el Trabajo de Diploma DEL ESTUDIANTE, en lo adelante EL TUTOR. Reconocen que: I. A EL ESTUDIANTE se le ha aprobado como tema de investigación para su Trabajo de Diploma el titulado Desarrollo de una olla a presión inteligente. II. EL ESTUDIANTE no divulgará información concerniente a la investigación, tanto durante el desarrollo como tras la culminación de esta sin la debida autorización DEL TUTOR o EL JEFE DE DEPARTAMENTO. III. Que el Trabajo de Diploma fruto de la labor investigativa de EL ESTUDIANTE y la asesoría de EL TUTOR, resulta de TITULARIDAD EXCLUSIVA de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. IV. El ESTUDIANTE una vez aprobada su tesis para la defensa, depositará una copia electrónica de la misma en el Repositorio Digital Institucional de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. V. A partir de la defensa y aprobación del Trabajo de Diploma, la publicación total, parcial o la elaboración de cualquier obra que se derive de esta investigación por parte de EL ESTUDIANTE, contará con la coautoría de EL TUTOR y viceversa, resultando de referencia obligada esta obra en cualquier otra que se elabore. El incumplimiento de esta cláusula, puede llevar consigo el inicio de procesos de plagio. Todo lo anterior de acuerdo a la normativa de Derecho de Autor vigente en Cuba. Filiación Institucional (solo para tutores externos a la UCLV, nombre completo de la institución de cada tutor): __________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Y para que así conste se firma la presente en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, a los 26 días del mes de noviembre del año 2024. __________________________ _________________________ EL ESTUDIANTE JEFE DE DEPARTAMENTO __________________________ ______________________ TUTOR TUTOR v PENSAMIENTO “El verdadero progreso es el que pone la tecnología al alcance de todos” Henry Ford. vi DEDICATORIA Dedicado a todos los que han formado parte de mi vida, especialmente a los más cercanos; a mi familia, mis amigos, mi esposa, mi hermano y en especial a mis padres. Dedicado a aquellos que me han acompañado en esta etapa que ha sido bonita y desafiante. vii AGRADECIMIENTOS A todos los que colaboraron e hicieron posible este maravilloso momento de mi vida, especialmente a aquellos más cercanos que me llevaron de la mano hasta el final. A mi familia, que siempre está presente en las buenas y las malas, especialmente a mis padres Noelis y Alexander, y mi hermano Alex. A mi esposa Lillian, por su amor, comprensión, cariño, apoyo y respeto, sin ella sería muy difícil realizar este sueño. Al tutor Dr. C. Carlos Alberto Bazán Prieto por su apoyo, confianza y respeto. A la Empresa Industrial Nacional Productora de Utensilios Domésticos (INPUD) por su apoyo y financiación al proyecto “Desarrollo de una olla a presión inteligente”. A mis amigos por estar siempre a mi lado y hacerme tan ameno el trayecto de la carrera. A los profesores, que me guiaron en la carrera. viii RESUMEN El presente trabajo de diploma desarrolla una olla a presión inteligente basada en el modelo OPE05, que se ensambla en la Empresa Industrial Nacional Productora de Utensilios Domésticos (INPUD) en Cuba. La necesidad de este proyecto radica en lograr independencia tecnológica y reducción de importaciones de componentes, así como en facilitar la interacción con la olla en la preparación de alimentos. Se utilizan los componentes electromecánicos de la olla OPE05 y se sustituyen las tarjetas de control electrónicas. La novedad de la nueva tarjeta de control, es su capacidad de monitoreo y control remoto mediante una interfaz web, habilitada por un ESP32 y sensores de bajo costo. Se desarrolló una interfaz gráfica con LVGL para la interacción con la pantalla TFT integrada en el ESP32, y una página web que permite a los usuarios controlar de forma remota la olla inteligente, aportando una herramienta eficiente y adaptable a las condiciones del mercado local. Los resultados concluyen que el control de presión y temperatura es fundamental para una cocción óptima, y se lograron algoritmos de regulación adecuados para diversas funciones de cocción. Este proyecto representa un aporte significativo hacia la transformación digital de la sociedad cubana y fomenta la innovación en la producción de electrodomésticos locales. Palabras clave: ESP32, Interfaz web, electrodomésticos, LVGL, hardware, software. ix TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .................................................................................................................... v DEDICATORIA .................................................................................................................... vi AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... vii RESUMEN ......................................................................................................................... viii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN. .......................................................................................................... 5 1.1 Estado de la producción de ollas a presión inteligentes a nivel mundial. ................ 5 1.1.1 Modelos de ollas a presión inteligentes más comercializados a nivel mundial. 7 1.1.2 Principales características de las ollas inteligentes actuales. ............................ 9 1.2 Plataformas de cómputo para el desarrollo de ollas a presión inteligente. ............ 10 1.2.1 Selección de la plataforma de desarrollo y del software. ............................... 12 1.3 Funcionamiento de la olla electrónica e ingeniería inversa. .................................. 13 1.3.1 Funcionamiento de la olla electrónica modelo OPE05. .................................. 13 1.3.2 Maqueta para la adquisición de las señales eléctricas de las funciones de la olla electrónica. .................................................................................................................... 17 1.3.3. Herramientas de obtención y análisi de datos Arduino-Python. ......................... 19 1.4 Modificaciones del hardware actual ensamblado en el INPUD. ........................... 22 1.5 Conclusiones Parciales del Capítulo. ..................................................................... 25 CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA. .......................... 27 x 2.1 Arquitectura del hardware propuesto. ................................................................... 27 2.1.1 Asignación de pines para las variables de control de las funcionalidades de la olla. 30 2.2 Arquitectura del Software. ..................................................................................... 34 2.2.1 Herramienta de Software Arduino IDE. ......................................................... 34 2.2.2 Herramienta de Software SquareLine Studio. ................................................. 37 2.2.3 Biblioteca Light and Versatil Graphic Library (LVGL). ................................ 41 2.3 Algoritmos de cocción y mantenimiento de temperatura de la olla electrónica. ... 41 2.3.1 Análisis de las gráficas de cocción y mantenimiento de temperatura de la olla electrónica. .................................................................................................................... 42 2.3.2 Algoritmos de cocción y mantenimiento de la temperatura para la olla inteligente. ..................................................................................................................... 47 2.3.3 Medición de la temperatura en la olla a presión inteligente. .......................... 48 2.4 Conclusiones Parciales del Capítulo. ..................................................................... 50 CAPÍTULO 3. Funcionamiento de la olla inteligente ...................................................... 52 3.1 Manual de Usuario de la Interfaz Gráfica de la Olla inteligente. ........................... 52 3.1.1 Pantalla Principal. ........................................................................................... 53 3.1.2 Pantallas de Cocción. ...................................................................................... 55 3.1.3 Pantalla Calentar (Mantenimiento de la Temperatura). .................................. 59 3.1.4 Visualización de Errores en la Interfaz Gráfica. ............................................. 60 3.2 Comunicación mediante Json. ................................................................................ 61 3.3 Manual de Usuario de la Interfaz Web de la Olla inteligente. ............................... 65 3.3.1 Descripción de la Interfaz Web. ..................................................................... 65 3.4 Análisis económico ................................................................................................ 68 3.5 Conclusiones Parciales del Capítulo ...................................................................... 69 xi CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 70 Conclusiones ..................................................................................................................... 70 Recomendaciones ............................................................................................................. 71 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 72 ANEXOS .............................................................................................................................. 75 Anexo I Código en Arduino IDE para obtener el comportamiento de las señales de control de la olla electrónica en los diferentes procesos de cocción. ............................... 75 Anexo II Script de Python para graficar el comportamiento de las señales de control de la olla electrónica. ........................................................................................................ 76 Anexo III Interfaz de la pantalla de selección de modos de cocción de frijoles. ......... 76 Anexo IV Interfaz de la pantalla de selección de modos de cocción de carne. ........... 77 Anexo V Interfaz de la pantalla de selección de modos de cocción de sopa. ............. 77 Anexo VI Interfaz de la pantalla de selección de modos de cocción de estofado. ...... 78 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN En la actualidad, los dispositivos inteligentes son una presencia ubicua a nivel mundial, transformando la forma en que las personas interactúan con la tecnología en su vida diaria. Estos dispositivos, que incluyen teléfonos inteligentes, altavoces inteligentes, relojes inteligentes y electrodomésticos conectados, han experimentado un crecimiento exponencial en su adopción a nivel global. Según datos recientes, se estima que para el año 2025 habrá más de 75 mil millones de dispositivos inteligentes en uso en todo el mundo [1], lo que evidencia su impacto significativo en nuestra sociedad. Un ejemplo destacado de los dispositivos inteligentes es la olla a presión inteligente, una innovadora herramienta culinaria que ha ganado popularidad en los últimos años debido a sus numerosas ventajas. Esta olla utiliza tecnología avanzada para controlar y regular la presión y la temperatura durante el proceso de cocción. Gracias a esto, los alimentos se cocinan de manera más rápida y eficiente, preservando nutrientes y sabores. Además, estas ollas inteligentes están equipadas con sensores y conectividad a Internet, lo que permite a los usuarios controlar y monitorear el proceso de cocción a través de aplicaciones móviles. La olla a presión inteligente ha mejorado significativamente la vida de las personas al ofrecerles una forma conveniente y eficaz de preparar comidas saludables en menos tiempo. Según estudios, el mercado de las ollas a presión inteligentes ha experimentado un crecimiento notable, con un aumento del 30% en las ventas en los últimos dos años, lo que demuestra su utilidad y aceptación en la sociedad actual [2]. Estos dispositivos han revolucionado la cocina al proporcionar opciones de cocción personalizables y precisas, ahorrando tiempo y esfuerzo a los usuarios en sus tareas culinarias diarias. La adopción de esta tecnología en Cuba aún no es muy extendida debido a factores como el costo y la disponibilidad limitada de recursos. Aunque, dado el potencial de beneficios INTRODUCCIÓN 2 económicos y de empleo que pueden proporcionar, resulta interesante explorar la posibilidad de impulsar su producción y uso en el país. El uso de nuevas tecnologías asociadas a las comunicaciones, el control de dispositivos de forma remota, incluyendo el acceso a internet, contribuyen a la necesaria transformación digital de la sociedad. Actualmente en la Empresa Industrial Nacional Productora de Utensilios Domésticos (INPUD) se producen ollas a presión eléctricas y electrónicas, a partir de la importación de sus componentes. Entre los modelos ensamblados actualmente se encuentran la olla a presión eléctrica, OPE06 y la olla a presión eléctrica (electrónica), modelo OPE05. Es interés de INPUD, desarrollar las tecnologías para reducir la importación de componentes de estas ollas y a la vez modificarlas tecnológicamente añadiendo inteligencia (comunicaciones, operación remota, interfaz con dispositivos móviles, etc.). Igualmente se propicia aportar un porciento de componentes de estas ollas que se construyan en la fábrica, reduciendo importaciones. La producción local de estos electrodomésticos podría generar empleo y fomentar el desarrollo económico. Al aplicar tecnologías actuales relacionadas con las comunicaciones y su interacción con dispositivos inteligentes como teléfonos celulares u otros dispositivos móviles, aporta a la necesaria transformación digital de la sociedad. En Cuba, donde la disponibilidad de recursos puede ser limitada, una olla de cocina inteligente podría mejorar el proceso de cocción. Esto resulta especialmente relevante en un contexto en el que la accesibilidad a determinados ingredientes o recursos representa un desafío. Una olla de cocina inteligente facilita la vida cotidiana al proporcionar funciones como la programación de cocción, el monitoreo remoto a través de una aplicación móvil y ajustes personalizados. Esta tecnología no solo simplifica las tareas culinarias, sino que también fomenta un estilo de vida más saludable al permitir un control más efectivo de los ingredientes y los métodos de cocción. La presente investigación se centra en el desarrollo de una olla de presión inteligente basada en el modelo OPE05, utilizando sensores de bajo costo y hardware y software libres. El propósito principal es ofrecer una alternativa económica a las ollas de presión comerciales INTRODUCCIÓN 3 actuales, proporcionando facilidades y ventajas significativas en la preparación de alimentos en los hogares cubanos. Por lo tanto, el proyecto se plantea la siguiente pregunta a resolver: ¿Cómo pueden las tecnologías de comunicación y control remoto, incluyendo el acceso a Internet, impulsar la producción y uso de ollas inteligentes en Cuba? Dado el anterior contexto se plantea como objetivo general del proyecto: desarrollar una olla inteligente basada en el modelo OPE05 de olla a presión electrónica ensamblada en INPUD, mediante la implementación de tecnologías de comunicación, operación remota e interfaz con dispositivos móviles. Para dar cumplimiento al objetivo general se plantean como objetivos específicos: 1. Realizar un estudio de las ollas a presión eléctricas y electrónicas, tecnologías y fabricantes. 2. Realizar la ingeniería inversa a la olla a presión e identificar los componentes electrónicos que se pueden reutilizar. 3. Identificar los circuitos eléctricos y electrónicos, correspondiente a alimentación y mediciones. 4. Diseñar la maqueta para adquisición y análisis de las variables eléctricas de la olla electrónica. 5. Diseñar el software de control de la placa táctil y la página web que controla las funciones de la olla. 6. Comprobar el funcionamiento del control de la olla desde la placa táctil y la web. En aras de satisfacer los objetivos planteados se ha decidido estructurar el trabajo en introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones y anexos. En la introducción se realiza una breve reseña donde se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda. El Capítulo I realiza un análisis, búsqueda y revisión de artículos, libros y documentos relevantes sobre sistemas de cocción inteligentes y tecnología de cocina en el mundo y Cuba. Se abordarán los conceptos clave, tecnologías y tendencias en sistemas de cocción inteligentes, resaltando las oportunidades y desafíos específicos del contexto cubano en relación al diseño y desarrollo de una olla de cocción inteligente. Se realiza la ingeniería inversa a la olla a presión y se identifican los componentes electrónicos que se pueden INTRODUCCIÓN 4 reutilizar así como la selección de los nuevos componentes electrónicos a utilizar para convertir en una olla inteligente el modelo OPE05 ensamblado en el INPUD. El Capítulo II inicia con la descripción de los componentes de hardware y software que integran a la olla a presión inteligente. Seguido del desarrollo del algoritmo de control y comunicación del sistema, teniendo en cuenta la compatibilidad del hardware y software seleccionado. El Capítulo II concluye con la integración del sistema de control y comunicación en el prototipo de la olla a presión inteligente, y se procede a realizar pruebas de funcionamiento y eficiencia del sistema de control y comunicación en el prototipo, sujeto a ajuste y optimizaciones. El Capítulo III se dedica a presentar en el software y hardware diseñado integrado en la olla a presión inteligente y se describe en forma de manual de usuario las funcionalidades y prestaciones de la olla a presión inteligente. En las conclusiones se realiza una síntesis final de los resultados alcanzados en la investigación y en las recomendaciones, se plantea una posible continuidad a través de futuras investigaciones. Se incluyen las referencias bibliográficas conformando un listado de toda la bibliografía consultada según la norma IEEE. En los anexos se muestran los códigos de programación utilizados en el proyecto y las interfaces de usuario para los procesos de cocción. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 5 CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN. A continuación, se describe el estado de las ollas a presión, a nivel mundial, enfatizando en las ollas inteligentes. Se presentan las características y tipos de ollas. También se analizan las características de las ollas producidas en INPUD, que se obtuvieron de un proceso de ingeniería inversa. Finalmente, se presentan las propuestas de modificaciones, necesarias para convertir una olla electrónica en una olla inteligente. 1.1 Estado de la producción de ollas a presión inteligentes a nivel mundial. En los últimos años, el avance de la tecnología ha llevado a la aparición de electrodomésticos inteligentes para el hogar. Estos electrodomésticos están diseñados para hacer tareas cotidianas más fáciles, eficientes y convenientes. Una categoría de electrodomésticos inteligentes para el hogar que ha ganado popularidad son los electrodomésticos de cocina inteligentes, incluyendo las ollas inteligentes. Los electrodomésticos inteligentes para el hogar se definen como "electrodomésticos que pueden comunicarse con otros dispositivos o redes, tienen acceso a internet y pueden ser monitoreados y controlados de forma remota". Estos electrodomésticos utilizan sensores, conectividad e inteligencia artificial para mejorar el rendimiento y la experiencia del usuario [3]. Existen diferentes tipos de electrodomésticos de cocina inteligentes en el mercado, incluyendo refrigeradores inteligentes, hornos, cafeteras y ollas. Una olla inteligente se diferencia de una olla clásica en que utiliza tecnología avanzada para mejorar el proceso de cocción. Las ollas inteligentes utilizan sensores para controlar la temperatura y la presión, lo que permite cocinar alimentos de manera más eficiente y precisa CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 6 [4]. Muchas ollas inteligentes tienen la capacidad de conectarse a una aplicación móvil, lo que permite controlar la cocción de forma remota desde cualquier lugar con una conexión a internet. El desarrollo de las ollas inteligentes ha sido posible gracias a la evolución de la tecnología y la innovación en la cocina. Una de las principales ventajas de las ollas inteligentes es su capacidad para cocinar los alimentos de manera más eficiente. Según un estudio realizado por Consumer Reports, las ollas inteligentes pueden cocinar los alimentos hasta un 70% más rápido que las ollas tradicionales [5]. Además, las ollas inteligentes son más precisas en el control de la temperatura y la presión, lo que hace que los alimentos se cocinen de manera más uniforme y se conserven mejor los nutrientes. Otra ventaja de las ollas inteligentes es su capacidad para conectarse a una aplicación móvil. Esto permite a los usuarios controlar la cocción de forma remota desde cualquier lugar con una conexión a internet. Además, muchas aplicaciones móviles también ofrecen recetas y consejos de cocina, lo que hace que sea más fácil para los usuarios cocinar comidas saludables y deliciosas. Sin embargo, existen algunas limitaciones en el desarrollo de las ollas inteligentes. Una de las principales limitaciones es el costo. Las ollas inteligentes son generalmente más caras que las ollas tradicionales, lo que las hace menos accesibles para algunos consumidores. En adición a ello, la conectividad a internet se ha convertido en un factor clave para el correcto funcionamiento y aprovechamiento de las ollas inteligentes, ya que permiten la comunicación y el intercambio de datos con otros dispositivos y servicios en línea. Por lo tanto, el acceso a internet se convierte en una necesidad básica para poder explotar al máximo todas las funciones de estos dispositivos, lo que puede ser un problema para aquellos usuarios que viven en zonas rurales o en áreas donde el servicio de internet es deficiente o inexistente. A pesar de estas limitaciones, se espera que el mercado de ollas inteligentes siga creciendo en los próximos años. Según un informe de MarketsandMarkets, se espera que el mercado global de ollas inteligentes alcance los 1.2 mil millones USD en 2025 [5]. Además, se espera que la demanda de ollas inteligentes siga creciendo a medida que más consumidores busquen electrodomésticos de cocina más eficientes y convenientes. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 7 China es uno de los principales países fabricantes de electrodomésticos de cocina en el mundo. Hay varios fabricantes chinos de renombre que han entrado en el mercado de ollas inteligentes, incluyendo marcas como Midea, Joyoung y Supor [6]. Estados Unidos también cuenta con varios fabricantes importantes de ollas inteligentes, incluyendo Instant Pot, Crock-Pot y Ninja Foodi. Estos fabricantes han ganado popularidad en los últimos años debido a la eficiencia y conveniencia de sus productos [7]. Otros países como Japón (Panasonic, Cuckoo), Corea del Sur (Tatung, Cuchen) y Alemania (Bosch, WMF) cuentan con una presencia significativa en el mercado de electrodomésticos de cocina [7]. 1.1.1 Modelos de ollas a presión inteligentes más comercializados a nivel mundial. Bosch MUC88B68ES AutoCook: olla express eléctrica, es altamente versátil y ofrece un rendimiento equilibrado. Con 50 programas predefinidos y un libro de recetas, brinda una amplia gama de posibilidades culinarias. Además, cuenta con una página web complementaria que ofrece sugerencias de platos, listas de compras y resolución de dudas culinarias. Su tecnología de inducción permite un calentamiento más rápido, y su capacidad de 5 litros y fabricación en acero inoxidable la hacen duradera [7]. Con una potencia de 1.200 vatios, el usuario puede personalizar los ajustes de tiempo y temperatura a través del menú "Mi modo". También ofrece funciones como inicio diferido, apagado automático y mantenimiento del calor. Incluye accesorios como una bandeja de vapor de dos alturas, espátula, cuchara y cestillo para fritos. Tiene un precio de 192.93 euros [7]. Instant Pot Pro Plus: olla a presión inteligente con 10 funciones preestablecidas (cocción a presión, cocción lenta, arroz, vaporizador, salteado y más) y control de aplicaciones. Presenta una interfaz simple, una construcción sólida y funciones útiles de liberación de presión que permite obtener fácilmente excelentes resultados en todas las recetas de prueba. Un dial te permite ajustar el tiempo o la temperatura rápidamente y una opción de inicio de retardo te permite comenzar a cocinar a una hora designada y funciona como un temporizador de cocina [7]. La pantalla táctil también recibe bonificaciones por ser más fácil de limpiar que un panel de control con muchos botones. Tiene capacidad de controlar el Pro Plus con una aplicación que le da acceso a más de 1.000 recetas. Tiene un precio de 169 euros [7]. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 8 Cecotec GM H OVALL: es altamente versátil al poder cocinar hasta de 19 maneras diferentes y aplicar varias técnicas culinarias: fuego lento, escalfar, confitar, guisar, cocina con turbo, horno, freír, sofreír. Mientras, y para ahorrar energía durante el cocinado, el fabricante ha integrado un modo ‘Eco’. Asimismo, ha desarrollado un modo inteligente que adapta la cocción de las elaboraciones en función de la cantidad de alimentos que vayan a utilizarse en una receta. Durante estas elaboraciones, es posible ajustar tanto la presión que alcanza la olla como la temperatura (máximo 200ºC) a través de su pantalla LED. El dispositivo integra un panel de control para desplazarse por sus distintas opciones de manera intuitiva, incluso si es la primera vez que se utiliza una olla de este tipo [7]. Junto al recetario, el usuario puede encontrar en el blog de Ollas GM más elaboraciones. Otras funciones de interés son: modo programable 24 horas, opción de calentar y recalentar, y control guiado paso a paso por voz (es compatible con el español). Tiene un precio de 160 euros [7]. FussionCook FC7Smart: con un diseño cuadrado y una cubeta antiadherente de 6 litros de capacidad, esta olla programable integra un revestimiento externo llamado ‘Cool Touch’. Esto significa que si se toca accidentalmente mientras está funcionando el usuario no recibe quemaduras. En lo referente a este funcionamiento, aplica la cocción a presión por lo que además de cocinar en menos tiempo los alimentos se preparan de forma más sana. Es posible elegir entre 16 tipos de cocinado, y cocinar al horno, a fuego lento, dorar, sofreír, saltear. Hasta existen menús específicos para la elaboración de yogur, pan y postres [7]. Tiene un precio de 150 euros [7]. Moulinex MK812121 Maxichef Advance: electrodoméstico versátil y funcional combina capacidad, programas predefinidos, función de inicio diferido, pantalla intuitiva y accesorios útiles, lo que la convierte en una opción conveniente y versátil para simplificar la preparación de comidas en el hogar. Con una capacidad de 5 litros, esta olla es ideal para preparar comidas en cantidades medianas y grandes. Está fabricada con materiales duraderos y de alta calidad como acero inoxidable. Además, cuenta con una amplia variedad de programas predefinidos que facilitan la preparación de diversos platos, como arroz, sopas, guisos, carnes y postres. La función de inicio diferido permite programar la olla para que comience a cocinar en un momento específico, lo que resulta muy conveniente para tener la comida lista a una hora determinada. La pantalla y el panel de control intuitivos simplifican la selección de CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 9 programas y ajustes de tiempo y temperatura [7]. Después de finalizar la cocción, la olla puede mantener la comida caliente durante un tiempo determinado. Además, se incluyen accesorios prácticos como una cuchara para servir y un vaso medidor. Tiene un precio de 180 euros [7]. Cecotec Robot de Cocina Multifunción Mambo 9090: es un potente y versátil robot de cocina con 30 funciones diferentes. Puede trocear, picar, licuar, triturar, sofreír, moler, pulverizar, rallar, recalentar, batir, yogurtera, montar, emulsionar, mezclar, cocinar, remover, cocinar al vapor, escalfar, confitar, amasar, cocinar a baja temperatura, hervir, mantener caliente, fermentar, SlowMambo, cocinar con precisión, cocinar al baño maría, cocción lenta, velocidad cero y tiene una función Turbo. Además, cuenta con una báscula incorporada que permite pesar los alimentos con precisión, una jarra de acero inoxidable de alta calidad apta para lavavajillas y un sistema inteligente de potencia calorífica que simula un fuego tradicional con diferentes niveles de intensidad. Esto evita el sobrecalentamiento y garantiza que los alimentos no se peguen ni se quemen. El motor de doble engranaje del robot aprovecha su rendimiento tanto en altas como en bajas velocidades [7]. El Mambo 9090 tiene una gran pantalla digital intuitiva con panel de control táctil, 10 velocidades y un temporizador ajustable que va desde 1 segundo hasta 12 horas. Además, la temperatura es ajustable grado a grado desde 37 ºC hasta 120 ºC. Cabe destacar que ha sido un éxito de ventas en Europa y ha sido muy bien recibido debido a sus excelentes prestaciones. 1.1.2 Principales características de las ollas inteligentes actuales. Función de cocción: Las ollas inteligentes se pueden clasificar según su función de cocción, como la función de cocción a presión, la función de cocción lenta, la función de cocción al vapor, la función de salteado, entre otras [8]. Capacidad: Las ollas inteligentes se pueden clasificar según su capacidad de cocción en litros. Con capacidades que van desde 3 litros a 10 litros o más [6]. Conectividad: Las ollas inteligentes son capaces de conectarse a una red Wi-Fi o Bluetooth, esto permite a los usuarios controlar la olla de forma remota y programar la cocción desde un dispositivo móvil [1]. Material: Las ollas de acero inoxidable son populares debido a su durabilidad y resistencia CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 10 a la corrosión, mientras que las ollas de cerámica son conocidas por su capacidad para retener el calor y cocinar los alimentos uniformemente [9]. Pantalla: Las ollas inteligentes poseen diferentes tipos de pantalla, como las pantallas LED o LCD. Algunas ollas también tienen pantallas táctiles que permiten a los usuarios controlar la cocción y ajustar la temperatura y el tiempo de cocción [10]. Diseño: Las ollas inteligentes varían en el tamaño, la forma y el estilo. Algunas ollas tienen un diseño moderno y elegante, mientras que otras tienen un diseño más tradicional [11]. Seguridad: Las ollas inteligentes ofrecen distintas características de seguridad, como la protección contra sobrecalentamiento y la detección de líquidos. Algunas ollas tienen características de seguridad adicionales, como la verificación de usuario y la detección de caídas [12]. Programas preestablecidos: Las ollas inteligentes poseen diversos programas preestablecidos, como la función de arroz, la función de sopa, la función de estofado, entre otros. También tienen programas preestablecidos para cocinar alimentos específicos, como carne, pescado o vegetales [2]. Accesorios: Las ollas inteligentes cuentan con diversos accesorios que vienen con ellas, como la cesta de vapor, el vaso medidor, la cuchara de arroz, entre otros. Algunas ollas también poseen accesorios adicionales disponibles para la compra, como moldes para hornear, tapas de vidrio y cuchillas de corte [6]. 1.2 Plataformas de cómputo para el desarrollo de ollas a presión inteligente. Actualmente existen varias plataformas de cómputo libres que son capaces de integrar con éxito múltiples sensores y funcionalidades, las más populares son Arduino [13], Raspberry- pi [14] y la familia ESP8266 y ESP32 [15]. Todas ellas se pueden considerar como entornos libres en cuanto al hardware y software que se emplea en el desarrollo. Los microcontroladores Arduino son muy populares debido a su facilidad de uso y amplia comunidad de usuarios. Permiten programar y controlar diferentes funciones de la olla inteligente. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 11 La placa Arduino MEGA 2560 en su revisión 3 presenta 54 pines digitales con capacidad de entrada y salida, así como 16 entradas analógicas con una resolución de hasta 10 bits en los conversores analógicos-digitales. Adicionalmente los pines digitales pueden ofrecer salidas con modulación de ancho de pulso e incorpora varias interfaces digitales como son I2C, serie y GPIO [16]. El sistema cuenta con librerías que permiten agregarle hardware para dotarlo de capacidades como pueden ser comunicación inalámbrica, conexión a redes de computadoras y almacenamiento externo. La placa Arduino Uno presenta características similares a la anteriormente descrita, aunque con una menor cantidad de interfaces de entrada/salida. Por estas características se considera su empleo el cual permite dotar a los sistemas de modularidad y facilita la implementación del software necesario, tanto por la asistencia que prestan sus promotores y por los variados foros de desarrolladores que existen. También se tiene en cuenta que el consumo energético es reducido y que las interfaces de comunicación presentan las características adecuadas para incorporar variedad de sensores y para futuras expansiones [17]. La plataforma Raspberry Pi fue creada como herramienta para facilitar el aprendizaje de la programación, la robótica y la electrónica en las aulas. Permite construir proyectos muy diferentes y aprender estas disciplinas durante el proceso [14]. La placa Raspberry PI 4 Modelo B 4GB está un paso por encima de los modelos anteriores. Se incluye una completa experiencia de escritorio [14]. Al editar documentos, abrir muchas ventanas web, trabajar con hojas de cálculo o editar presentaciones tendrá una experiencia fluida y muy familiar a otros ambientes pero en una máquina mucho más pequeña, más eficiente y más económica con un precio de 35 USD. Además de estas plataformas es importante destacar los chips ESP8266 y su nueva versión ESP8285 que aportaba una memoria Flash integrada, pero su fabricante Espressif da un salto con el modelo ESP32 [18]. Es el ESP32, un dispositivo mucho más potente que su predecesor, ha sido diseñado completamente enfocado al marco del Internet de las Cosas, con nuevas aportaciones como Bluetooth y Wi-Fi que ya disponía el modelo ESP8266, CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 12 peculiaridad muy a tener en cuenta para facilitar las comunicaciones. También cuenta con un procesador adicional y la aportación de pines de salida digital a analógica, DAC. Destacándose en la familia ESP32 el módulo Wi-Fi + Bluetooth LE ESP32-WROOM-32D diseñado para ser escalable y adaptable. La integración de Bluetooth, Bluetooth LE y Wi-Fi garantiza que se pueda abordar una amplia gama de aplicaciones y que el módulo sea polivalente: el uso de Wi-Fi permite un gran alcance físico y la conexión directa a Internet a través de un router Wi-Fi, mientras que el uso de Bluetooth permite al usuario conectarse cómodamente al teléfono o emitir balizas de baja energía para su detección. Es una solución altamente versátil y eficiente para proyectos de IoT, AIoT, smarthome, smartcities, domótica, robots y electrónica vestible. Con dos núcleos de CPU controlables individualmente, frecuencia ajustable, periféricos variados y bajo consumo de corriente, ofrece un amplio alcance físico y características de seguridad como TLS 1.2 y actualizaciones seguras OTA [19]. Es una opción popular para aplicaciones alimentadas por batería y se destaca por su rendimiento en conectividad y control. Con un precio en el mercado de tan solo 2.30 USD. 1.2.1 Selección de la plataforma de desarrollo y del software. El ESP32 es un chip integrado altamente completo y versátil, elegido por su tamaño compacto, bajo costo y capacidad de integrar Wi-Fi de alta velocidad y Bluetooth. Puede funcionar como un sistema independiente o como un dispositivo esclavo para alojar una MCU, reduciendo la carga de comunicación en la aplicación principal del procesador. A diferencia del ESP8266, el ESP32 tiene mejoras significativas, como un segundo procesador dedicado para eventos Wi-Fi, capacidad de utilizar Bluetooth Low Energy (BLE) [19] con bajo consumo energético, mayor cantidad de pines GPIO, más pines ADC y DAC, pines sensibles al tacto para despertar del modo de sueño profundo y un sensor de efecto Hall incorporado. Es una opción interesante para proyectos basados en sistemas embebidos y aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), ofreciendo altas prestaciones en comparación con plataformas de desarrollo estándar como Arduino [19]. El entorno de desarrollo para monitorizar los sensores de la olla y comunicar el hardware y la aplicación web a través de Wi-Fi es el Arduino IDE [20]. Una plataforma de código abierto de hardware y software encaminada a programar sistemas embebidos de una manera fácil. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 13 Su cómoda programación se realiza por medio de sketches y con la ayuda de librerías propias o de terceros para controlar el hardware. Además de la propia marca Arduino, diferentes desarrolladores han incluido diversas tarjetas para ser programadas bajo esta plataforma, puesto que este lenguaje es un referente y estándar para la programación de la mayoría de tarjetas embebidas que existen actualmente en el mercado como lo es el ESP32. 1.3 Funcionamiento de la olla electrónica e ingeniería inversa. En esta tarea se realiza una ingeniería inversa detallada de la arquitectura y esquema eléctrico y electrónico de la Olla a presión electrónica, modelo OPE05. Se identifican cuáles son los componentes de la Olla que se aprovechan y cuáles se sustituirán para convertirla en una Olla inteligente. Se define la arquitectura de la olla Inteligente y finalmente se identifican componentes que pudiera comprar el INPUD para el desarrollo de la investigación y el montaje de maquetas. 1.3.1 Funcionamiento de la olla electrónica modelo OPE05. El punto de partida de este proyecto es aprovechar, en lo posible, las partes existentes de la olla electrónica que actualmente se ensambla. Por ello se trata de utilizar al máximo los componentes, cableado, sensores, etc. Por ello se realiza la ingeniería inversa de los circuitos eléctricos y electrónicos de la Olla Electrónica OPE05. El elemento calefactor, compuesto por una resistencia eléctrica, es controlado por un dispositivo electrónico que regula la temperatura y un dispositivo electromecánico que gestiona la presión mediante un sistema de encendido/apagado (ON/OFF). Este sistema establece parámetros de control límite, los cuales pueden ser ajustados según el programa seleccionado por el usuario para diferentes tipos de cocción. Además, cuenta con una protección adicional mediante un fusible térmico no reponible. A continuación se presentan sus características generales:  Alimentación 110 V 60 Hz  Potencia 800 W  Capacidad 4.0 L CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 14  Calibre 22 cm  Presión 40 – 70 kPa  Mantener Caliente 60 – 80 ℃ En la Figura 1.1 se muestran los bloques que forman la Olla electrónica. Los componentes eléctricos están formados por el cableado de potencia, conectores, fusibles y resistencia calefactora. Se identifican dos bloques de la parte electrónica: Fuente de alimentación y Control Electrónico con display y teclado. Estos están separados en dos Placas de Circuito Impreso (PCB). Figura 1.1. Diagrama de bloques de la olla electrónica. El esquema de la Fuente de alimentación, contenido en el PCB homónimo, se presenta en la Figura 1.2, contiene una fuente de alimentación a transformador con 12 Volt y un regulador lineal 78L05 para los 5 Volt. Contiene un Buzzer para emitir los sonidos de señalización del funcionamiento de la Olla. Contiene los conectores para el sensor de temperatura NTC, los del sensor de presión ON/OFF, así como otros elementos adaptadores y drivers que se conectan con el PCB del bloque de control electrónico. También contiene un relé que sirve de actuador para el encendido de la resistencia calefactora. 1 J1 AC 1 J2 AC 20 Fusible térmico Control Electrónico Resistencia Calefactora Fusible térmico Relé -tc 25.00 NTC 20k Display y Teclado Presión Fuente de alimentación CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 15 Figura 1.2 Esquema de la Fuente de Alimentación. Los elementos de la fuente de alimentación, antes descritos, están contenidos en una PCB, como se puede observar en la Figura 1.3. PCB de la fuente de Alimentación.. Figura 1.3. PCB de la fuente de Alimentación. A continuación, se describe el funcionamiento de la Olla Electrónica modelo OPE05 a partir de la modelación de los dispositivos del diagrama de la Figura 1.1. En la Tabla 1.1 se presentan los dispositivos y sus características. 1 J1 AC 1 J2 AC 20 Fusible térmico Resistencia Calefactora Fusible térmico RL1 G5CLE-1-DC12 TR1 TRAN-2P2S 1N4007 1N4007 1N4007 1N4007 1N4007 1N4007 BUZ1 BUZZER Q1 2SC1815 R2 10k R3 4k7 1 BUZ VI 3 VO 1 G N D 2 U178L05 C1 220U R4 50 Q2 2SC1815 1 2 Sensor presión R5 4k7 1N4007 R6 10k Q3 2SC1815 R7 4k7 1 V 1 Vin 1 KG 1 RLY C2 100U 1 GND 1 2 NTC R8 1M R9 5k6 1 NTC R10 4K7 NTC 1 2 1 2 PRESION CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 16 Tabla 1.1. Dispositivos y sus características. Dispositivo Parámetro ON OFF Fusible Térmico 165 0C NC Abierto Presión 70 kPa NC >70 kPa NTC 0C Control Electrónico Temporizador Tiempo Programable Modelo general. Resistencia Calefactora ON, Si { (Fusible térmico ON) AND (Relé ON) } Las funciones de la olla son programables y se activan mediante un relé ON, que opera en función del control electrónico basado en señales de presión y temperatura (NTC). Sin embargo, no se cuenta con información sobre las funciones programadas en el controlador electrónico. El bloque de Control Electrónico, que incluye un display y un teclado, está compuesto por un circuito integrado controlador (del cual no se dispone de información), un display de cuatro dígitos, varias teclas funcionales y LED indicadores. Las señales de control que se intercambian con el PCB de la Fuente de Alimentación son las siguientes:  NTC, Medición de temperatura a través del voltaje del NTC de la olla.  KG, Salida del sensor de presión ON/OFF Normalmente Cerrado ("0" Presión > 70 kPa).  RLY, Salida de control del relé ("1" relé ON).  Buz, Salida para control del Buzzer (verificar si es activo o pasivo).  V, Vin, Alimentación de 5 V para el PCB de control.  GND, Común de la fuente de alimentación. No se dispone de información del Circuito Integrado controlador, ni de su programación y por tanto de sus funciones de control. Se desconoce cómo se controlan las distintas funciones CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 17 de cocción, por lo que es necesario realizar un estudio del comportamiento de todas las variables eléctricas y electrónicas durante los distintos procesos de cocción, para luego poderlas programar en la nueva propuesta de control inteligente. Se propone crear una maqueta para adquirir los parámetros eléctricos de las funciones de la Olla. 1.3.2 Maqueta para la adquisición de las señales eléctricas de las funciones de la olla electrónica. Se propone la captura de mediciones de la olla electrónica, utilizando un Arduino MEGA2560, hardware robusto para este tipo de aplicaciones, además de asequible y de código abierto. Los parámetros a medir son los siguientes:  NTC, Medición de temperatura a través del voltaje del NTC de la olla. Se conecta en paralelo con la medición que realiza la PCB de control de la olla. Esto pudiera cargar el divisor resistivo y provocar cambios en el valor medido que hasta el momento se consideran despreciables.  LM35 circuito integrado que se añade (físicamente pegado al sensor NTC en la olla) como fuente adicional para medir la temperatura. Solo funcionará durante las pruebas de la maqueta, no estará en el diseño final de la olla inteligente.  KG, Salida del sensor de presión ON/OFF Normalmente Abierto ("1" Presión > 70 kPa). Para medir el estado de la presión en la olla.  RLY, Salida de control del relé ("1" relé ON). Para medir el estado de activación de la resistencia calefactora en la olla.  V, Vin, Alimentación de 5 V para el PCB de control. Esta señal se utilizará para conocer cuando se termina la cocción, a través de la desconexión manual del cable de alimentación. La Figura 1.4. Esquema de conexiones del Arduino MEGA a la placa de alimentación de la olla electrónica.4 muestra el esquema de conexión del Arduino con la PCB fuente de alimentación de la olla. En la Figura 1.5. Maqueta de mediciones con Arduino MEGA y olla electrónica.se muestra la maqueta formada por el Arduino MEGA2560 y las conexiones con la olla electrónica y la conexión con la PC. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 18 Figura 1.4. Esquema de conexiones del Arduino MEGA a la placa de alimentación de la olla electrónica. Figura 1.5. Maqueta de mediciones con Arduino MEGA y olla electrónica. Se utilizó el Arduino IDE para programar el Arduino MEGA. Este programa es el encargado de recopilar las mediciones de las diferentes variables que intervienen en los procesos de cocción de la olla electrónica. 1 BUZ 1 2 Sensor presión 1 V 1 Vin 1 KG 1 RLY 1 GND 1 2 NTC 1 NTC PWM COMUNICATION D IG IT A L ANALOG IN ATMEGA2560 16AU 1126 TX 0 TX 3 TX 2 TX 1 SD A SC L R X0 R X3 R X2 R X1 Reset BTN www.TheEngineeringProjects.com ON ON ON Arduino Mega 2560 PD 0/ SC L/ IN T0 21 PD 1/ SD A/ IN T1 20 PD 2/ R XD 1/ IN T2 19 PD 3/ TX D 1/ IN T3 18 PH 0/ R XD 2 17 PH 1/ TX D 2 16 PJ 0/ R XD 3/ PC IN T9 15 PJ 1/ TX D 3/ PC IN T1 0 14 PE 0/ R XD 0/ PC IN T8 0 PE 1/ TX D 0/ PD O 1 PE 4/ O C 3B /IN T4 2 PE 5/ O C 3C /IN T5 3 PG 5/ O C 0B 4 PE 3/ O C 3A /A IN 1 5 PH 3/ O C 4A 6 PH 4/ O C 4B 7 PH 5/ O C 4C 8 PH 6/ O C 2B 9 PB 4/ O C 2A /P C IN T4 10 PB 5/ O C 1A /P C IN T5 11 PB 6/ O C 1B /P C IN T6 12 PB 7/ O C 0A /O C 1C /P C IN T7 13 AR EF PK 7/ AD C 15 /P C IN T2 3 A1 5 PK 6/ AD C 14 /P C IN T2 2 A1 4 PK 5/ AD C 13 /P C IN T2 1 A1 3 PK 4/ AD C 12 /P C IN T2 0 A1 2 PK 3/ AD C 11 /P C IN T1 9 A1 1 PK 2/ AD C 10 /P C IN T1 8 A1 0 PK 1/ AD C 9/ PC IN T1 7 A9 PK 0/ AD C 8/ PC IN T1 6 A8 PF 7/ AD C 7/ TD I A7 PF 6/ AD C 6/ TD O A6 PF 5/ AD C 5/ TM S A5 PF 4/ AD C 4/ TC K A4 PF 3/ AD C3 A3 PF 2/ AD C2 A2 PF 1/ AD C1 A1 PF 0/ AD C0 A0 R ES ET VC C G N D PA0/AD0 22 PA1/AD1 23 PA2/AD2 24 PA3/AD3 25 PA4/AD4 26 PA5/AD5 27 PA6/AD6 28 PA7/AD7 29 PC6/A14 31 PC5/A13 32 PC4/A12 33 PC3/A11 34 PC2/A10 35 PC1/A9 36 PC0/A8 37 PD7/T0 38 PG2/ALE 39 PG1/RD 40 PG0/WR 41 PL7 42 PL6 43 PL5/OC5C 44 PL4/OC5B 45 PL3/OC5A 46 PL2/T5 47 PL1/ICP5 48 PL0/ICP4 49 PB3/MISO/PCINT3 50 PB2/MOSI/PCINT2 51 PB1/SCK/PCINT1 52 PB0/SS/PCINT0 53 PC7/A15 30 ARD1 ARDUINO MEGA 2560 27 .0 3 1 VO U T 2 U1 LM35 CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 19 A continuación en la Figura 1.6, se presentan las variables que intervienen en el programa: Figura 1.6. Señales de control de la olla electrónica (Ver Anexo I, código completo de Arduino IDE para la obtención de las señales de control). Se definen tres variables de tipo float: data_LM35, NTC y Alim_5V. Estas variables se utilizan para almacenar los valores de las lecturas de los sensores LM35, NTC y alimentación de 5 V respectivamente. Las constantes KG y RLY se definen con los valores 2 y 3 respectivamente, y se utilizan para especificar los pines digitales en los que están conectados los componentes relacionados con la presión. Los datos recogidos a través del Arduino MEGA son enviados por puerto serial a la laptop, donde serán almacenados en documentos .CSV para su utilización como Base de Datos para el posterior modelado de las funciones de cocción de la olla a presión inteligente. 1.3.3. Herramientas de obtención y análisi de datos Arduino-Python. El código de Arduino IDE envía los datos de los sensores a través del puerto serie, lo que facilita el registro y almacenamiento de los datos en una computadora u otro dispositivo. Esto permite realizar análisis posteriores, estudiar el comportamiento de las variables en diferentes situaciones y mejorar el proceso de cocción o calentamiento. Brindando la oportunidad de identificar áreas de mejora, ajustar parámetros y perfeccionar el funcionamiento del prototipo, lo que puede llevar a un diseño final más eficiente y satisfactorio. Utilizando los valores de los sensores, se pueden implementar algoritmos de control para regular automáticamente la temperatura o la presión en la olla. Esto permite mantener las condiciones deseadas de cocción de manera constante y precisa, mejorando la calidad y consistencia de los alimentos preparados. El script codificado en Python es el encargado de guardar los valores de las mediciones de las diferentes variables que intervienen en los procesos de cocción de la olla electrónica, CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 20 recopilados por el Arduino MEGA y recibidos por el puerto serie. En la Figura 1.7 se presenta el script de Python para almacenar los valores de las variables. Figura 1.7 Script de Python para almacenar los datos de los procesos de cocción. Se importan las librerías os, para trabajar con el sistema operativo de la computadora, serial para poder leer los daros enviados por el puerto serie, en este caso el puerto COM4, la librería CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 21 time para acceder a la hora y fecha en tiempo real; y por último la librería csv para guardar los valores en archivos en este formato, compatible con varios gestores de base de datos. El proceso de obtención de los valores a través de la maqueta Arduino-Python se realiza para cada una de las funciones de cocción de la olla: sopa, arroz, frijoles, estofado, carne/pollo y mantenimiento de la temperatura. Los valores de las señales son guardadas por columnas en su respectivo archivo csv, junto a la fecha y hora actual. La Figura 1.8 muestra una porción de un archivo csv utilizado para almacenar los valores de las señales de control de las funciones de la olla electrónica. Figura 1.8 Porción de archivo CSV con los valores de las variables de control almacenados. Para mejorar la visualización e interpretación del comportamiento de las variables en los diferentes procesos de cocción de la olla electrónica se codificó un script en Python para leer y graficar los archivos csv que se obtienen de la maqueta desarrollada para recopilar el comportamiento de las variables de control de la olla electrónica. Se utiliza la librería panda, especializada en el diseño gráfico en el lenguaje de programación Python. En la Figura 1.9 se observa una de las gráficas generadas con el script para graficar. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 22 Figura 1.9 Gráfica con el comportamiento de las variables del control de la olla durante el proceso de cocción de frijoles (Ver Anexo II para consultar el script de Python completo para graficar las señales de control de la olla electrónica). 1.4 Modificaciones del hardware actual ensamblado en el INPUD. Luego de un detallado estudio de los esquemas eléctricos y electrónicos, de la olla electrónica ensamblada en el INPUD, se propone realizar modificaciones a la olla electrónica OPE05 para convertirla en un dispositivo inteligente, dotado de conexión a internet y pudiendo ser controlado desde una página web o una aplicación móvil. Se proponen las siguientes modificaciones:  Reutilizar todos los componentes eléctricos formados por el cableado de potencia, conectores, fusibles y resistencia calefactora.  Reutilizar la Fuente de alimentación con su PCB y los conectores con los sensores de temperatura NTC, de presión y conector con PCB de Control Electrónico. CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 23  Sustituir el chip 78L05 de 10 mA y la fuente de alimentación a transformador con 12 Volt por una única fuente conmutada de 5V, para garantizar el correcto funcionamiento del ESP32.  Remplazar el circuito de Control electrónico Display y Teclado, por un procesador ESP32 con display táctil, que cumple las funciones de controlador, display y teclado, además de comunicaciones inalámbricas Wi-Fi y Bluetooth, simultáneamente. Todo esto queda resuelto con un módulo Development Board 2.8 Inch Touch Screen LCD TFT Module ESP-ROOM, con un precio de $ 7.80, disponible en https://www.aliexpress.us/item/3256804775757510.html?gatewayAdapt=esp2usa4it emAdapt [21]. La arquitectura propuesta se puede observar en la Figura 1.10. Diagrama de bloques de la arquitectura propuesta de la Olla Inteligente.1.10 donde el bloque de Control Electrónico con display y teclado, se ha sustituido por el módulo Touch Screen LCD TFT Module ESP- WROOM. Figura 1.10. Diagrama de bloques de la arquitectura propuesta de la Olla Inteligente. La ESP32 Development Board 2.8 Inch Touch Screen LCD TFT Module ESP-WROOM (ESP32-2432S028) se convierte en el corazón de la nueva olla a presión inteligente, es una placa de desarrollo basada en el microcontrolador ESP32 y cuenta con una pantalla táctil LCD TFT de 2.8 pulgadas [21]. El ESP32 es un microcontrolador de bajo consumo de energía 1 J1 AC 1 J2 AC 20 Fusible térmico Touch Screen LCD TFT Resistencia Calefactora Fusible térmico Relé -tc 25.00 NTC 20k Module ESP-WROOM Presión Fuente de alimentación https://www.aliexpress.us/item/3256804775757510.html?gatewayAdapt=esp2usa4itemAdapt https://www.aliexpress.us/item/3256804775757510.html?gatewayAdapt=esp2usa4itemAdapt CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 24 y de alto rendimiento que integra Wi-Fi y Bluetooth. La placa de desarrollo ESP32 incluye el módulo ESP-WROOM, que es la unidad central del sistema y contiene el microcontrolador ESP32, así como una antena Wi-Fi y Bluetooth integrada [22]. La placa se utilizará para controlar y gestionar las operaciones de la olla inteligente. Puede encargarse de recibir y procesar los datos de los sensores de temperatura y presión, controlar el relé o controladores de potencia para ajustar la temperatura y tiempo de cocción, y ejecutar el software necesario para las funciones inteligentes de cocción de la olla. La pantalla táctil LCD TFT de 2.8 pulgadas permite una interfaz de usuario intuitiva y amigable [21]. Se puede utilizar para mostrar información relevante, como la temperatura actual, el tiempo de cocción restante, las opciones de configuración y otros datos importantes para el usuario. Además, se puede implementar la funcionalidad táctil para permitir la interacción del usuario con la olla, como ajustar la temperatura o seleccionar programas de cocina predefinidos. También ofrece capacidades de conectividad inalámbrica, como Wi-Fi y Bluetooth [23]. Esto permite la comunicación de la olla inteligente con otros dispositivos, como smartphones o asistentes virtuales, para facilitar el control remoto, recibir actualizaciones de recetas o enviar notificaciones al usuario. La Figura 1.11. Componentes que integran la placa de desarrollo TFT táctil [21].1.11 muestra los componentes que integran esta placa de desarrollo. Figura 1.11. Componentes que integran la placa de desarrollo TFT táctil [21]. Otro de los cambios más importantes a realizar es la sustitución del chip 78L05 y la fuente de alimentación a transformador con 12 Volt que se encuentran instalados en el PCB fuente de alimentación de la Olla Electrónica, ya que se necesita más corriente para garantizar el CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 25 correcto funcionamiento del ESP32 que tiene un consumo nominal de aproximadamente 80 mA y picos superiores a los 300 mA durante los procesos de acceso a la red Wi-Fi con duración de ms. Para resolver esta situación se puede reemplazar el 78L05 de 100 mA y la fuente a transformador por una única fuente conmutada de 5V. Adicionalmente, para optimizar la compatibilidad con esta nueva fuente de 5 V, se recomienda sustituir el relé actual por uno con características similares, pero diseñado para operar a 5 V, con un precio de $0.80, disponible en https://novatronicec.com/index.php/product/rele-5v-dc-5-pines/ [24]. Este cambio no solo simplifica el circuito, sino que también mejora la coherencia en el sistema de alimentación, garantizando un funcionamiento confiable y eficiente de la olla inteligente. 1.5 Conclusiones Parciales del Capítulo. La revisión bibliográfica revela que las ollas inteligentes son electrodomésticos de cocina que utilizan tecnología avanzada para mejorar el proceso de cocción y hacerlo de forma más eficiente. Las ollas electrónicas son similares a las ollas de cocina mecánicas en que utilizan la presión y el vapor para cocinar los alimentos. Sin embargo, las ollas electrónicas tienen más funciones y características adicionales, como la capacidad de programar el tiempo y la temperatura de cocción, así como mantener la comida caliente después de cocinarla. La producción de ollas inteligentes es crucial por su impacto en la eficiencia culinaria, la sostenibilidad y las implicaciones económicas. Desde una perspectiva económica, el crecimiento del mercado de ollas inteligentes genera empleo en los sectores de fabricación y distribución, apoyando las economías locales. Además, su uso puede resultar en ahorros significativos para los hogares, al permitir la preparación de comidas saludables y económicas, utilizando ingredientes menos costosos que se benefician de cocciones prolongadas. La combinación de eficiencia energética y reducción en costos de alimentos posiciona a las ollas inteligentes como una inversión atractiva para los consumidores modernos. A partir de la ingeniería inversa de la olla electrónica que se produce en INPUD, fue posible identificar los elementos que se pueden reutilizar en el diseño de la olla inteligente. Se mantienen los componentes eléctricos de potencia y la fuente de alimentación. Se sustituye https://novatronicec.com/index.php/product/rele-5v-dc-5-pines/ CAPÍTULO 1. ESTADO DE AVANCE DE LAS OLLAS A PRESIÓN INTELIGENTE. FUNDAMENTACIÓN 26 el PCB de control de la olla electrónica por el módulo Touch Screen LCD TFT, que aporta el procesamiento ESP32, comunicaciones Wi-Fi y bluetooth, así como teclado táctil y display LCD. INPUD busca desarrollar la Olla a Presión Inteligente para reducir la importación de componentes de ollas eléctricas y modificarlas para incluir funciones inteligentes, como comunicaciones y operación remota. Esto no solo promueve la independencia tecnológica, sino que también contribuye a la transformación digital de la sociedad. Al aumentar el porcentaje de componentes fabricados localmente, se disminuyen las importaciones, lo que puede generar empleo y fomentar el desarrollo económico. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 27 CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA. Basado en el análisis realizado en el capítulo anterior y en los recursos de hardware con que se cuenta, en este capítulo se analizan las características del sistema propuesto tanto en hardware como en software. Se describen las partes que conforman el equipo a diseñar, tales como: el microcontrolador a utilizar, display, el software con el cual se diseña la interfaz gráfica, así como la comunicación entre el microcontrolador y la aplicación que se utiliza para el control remoto. Finalmente, se analizan las gráficas de comportamiento de cocción y mantenimiento de la temperatura de la olla electrónica INPUD y se proponen los algoritmos de control de la olla a presión inteligente. 2.1 Arquitectura del hardware propuesto. En el mercado actual existen una gran variedad de placas de desarrollo que integran las funcionalidades de procesamiento, comunicación inalámbrica y una pantalla TFT en la que implementar una interfaz de usuario gráfica para la interacción con el dispositivo. Se elige el ESP32-2432S028 [25], es una placa de desarrollo que integra un módulo ESP32, diseñado para aplicaciones de IoT (Internet de las Cosas) y proyectos de electrónica. Esta placa cuenta con una pantalla táctil de 2.8 pulgadas, lo que la convierte en una opción ideal para crear interfaces de usuario interactivas. Además de su conectividad Wi-Fi y Bluetooth, el ESP32-2432S028 ofrece múltiples pines GPIO que permiten la conexión de diversos sensores y actuadores, facilitando la creación de proyectos complejos [25]. Permite sustituir todas las funciones de la tarjeta de control, display y teclado de la olla electrónica (Figura 1.1 del Epígrafe 1.3.1). La versatilidad del ESP32-2432S028 se complementa con su capacidad para soportar diferentes tipos de firmware, lo que permite a los usuarios personalizar su funcionamiento CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 28 según las necesidades específicas de su proyecto. Con características como la integración de memoria PSRAM (Pseudo Static Random Access Memory) en algunas versiones, esta placa es adecuada para aplicaciones que requieren un manejo eficiente de gráficos y datos. La placa de desarrollo ESP32-2432S028R se conoce en la comunidad de desarrolladores como el "Cheap Yellow Display" o CYD, para abreviar. Esta placa de desarrollo, cuyo chip principal es un módulo ESP32-WROOM-32, una interfaz para tarjeta microSD, un LED RGB y toda la circuitería necesaria para programar y alimentar la placa [25]. A continuación se presenta una lista de especificaciones más detalladas de esta placa de desarrollo [25]:  MCU de doble núcleo, funciones integradas de WI-FI y Bluetooth.  Precio $ 7.80.  Frecuencia puede alcanzar 240MHz.  520KB SRAM, 448KB ROM, Tamaño Flash es de 4MB.  Tamaño del módulo 50.0-86.0mm.  Volta de funcionamiento: 5V.  Consumo de energía: aproximadamente 115mA.  Peso del producto: aproximadamente 50g.  El módulo incluye: o Pantalla de visualización TFT de color de 2.8 pulgadas con chip de controlador ILI9341. o Resolución de visual de visual: 240x320px con pantalla táctil resistiva. o Circuito de control de retroiluminación. o Interfaz de tarjeta TF para almacenamiento externo. o Interfaz serie. o Interfaz de sensores de temperatura y humedad (interfaz de HDH11) e interfaz de puerto de IO reservada. o Se puede programar con: Arduino IDE, MicroPython, ESP-IDF. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 29 La pantalla TFT se comunica con el ESP32 con el protocolo de comunicación SPI (HSPI). En la Tabla 2.1 se presenta la asignación de pines que generalmente se utiliza para la pantalla TFT: Tabla 2.1: Asignación de pines para la comunicación del ESP32 y el display [25]. La pantalla táctil también utiliza el protocolo SPI para comunicarse con el ESP32. La Tabla 2.2 presenta los pines VSPI para la pantalla táctil: Tabla 2.2: Asignación de pines para la comunicación SPI [25]. El ESP32 es compatible con el estándar Wi-Fi 802.11 b/g/n, lo que permite una transferencia de datos eficiente a velocidades de hasta 150 Mbps en la banda de 2.4 GHz. Además, incorpora Bluetooth 4.2, que incluye tanto Bluetooth clásico como Bluetooth Low Energy CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 30 (BLE) [25], facilitando la conexión con una amplia gama de dispositivos y sensores, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones de Internet de las Cosas (IoT). Su integración de Wi-Fi y Bluetooth en un solo chip reduce la necesidad de componentes adicionales, simplificando el diseño de hardware y disminuyendo los costos. También ofrece una amplia variedad de interfaces periféricas, como SPI, I2C y UART, lo que permite una fácil conexión con otros dispositivos y sensores. Un recurso adicional importante es el sistema SPIFF (SPI Flash File System), que permite almacenar archivos en la memoria flash del microcontrolador, como el ESP32. SPIFF facilita la gestión de archivos como HTML, CSS, JavaScript y otros recursos necesarios para la interfaz web directamente en la placa. Esto permite que el microcontrolador sirva contenido web de manera eficiente sin necesidad de un servidor externo, optimizando el uso de recursos y mejorando la velocidad de carga de la aplicación web. Se utilizan protocolos de comunicación como HTTP, WebSocket y MQTT. HTTP es el protocolo estándar para transferir datos entre un navegador web y un servidor, permitiendo la carga de páginas web y el envío de formularios. WebSocket establece una conexión bidireccional persistente, facilitando la comunicación en tiempo real entre la web y dispositivos embebidos [25]. MQTT es un protocolo ligero basado en publicación/suscripción, ideal para la comunicación entre la web y placas en aplicaciones de IoT que requieren un bajo consumo de ancho de banda. Además, se pueden utilizar APIs REST (Representational State Transfer) para exponer funcionalidades de la placa a través de la web de manera estandarizada [25]. 2.1.1 Asignación de pines para las variables de control de las funcionalidades de la olla. Las señales de control que se intercambian con el PCB Fuente de Alimentación son las siguientes, correspondientes a la Figura 1.2:  NTC, Medición de temperatura a través del voltaje del NTC de la olla.  KG, Salida del sensor de presión ON/OFF Normalmente Abierto ("1" Presión > 70 kPa). CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 31  RLY, Salida de control del relé ("1" relé ON).  BUZ, Salida para control del Buzzer (verificar si es activo o pasivo).  Vin, Alimentación de 5 V para el PCB de control.  GND, Común de la fuente de alimentación. Por otra parte, la placa de desarrollo tiene el esquemático que se muestra en la Figura 2.1. Figura 2.1. Esquemático de la placa de desarrollo ESP32-2432s028. En el esquema de la Figura 2.1, se presentan pines asociados a las funciones del módulo ESP- WROOM-32, denominados P1 a P4 y CN1, estos se reutilizan y se implementan en la placa de desarrollo que se muestra en la Figura 2.2. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 32 Figura 2.2. Esquema físico de la placa ESP32-2432s028. Esta placa de desarrollo contiene los siguientes elementos: RGB LED: la placa presenta un LED RGB en la parte trasera que puede ser usado para depuración de código y detección de errores, el LED es controlado por los pines GPIO 4 (rojo), GPIO 16 (verde) y GPIO 17 (azul). El LED RGB trabaja con lógica invertida porque son activos en baja (HIGH = OFF y LOW = ON) [26]. Extended IO: es un conector 4P 1.25 mm que contiene 4 pines: GND, GPIO 35, GPIO 22, GPIO 21. Es importante destacar que el GPIO 22 también se utiliza en el conector Temperature and humidity interface. El GPIO 21 está destinado a la retroiluminación de la pantalla. Por lo tanto, mientras la retroiluminación esté activada, se afectará la salida GPIO 21 [26]. Temperature and humidity interface: es un conector 4P 1.25 mm que contiene los pines GND, GPIO 22, GPIO 27 y 3V3. Los pines de este conector son especialmente útiles para conectar dispositivos I2C, ya que se dispone de dos GPIO que pueden utilizarse para las líneas de I2C, además de los pines de alimentación y GND [26]. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 33 TF: la placa presenta una ranura de microSD; utiliza el protocolo de comunicación SPI, los pines del ESP32 que controlan la ranura microSD son GPIO 19 (MISO), GPIO 23 (MOSI), GPIO 18 (SCK) y GPIO 5 (CS) [26]. Micro-USB: alimentación de la placa y conversión USB a serial a través de CH341 [26]. Power supply base: este conector tiene los pines TX/RX. Estos se utilizan para la comunicación serie y están conectados directamente al CH340 (USB a convertidor en serie). Además de presentar los pines Vin y GND. Se pueden utilizar los pines GPIO 1 (TX) y GPIO 3 (RX) para controlar periféricos, ya que en el proyecto no se utilizará comunicación serie [26]. Speaker: es un conector 2P 1.25 mm JST, para conectar una bocina controlado por el pin GPIO 26. BOOT: el botón de boot está internamente conectado al GPIO 0. Reset: botón encargado de reiniciar todas las funciones de la placa. ESP-WROOM-32: módulo altamente versátil que integra conectividad Wi-Fi y Bluetooth en un solo chip, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones de Internet de las Cosas (IoT). Basado en el microcontrolador ESP32-D0WDQ6, opera a frecuencias de hasta 240 MHz y cuenta con un consumo de energía excepcionalmente bajo, alcanzando menos de 5 μA en modo de reposo, lo que lo hace perfecto para dispositivos portátiles y alimentados por batería. Además, el módulo incluye múltiples interfaces como I2C, SPI, UART y ADC, así como sensores táctiles capacitivos y un coprocesador de ultra baja potencia para tareas en modo de bajo consumo. Con 520 KiB de SRAM y la posibilidad de incluir hasta 4 MB de memoria flash externa, el ESP-WROOM-32 es ideal para una amplia gama de proyectos, desde sistemas de monitoreo remoto y controladores inteligentes para el hogar hasta dispositivos portátiles que requieren procesamiento de datos en tiempo real. La Tabla 2.3 resume los pines GPIO disponibles para periféricos y su correspondencia con las señales de control de la olla a presión inteligente, ver Figura 2.2 como apoyo. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 34 2.2 Arquitectura del Software. La arquitectura del software que se propone se encuentra segmentada en tareas, lo que dota a la aplicación de modularidad y facilita el trabajo de programación. Para la realización de este software se emplean varias librerías de código abierto. 2.2.1 Herramienta de Software Arduino IDE. La plataforma ESP32 permite el desarrollo de aplicaciones en diferentes lenguajes de programación, frameworks, librerías y recursos diversos. Los más comunes a elegir son: Arduino (en lenguaje C/C++), MicroPython, LUA, Esp-idf (Espressif IoT Development Framework) desarrollado por el fabricante del chip, Simba Embedded Programming Tabla 2.3 Asignación de pines a las señales de control de la olla a presión inteligente. Pin Conector Descripción Señal de la olla GPIO 21 Extended IO Se utiliza para retroiluminación de la pantalla por tanto no se puede utilizar para la conexión de periféricos. NO GPIO 35 Extended IO Funciona exclusivamente como entrada y puede configurarse tanto para lecturas analógicas como digitales. NTC (Entrada) GPIO 22 Extended IO , Temperature and humidity interface Funciona como entrada y salida, pero únicamente en modo digital. Se encuentra en dos de los conectores externos. RLY (Salida) GPIO 27 Temperature and humidity interface Entrada/Salida, tanto analógica como digital KG (Entrada) TX (GPIO 1) Power supply base Entrada/Salida digital BUZ (Salida) RX (GPIO 3) Power supply base Entrada/Salida digital Disponible Vin Power supply base Conector de alimentación que permite suministrar voltaje a la placa y a sus periféricos. Alimentación de 5 V GND Power supply base Referencia de voltaje cero para el circuito Común CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 35 Platform (en lenguaje Python), RTOS's (como Zephyr Project, Mongoose OS, NuttX RTOS) o Javascript (Espruino, Duktape, Mongoose JS) [27]. El software seleccionado para desarrollar el programa es Arduino IDE, un entorno Open Source, sencillo basado en un lenguaje de programación conocido. Es uno de los entornos de programación más utilizados en el mundo del DIY (do it yourself – hazlo por ti mismo) debido a la gran cantidad de librerías y proyectos disponibles, creados por los propios usuarios y proporcionados principalmente por la plataforma de desarrollo colaborativo GitHub. La comunidad de Arduino es muy activa y da soporte a plataformas como el ESP32 y ESP8266 [27]. El ESP32 no es un producto oficial de la empresa Arduino, por ello se necesita descargar e instalar los archivos que permitan al Arduino IDE reconocer al ESP32 para que funcione correctamente en este entorno. A continuación, se describen los pasos a seguir para utilizar Arduino IDE como plataforma de desarrollo para ESP32 [27]. En primer lugar, como se muestra en la Figura 2.3, se ejecuta el IDE, luego se añade la URL de la placa en Archivo > Preferencias: Figura 2.3: Copia del link: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json al Gestor de URLs adicionales de tarjetas [27]. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 36 A continuación, como se observa en la Figura 2.4, en el menú Herramientas > Placa > Gestor de Tarjetas se busca ESP32 dentro del gestor y el software descarga e instala automáticamente todas las dependencias. Figura 2.4: Instalación de la tarjeta al IDE [27]. En la Figura 2.5 se muestra que una vez finalizado el proceso la placa ya aparece en el Menú de selección, junto a muchas otras variantes del ESP32 compatibles. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 37 Figura 2.5: Selección de la placa ESP32 Dev Module [27]. 2.2.2 Herramienta de Software SquareLine Studio. SquareLine Studio es un editor de interfaz de usuario de próxima generación para individuos y profesionales que permite diseñar y desarrollar interfaces de usuario para sus dispositivos embebidos de manera rápida y sencilla [28]. Ofrece un software único multiplataforma, que permite el diseño y la implementación en una sola herramienta como se muestra en la Figura 2.6. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 38 Figura 2.6: Área de trabajo de SquareLine Studio [28]. SquareLine Studio está desarrollado para los diseñadores con el fin de implementar sus proyectos de la manera más eficiente. SquareLine Studio utiliza la biblioteca LVGL de código totalmente abierto que permite controlar todo el desarrollo de la interfaz gráfica de la olla a presión inteligente[28]. SquareLine Studio admite la exportación de código fuente C y MicroPyton [29]. Para configurar el entorno de trabajo de SquareLine Studio se comienza por descargar el software desde el sitio web oficial de SquareLine Studio, y seleccionando la versión compatible con el sistema operativo. Una vez completada la descarga, se ejecuta el archivo descargado. Después de una instalación exitosa, se abre el software SquareLine Studio. Aparecerá una ventana emergente como en la Figura 2.7, donde se seleccionará Create/Arduino para iniciar el proyecto Arduino. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 39 Figura 2.7 Ventana para creación de un nuevo proyecto en SquareLine Studio [28]. Para personalizar la configuración, se accede a las opciones que se proporcionan a continuación en la Figura 2.8. Al elegir la versión de LVGL, se debe consultar la biblioteca descargada en Arduino. Figura 2.8 Opciones de configuración del proyecto en SquareLine Studio [28]. Después de confirmar la versión de LVGL, proceder seleccionando el botón Create la esquina inferior derecha, que dará a conocer la siguiente interfaz mostrada en la Figura 2.9. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 40 Figura 2.9 Interfaz del área de trabajo de SquareLine Studio [28]. Existe una serie de widgets organizados en la columna de widgets de la izquierda. Estas selecciones incluyen widgets básicos (ARC, botones, imagen, etiqueta...), widgets de control (calendario, teclado, slider...), y widgets de visualización (bajas, gráficos y spinner). Además, se puede encontrar una categoría dedicada a las pantallas, todo ello se muestra en la Figura 2.10. Figura 2.10 Área de selección de Widgets y pantallas en SquareLine Studio [28]. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 41 2.2.3 Biblioteca Light and Versatil Graphic Library (LVGL). LVGL es la biblioteca de gráficos incrustados gratuita y de código abierto más popular para crear UI (interfaz gráfica) para cualquier MCU, MPU y tipo de pantalla. Fue creada por un desarrollador llamado Gábor Karsai, quien es el responsable del desarrollo de esta biblioteca desde sus inicios [30]. LVGL se ha vuelto muy popular debido a su eficiencia y versatilidad, permitiendo la creación de interfaces gráficas atractivas y funcionales con un uso mínimo de memoria. Incorpora 30 widgets, 100 propiedades de estilo, diseños inspirados en la web y sistema de tipografía que soportan muchos idiomas; con aplicaciones que van desde la electrónica de consumo hasta la automatización industrial [30]. La biblioteca permite la interacción a través de diversos dispositivos de entrada, como pantallas táctiles, ratones y botones, facilitando la creación de interfaces intuitivas. Incluye más de 30 tipos de controles, como botones, sliders y TileView, lo que permite a los desarrolladores crear interfaces ricas y dinámicas [31]. También soporta animaciones y efectos visuales, lo que permite implementar interfaces más atractivas y dinámicas con facilidad. Por último, LVGL está bajo la licencia MIT, lo que permite su uso tanto en proyectos personales como comerciales sin restricciones significativas. Estas características hacen de LVGL una opción atractiva para aquellos que buscan crear interfaces gráficas eficientes y de alta calidad en dispositivos con recursos limitados [31]. Estas herramientas se utilizan para el desarrollo de la interfaz gráfica presente en la pantalla TFT de la placa de desarrollo ESP32-2432s028. Paralelamente, se desarrolla una página web capaz de controlar las funciones de la olla de manera remota. La interfaz web se diseña con criterios de usabilidad y accesibilidad, permitiendo a los usuarios gestionar el dispositivo desde cualquier otro dispositivo conectado a la red. 2.3 Algoritmos de cocción y mantenimiento de temperatura de la olla electrónica. En este epígrafe se presenta un análisis de las gráficas obtenidas del proceso de ingeniería inversa de la olla electrónica ensamblada en el INPUD. A partir de este análisis, se proponen los algoritmos de control para la olla a presión inteligente. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 42 2.3.1 Análisis de las gráficas de cocción y mantenimiento de temperatura de la olla electrónica. La Figura 2.11 muestra la gráfica de cocción de arroz en la olla electrónica que se ensambla en el INPUD, que se obtiene con la maqueta para la adquisición de las señales, descrita en el Epígrafe 1.3.2. El eje y, representa los valores de cada una de las señales de control según sus características: RLY: valores de 0 a 5 Volt (RLY + 20). KG: valores de 0 a 5 Volt (KG + 10). Alim_5V: valores de 0 a 5 Volt (Alim_5V * 20). NTC: valores de temperatura aproximada (o C). LM35: valores de temperatura auxiliar (o C). El eje x representa el tiempo de duración de los procesos de cocción en segundos. Figura 2.11 Proceso de cocción del arroz en la olla electrónica. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 43 La gráfica de la Figura 2.11 ilustra cómo comienza el proceso de cocción con la señal RLY en “1” (RLY + 20), que actúa sobre el elemento calefactor. La temperatura comienza a subir, sobrepasando la temperatura de vapor de agua (aproximadamente 100 o C). El vapor que se genera, provoca un aumento de la presión hasta alcanzar los 70 kPa, lo que activa el sensor de presión, desactivando la señal KG para evitar un aumento adicional de la temperatura y el consiguiente aumento de la presión. Este proceso toma un tiempo que depende de la temperatura ambiente, el tipo de alimento a cocinar, el volumen de agua, entre otros parámetros. En este caso fue 220 segundos aproximadamente, momento en el cual la señal de presión KG cambia a estado “1” (KG + 10) y la señal del relé a estado “0” (RLY + 20). Una vez que se alcanza la presión de 70 kPa y se desconecta el elemento calefactor (RLY en estado “0”) la temperatura experimenta un breve incremento debido a la dinámica del elemento calefactor y luego comienza a disminuir. Con la disminución de la temperatura se reduce la generación de vapor y por lo tanto disminuye la presión, hasta ser menor a los 70 kPa. Entonces la señal KG cambia a estado “0” (KG + 10) y la señal del relé a estado “1” (RLY + 20), y comienza nuevamente la activación del elemento calefactor. Para las condiciones de esta prueba, este proceso tomó aproximadamente 400 segundos. Este proceso se pudiera repetir hasta finalizar el tiempo de cocción prefijado según las condiciones seleccionadas en el panel de control de la olla. Finalmente, cuando la señal de Alim_5V desaparece al desconectar la olla de la alimentación, termina la recolección de datos. Las diferencias que se observan en la temperatura del NTC y LM35, están dadas por la posición de contacto que tienen con el objeto a calentar. El NTC está ubicado en contacto directo con la caldera y el LM35 indirecto. La Figura 2.12 muestra la gráfica que describe el proceso de cocción de frijoles en la olla electrónica que se ensambla en el INPUD. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 44 Figura 2.12 proceso de cocción de frijoles en la olla electrónica del INPUD. Al igual que en la gráfica de la Figura 2.11 el proceso de cocción inicia con la señal RLY en estado “1”, que activa el elemento calefactor. Para estas condiciones de cocción toma aproximadamente 250 segundos para que la presión en la olla alcance los 70 kPa, y que la señal KG conmute de estado “0” a “1”, y la señal RLY conmute a “0”. Este proceso es similar al descrito para el caso anterior de la Figura 2.11, con la diferencia que a partir de los 500 segundos aproximadamente, se repiten los procesos de encendido y apagado del elemento calefactor en función de la presión hasta alcanzar el total del tiempo de cocción prefijado. Una vez alcanzado el tiempo prefijado en el panel de control de la olla, en este caso 30 minutos (1800 segundos), el proceso de cocción termina, RLY no vuelve a conmutar a estado “1” aunque KG conmutó a estado “0”. La Figura 2.13 muestra la gráfica del proceso de cocción de carne de cerdo en la olla electrónica ensamblada en el INPUD. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 45 Figura 2.13 Gráfica del proceso de cocción de carne de cerdo en la olla electrónica. Similar a las gráficas anteriores en las Figuras 2.11 y 2.12, el proceso de cocción está controlado por la variable KG, que detecta cuando la olla electrónica ha alcanzado una presión de 70 kPa, momento en el que cambia su estado a “1” y al contrario la señal RLY cambia su estado a “0” desactivando el elemento calefactor. Este proceso se repite hasta el final del proceso de cocción (tiempo seleccionado en el panel de control de la olla). La Figura 2.14 muestra la gráfica del proceso de mantenimiento de la temperatura en la olla electrónica ensamblada en el INPUD. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 46 Figura 2.14 Proceso de mantenimiento de la temperatura en la olla a presión ensamblada en el INPUD. Al analizar la gráfica de la Figura 2.14, se observa que la temperatura es la variable que controla el proceso. Cuando alcanza el valor mínimo prestablecido se activa el elemento calefactor (activándose la señal RLY), luego se desactiva al alcanzar la temperatura deseada. Este es un control ON/OFF que tiene como objetivo mantener una temperatura constante. Se observan picos de temperatura que dependen de la dinámica del elemento calefactor. Se debe destacar que la señal KG no se activa en ningún momento del proceso, ya que la temperatura de mantenimiento es inferior a los 100 o C (80 o C, según el fabricante), no se genera vapor y por lo tanto no se supera la presión de 75 kPa. Como conclusión del análisis de las gráficas de cocción, se puede decir que la temperatura no es el elemento determinante en el proceso de cocción. El proceso de cocción de la olla electrónica es regulado por la presión (variable KG), a partir de su comportamiento, se activa o desactiva el relé (variable RLY) cuando la olla alcanza los 70 kPa durante los diferentes procesos de cocción. El otro elemento determinante es el tiempo de cocción, que se CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 47 selecciona según el tipo de cocción (arroz, frijoles, etc.) y controla la duración de este proceso. En este caso no interviene la variable de temperatura (variable NTC), donde sería solo un elemento de seguridad. Este proceso se puede resumir con el Algoritmo 1: Algoritmo 1. Proceso de cocción de la olla electrónica (Resistencia Calefactora ON) Si { (KG OFF) AND (tiempo < tiempo de cocción) ; presión < 70 kPa } Por otro lado, en el proceso de mantenimiento de la temperatura, la variable de temperatura NTC (o C) determina la activación o desactivación del relé (variable RLY) que conecta o desconecta la resistencia calefactora. En este caso no interviene la variable de presión (variable KG), donde sería solo un elemento de seguridad. Este proceso se puede resumir con el Algoritmo 2: Algoritmo 2. Proceso de mantenimiento de la temperatura de la olla electrónica (Resistencia Calefactora ON) Si { (NTC < 80 oC - ∆T) ;Temperatura } (Resistencia Calefactora OFF) Si { (NTC < 80 oC + ∆T) ; Temperatura } Donde ∆T es el margen de control igual a 1 oC. 2.3.2 Algoritmos de cocción y mantenimiento de la temperatura para la olla inteligente. En el diseño de la olla inteligente, se utilizan los algoritmos 1 y 2, anteriormente descritos. A estos algoritmos se le añaden elementos de seguridad, para esto se utilizan todas las variables disponibles, que permiten detectar errores en el funcionamiento de la olla. En la Tabla 2.4 se enumeran los posibles errores que pueden ocurrir, junto con su significado y las soluciones recomendadas para cada uno. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 48 Tabla 2.4 Errores que se presentan en los procesos de cocción y mantenimiento de la temperatura. Error Significado Solución recomendada E1 Temperatura > T máx. Sonido (BUZ) continuo. Desconectar olla. Posible rotura en relé o sensor de presión. E2 RLY ON y al cabo de 200 segundos la temperatura no muestra el aumento esperado. Desconectar olla. Posible rotura en relé o fusible. E3 RLY ON y al cabo de 350 segundos la presión en la olla no supera los 70 kPa (KG ON). Desconectar olla. Posible rotura en sensor de presión. E4 KG ON durante el proceso de mantenimiento de temperatura. Desconectar olla. Posible rotura en relé. 2.3.3 Medición de la temperatura en la olla a presión inteligente. Dado que las características específicas del sensor NTC utilizado en la olla electrónica OPE05, como su constante beta y resistencia nominal, no son conocidas, se llevó a cabo un experimento para establecer una relación empírica entre la temperatura y el voltaje medido en el sensor. Para ello, se realizaron una serie de mediciones sistemáticas de voltaje y temperatura bajo diferentes condiciones de operación. Los datos recopilados fueron graficados, permitiendo identificar una aproximación lineal entre el voltaje medido en el sensor NTC y la temperatura. Con base en esta relación, se desarrolló una expresión matemática que permite al ESP32 convertir el voltaje medido en el pin asociado al NTC en una estimación precisa de la temperatura real en grados Celsius. Este modelo facilita la interpretación de los valores obtenidos y asegura una representación fiel de las condiciones térmicas en la olla. La Figura 2.15 ilustra las aproximaciones obtenidas. El eje X representa los valores de voltaje medidos en el sensor NTC ubicado en la placa de alimentación, mientras que el eje Y muestra los valores de temperatura en grados Celsius registrados directamente en la cazuela de cocción de la olla electrónica. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 49 a) b) Figura 2.15 a) Aproximación polinómica de los valores de voltaje del NTC y la temperatura en la olla electrónica. b) Aproximación lineal de los valores de voltaje del NTC y la temperatura en la olla electrónica La gráfica (a) de la Figura 2.15, presenta una aproximación polinómica que describe con alta precisión el comportamiento de las variables involucradas. Por su parte, la gráfica (b) muestra una aproximación lineal, que, aunque menos precisa en comparación con la polinómica, ofrece la ventaja de simplificar significativamente los cálculos necesarios para que el ESP32 determine la temperatura en la olla a presión inteligente. Dado que la simplicidad computacional es un factor clave en el diseño del sistema, se optó por implementar la aproximación lineal en el código de control de la olla a presión inteligente. Para establecer la relación entre la temperatura T y la lectura digital del ADC del pin asociado al sensor NTC en el ESP32, se parte de dos ecuaciones fundamentales que describen el comportamiento del sistema. La Expresión 3.1 corresponde a la aproximación lineal que relaciona la temperatura con el voltaje en el divisor del sensor NTC (VNTC). La temperatura T, en grados Celsius (°C), se define por la siguiente aproximación lineal: 𝑇 = 29.75 ∗ V(NTC) + 27.276 3.1 Donde:  T: Temperatura en grados Celsius. CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 50  V (NTC): Voltaje medido en el nodo del divisor resistivo que incluye el NTC, en Voltios (V) ver Figura 1.2. El ESP32 utiliza un ADC de 12 bits que convierte el voltaje VNTC en un valor digital (ADC) de 0 a 4095, de acuerdo con la Expresión 3.2: 𝑉(𝑁𝑇𝐶) = 𝐴𝐷𝐶∗𝑉𝑟𝑒𝑓 4095 3.2 Donde:  ADC: Valor digital obtenido del convertidor analógico-digital (12 bits).  Vref: Voltaje de referencia del ADC, en este caso, 3.3 V. Al sustituir VNTC en la Expresión 3.1 de T, se obtiene la Expresión 3.3: 𝑇 = 29.75 ∗ 𝐴𝐷𝐶∗3.3 4095 + 27.276 3.3 Simplificando los términos, la relación final entre la temperatura T y la lectura digital del ADC se resume en la Expresión 3.4: 𝑇 = 0.02398 ∗ 𝐴𝐷𝐶 + 27.276 3.4 Esta ecuación permite calcular de manera eficiente la temperatura en grados Celsius (T) a partir de la lectura del ADC, donde: el coeficiente 0.02398 define el incremento de temperatura correspondiente a cada unidad del ADC, ajustado por la pendiente de la relación lineal y el rango del convertidor. El término constante 27.276 representa la temperatura base cuando el voltaje VNTC es cero. 2.4 Conclusiones Parciales del Capítulo. En este capítulo se llevó a cabo un análisis tanto del hardware como del software necesarios para el desarrollo del sistema de control de la olla inteligente. A partir del estudio detallado de los componentes, fue posible cumplir con los objetivos planteados de manera satisfactoria. Se identificaron y seleccionaron los sensores adecuados para medir las variables clave, como la temperatura y la presión, los cuales fueron integrados en el sistema de control. La arquitectura del hardware fue optimizada para garantizar una adquisición de datos precisa y eficiente, lo que permitirá un control robusto del proceso de cocción y mantenimiento de la CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 51 temperatura. Se asignaron los pines GPIO de la placa de desarrollo ESP32-2432s028 a cada una de las señales de control de la olla inteligente. Se completó el desarrollo del control táctil a través de la placa ESP32, con la implementación de una interfaz gráfica diseñada mediante la librería LVGL. Esta solución permite una interacción fluida y eficiente entre el usuario y la olla, brindando control en tiempo real sobre las funciones principales del equipo. Así como el desarrollo de la página web para el control remoto de las funcionalidades de la olla inteligente. A partir de la maqueta para la adquisición y análisis de las variables eléctricas de la olla electrónica INPUD se analizó el funcionamiento de la olla electrónica y se proponen los algoritmos para el funcionamiento de la olla inteligente. El análisis de las gráficas de cocción concluyó que la presión es el factor determinante en el proceso de cocción, regulando el relé (RLY) cuando se alcanzan 70 kPa. El tiempo de cocción es crítico en el proceso de cocción y se ajusta según el tipo de alimento. Para el mantenimiento de la temperatura, el control se realiza mediante un sensor NTC y un margen de ∆T de 1°C, activando o desactivando la resistencia calefactora sin intervención de la presión. A partir de estos resultados se proponen los algoritmos de la olla inteligente. CAPÍTULO 3. FUNCIONAMIENTO DE LA OLLA INTELIGENTE 52 CAPÍTULO 3. Funcionamiento de la olla inteligente Este capítulo aborda aspectos claves relacionados con la interacción y comunicación de la olla inteligente mediante su interfaz gráfica y los datos utilizados. En primer lugar, se presenta un manual de usuario para la pantalla TFT, detallando las funcionalidades y características de la operación de la olla. A continuación, se analiza el protocolo JSON, fundamental para la comunicación entre la olla y la página web, facilitando la gestión de datos y comandos. La tercera sección está dedicada al manual de usuario de la plataforma web, ofreciendo una guía completa para navegar y utilizar las opciones disponibles en esta interfaz. Finalmente, se realiza un análisis de los resultados obtenidos, comparándolos con los objetivos del proyecto, lo que permite evaluar el rendimiento del sistema y valorar las mejoras implementadas. 3.1 Manual de Usuario de la Interfaz Gráfica de la Olla inteligente. La interfaz gráfica de la olla inteligente se desarrolló utilizando SquareLine Studio, una herramienta especializada que permite el diseño de interfaces gráficas avanzadas apoyándose en la biblioteca LVGL. Esta combinación de software ofrece un entorno eficiente y flexible para crear interfaces atractivas y funcionales, optimizando la interacción entre el usuario y el sistema. La interf