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% !TeX spellcheck = es_MX
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% Chapter 1
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%ejemplo cita: \cite{FEMGlotic2000}
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\chapter{Introducción} % Chapter title
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\label{ch:protocolo}
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\section{Semblanza del problema}
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%*************************** acero (importancia) ************************************************
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%``''
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El acero ha impulsado el desarrollo de la sociedad desde que comenzó a utilizarse, y seguirá siendo la columna vertebral y el facilitador de la evolución y el progreso\cite{WoS-inFigures-2020}.
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Actualmente el acero es un material indispensable, este material es
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ampliamente utilizado en diversas áreas,
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y es considerado el más importante dentro de la ingeniería y la construcción ya que
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ningún otro reúne sus características, como resistencia, plasticidad y versatilidad, además de poder ser reciclado fácilmente sin perder sus propiedades\cite{WoS-About-Steel}\cite{Bankiter-pqesimportanteel-acero}.
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% Uso del acero/cantidad
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Tan solo en el 2019 se emplearon 1,767.5 millones de toneladas de acero en el mundo,
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utilizándose un 52\% en edificios e infraestructuras, 16\% en herramientas y maquinaria, 12\% en automóviles, 5\% en otros medios de transporte, 10\% en productos de metal, 3\% en equipo eléctrico y 2\% en artículos domésticos\cite{WoS-inFigures-2020}.
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%********************** variantes del acero > tratamientos >corrosión *********************************
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% Variantes/propiedades
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El amplio uso del acero se debe también a la gran variedad de aceros que hay.
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En la actualidad existen más de 3,500 grados de acero con propiedades físicas, químicas y ambientales distintas\cite{WoS-About-Steel}.
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%tratamientos
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Esta gran variedad de aceros ha sido posible gracias al estudio y desarrollo de los tratamientos que se aplican a este material para modificar sus propiedades,
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dentro de éstos, mayormente los tratamientos térmicos.
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%***********oxidación********************
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Durante los tratamientos térmicos el acero es sometido a curvas de temperatura, las cuales pueden llegar a temperaturas muy altas.
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Inevitablemente, la mayoría de los metales sufren de oxidación a altas temperaturas.
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En el acero surge un fenómeno denominado \textit{mill scaling} durante estos tratamientos,
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el cuál consiste en la formación de una delgada capa de óxido en la superficie de éste.
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Esta delgada capa se agrieta con facilidad, pasando de ser una barrera protectora a una vulnerabilidad corrosible, por lo que debe ser removida para evitar el deterioro del material. \cite{latem_mill_scale_2024}\cite{young2016high}.
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%desperdicio
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Este fenómeno representa un gran inconveniente para la industria del acero
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ya que ocasiona el desperdicio de al rededor 1\% al 2\% de este material, el cuál no es nada despreciable al tratarse de la inmensa producción a nivel mundial.
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A esta perdida de material también se agregan los recursos que se requieren durante la labor de remover y reciclar esta capa de óxido, por lo que resulta muy conveniente aminorar este fenómeno\cite{young2016high}.
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%*************reducir el mill scaling*********************************
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El \textit{mill scaling} depende de tres factores principales:
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la química del acero, la temperatura y los gases de la atmósfera.
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Ya que tanto la química del acero como la temperatura determinan las propiedades deseadas del material,
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la opción más viable es variar los gases dentro de la atmósfera con el propósito de aminorar este fenómeno\cite{young2016high},
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%estudiar el fenómeno
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por este motivo es necesario estudiar esta relación existente entre los gases presentes durante los tratamientos térmicos y el \textit{mill scaling}.
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%necesidades de las pruebas
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Para este estudio se necesitan realizar diferentes pruebas donde se registren los comportamiento de estas variables.
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Durante estas pruebas se debe someter a la pieza de acero a un tratamiento térmico experimental, el cual debe realizarse siguiendo una curva de temperatura determinada.
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Dichas curvas suelen tomar bastante tiempo (por efectos de la inercia térmica), lo que hace que estas pruebas sean demasiado y tardadas.
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En estas pruebas también se debe de ajustar la frecuencia con la cual se toman las mediciones, adecuándola a la dinámica de las variables medidas, así como la duración de la adquisición de estos datos dependiendo de la duración de la prueba.
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También son necesarios varios tipos de sensores para poder medir las diferentes condiciones atmosféricas (como temperatura, humedad, presión y concentraciones dentro de la atmósfera), los cuales deben de ser compatibles con la plataforma de adquisición de datos, con la cuál se registrarán estas mediciones.
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%sistemas DAQ comerciales
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Los sistemas de adquisición de datos (\textit{DAQ}, por \textit{Data Acquisition}) son comúnmente utilizados en la
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realización de este tipo de pruebas, los cuales ayudan en su automatización capturando las mediciones de los sensores, e inclusive pudiendo utilizar actuadores para controlar acciones necesarias en ciertas pruebas.
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Lamentablemente, los sistemas \textit{DAQ} comerciales, al ser de entorno de desarrollo cerrado, están limitados a las funciones proporcionadas por el fabricante dentro del mismo entorno.
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%no permite la monitorización remota de forma nativa
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Esto es una gran desventaja para las pruebas, ya que difícilmente se podrían tener funciones útiles de forma nativa, como el monitoreo remoto, que resultaría de gran utilidad al tratarse de pruebas muy largas.
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%sensores
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De la misma forma, al utilizar estos sistemas comerciales, el \textit{hardware} que se puede emplear (como sensores y algunos actuadores) se reduce a una gama limitada con los cuales el sistema \textit{DAQ} es compatible.
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Esta limitada selección de sensores podría no ser suficiente, o los sensores podrían no ser útiles para el propósito específico de las pruebas.
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%no permitir personalización, ajustes, tweaks
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Por otra parte, un entorno de desarrollo no permitiría ajustes a un bajo nivel del funcionamiento del sistema \textit{DAQ}, lo que limita enormemente en una forma general la flexibilidad del sistema para ajustarse a las necesidades específicas que surjan en la realización de las pruebas.
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%lo demás...
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Además, utilizar sistemas de adquisición existentes en el mercado también tiene algunas otras desventajas, como requerir un equipo de computo potente, poder utilizarlos sólo con el sistema operativo \textit{Windows}, o tener que adquirir de licencias, \textit{hardware} y funciones adicionales costosas.
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%problemas de los sistemas de adquisición comerciales:
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% %limitadas por su entorno
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%Los sistemas DAQ comerciales utilizan plataformas desarrolladas por sus fabricantes, que al ser de entorno de desarrollo cerrado, limitan las funcionalidades y componentes para esos sistemas, con lo cuál también se reduce la cantidad de sensores a elegir para medir los parámetros de la atmósfera.
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% %compatibilidad con windows y necesitad de equipos de computo pontentes, costo adicional
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%Los entornos de desarrollo de los sistemas DAQ también requieren de licencias que suelen sólo ser compatibles con el sistema operativo \textit{Windows},
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%lo que restringe su uso en otros sistemas operativos,
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%además de requerir de una sistema de cómputo potente.
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%
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%Los entornos de desarrollo cerrado que utilizan las plataformas para estos sistemas DAQ comerciales tampoco permiten la personalización para
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%
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%%costos
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%Algunas funciones para la adquisición podrían tener un costo adicional, por lo que implementar un sistema con monitoreo remoto aumentaría el precio del sistema DAQ.
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%sistema de cómputo potente, añadiendo un costo extra al sistema DAQ.
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%Sensores y componentes encarecidos para la plataforma.
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% licencias costosas eleva el precio de los sistemas DAQ comerciales.
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% %en conclusión...
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%Todo esto que se menciona dificulta en gran medida la personalización de los sistemas DAQ comerciales, haciendo imposible la implementación de soluciones a problemas más específicos,
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%y al mismo tiempo complicando innecesariamente el estudio anteriormente mencionado.
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\section{Revisión del estado del arte}
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%Auge de microcontroladores -> diversificación de aplicaciones
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Desde el auge de los microcontroladores, estos han sido utilizados para varias aplicaciones que se han ido diversificando a través de los años hasta estos tiempos. Hoy en día, los microcontroladores son una parte fundamental de la electrónica, realizando una amplia variedad de tareas de forma simple y fácilmente modificables.
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% microcontroladores más potentes -> aplicaciones más complejas
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Con el surgimiento de los procesadores ARM (Advanced Risc Machine), los microcontroladores se vuelven herramientas más poderosas, pudiendo realizar tareas más complejas, o correr sistemas operativos que permiten realizar varias tareas simultáneamente.
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%Utilización de ARM para adquisición de datos
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Dentro del campo de la adquisición de datos se han implementado diferentes tipos sistemas con diferentes microcontroladores (siendo la tarjeta \textit{Beaglebone} muy popular por su configurabilidad y capacidades). En \cite{svembedded} se utiliza un procesador ARM9 con RTLinux para implementar un \textit{Sistema Interactivo de Adquisición de Datos y Control} en linea, utilizando HTML para diseñar la página web.
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Este sistema permite obtener mediciones de diferentes variables y después mostrarlas en una página web que puede ser accesada remotamente a través de un navegador web.
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El sistema puede ser ampliamente utilizado en campos como energía eléctrica, petroleo, química, metalurgia, acero, transporte, industrias Electrónica y Eléctrica y automoción entre otras.%\cite.
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En \cite{araari2014design} diseñan e implementan un sistema de adquisición de datos embebido basado en Linux para Redes Inteligentes, donde se utiliza una tarjeta \textit{on-board computer BeagleBone}, que es una plataforma de desarrollo embebido desarrollado por \textit{Texas Instruments} con un microprocesador ARM Cortex-A8 y un sistema operativo Ubuntu 12.04. El sistema es capaz de realizar la adquisición, recibiendo mediciones de un medidor inteligente a través del puerto Ethernet, transmisión y almacenamiento de la información a través de la red, creando una base de datos con esa información. Además se encarga del control remoto mientras mantiene la operación de la red estable, mostrando las capacidades de la tarjeta BeagleBone.
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En \cite{anand2015using} analizan el uso de las \textit{Unidades de Tiempo Real Programables} (PRU, por sus siglas en inglés, \textit{Programable Real-Time Unit}) de la tarjeta \textit{Beaglebone Black}, que es una versión mejorada de la tarjeta \textit{BeagleBone}. El uso de las PRU es estudiado para realizar tareas en tiempo real y es comparado con el rendimiento obtenido con el procesador ARM y con el kernel de tiempo real Xenomai.
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Los resultados indican que el tiempo promedio de obtención de mediciones utilizando el procesador ARM es de 1,300 microsegundos, mientras que utilizando \textit{kernel} Xenomai es de 1,000 microsegundos y con el uso de las PRU el tiempo promedio de obtención de mediciones es de 10 microsegundos, siendo este último método el más rápido en una relación de aproximadamente cien veces, lo cuál muestra el potencial de la tarjeta Beaglebone Black para realizar tareas en tiempo real con sus PRU mientras puede correr un sistema operativo en su procesador ARM para realizar otro tipo de tareas.
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En \cite{travaglione2015high} utilizan una Beaglebone Black para implementar un sistema de adquisición de datos en tiempo real, con una alta precisión y velocidad, siendo además configurable y de de bajo costo.
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Este sistema utiliza el sistema operativo Debian como sistema operativo, empleando una de sus PRU para controlar la frecuencia de muestreo del convertidor analógico-digital.
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Con esta configuración se logra obtener muestras con los dos canales del convertidor, con una resolución de 24 bits a una taza de 130,208 muestras por segundo.
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En dicho trabajo el sistema es utilizado con un hidrófono para para crear satisfactoriamente un sistema de adquisición de datos acústico submarino, pudiendo equipararse con opciones disponibles en el mercado, añadiendo además ventajas como su versatilidad y su bajo costo.
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En \cite{rodriguez2018adquisicion}, emplean la PRU de la \textit{Beaglebone Black} para operar el \textit{ADC} interno de la tarjeta a 5000 muestras por segundo, con el objetivo de detectar fugas de fondo en tuberías metálicas por medio de métodos vibro-acústicos.
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Mientras que la PRU0 se encarga de operar el \textit{ADC}, la PRU1 va obteniendo las muestras de la FIFO del \textit{ADC}.
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Las PRU fueron programadas en ensamblador para tener un mayor control sobre los tiempos de operación.
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Cabe mencionar que en este mismo trabajo se desarrolla una herramienta que facilita la utilización de las PRU
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Ya que el lenguaje ensamblador puede ser complicado para usuarios no adiestrados, se utiliza un sistema de alto nivel que gestione las aplicaciones de las PRU creado por ellos mismos.
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Para gestionar la aplicación principal de la adquisición de datos se utiliza un programa escrito en Python para facilitar el código, haciendo uso de la librería PyPRUSS disponible en Internet que se encarga de cargar el programa a la PRU y comunicarse con estos a través de interrupciones.
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El desempeño de este sistema fue comparado con la función \texttt{time.sleep()} de Python y un temporizador interno del SoC (System on Chip) para accionar el \textit{ADC}, mostrando que, mientras haciendo uso de las PRU el error es pequeño y no aumenta con la frecuencia de muestreo, con los otros métodos el error es mucho mayor y aumenta de forma exponencial al aumentar la frecuencia de muestreo.
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En \cite{Lakshmi2019rtdas} desarrollan un sistema de adquisición de datos en tiempo real, open source y acceso remoto vía explorador web utilizando una tarjeta \textit{Beaglebone Black} con sistema operativo Debian para capturar y registrar la temperatura y los eventos de un sistema electrónico.
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Este sistema tiene un reloj de tiempo real conectado por comunicación $I^2C$, con el cual se obtiene la fecha y hora exacta e implementa un servidor web embebido con una base de datos creada con MySQL.
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La información generada del sistema eléctrico monitoreado también puede ser respaldada conectando una tarjeta microSD.
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Es sistema es de bajo costo y pequeño, y puede seguir funcionando después de un corte de energía gracias a que incorpora una batería.
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%DAQs para muestreo de gases
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Por otra parte, en el área de monitoreo (o muestreo) de concentraciones de gases, en \cite{khera2017development} se presentan el desarrollo de un sistema de monitoreo remoto en tiempo real de gases peligrosos (bióxido de carbono y monóxido de carbono) presentes en el ambiente, basado en la web, utilizando el software de \textit{National Instruments LabVIEW} con una tarjeta de adquisición de datos basada en un microcontrolador de bajo costo (Arduino Uno).
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En este trabajo, los datos son mostrados en un panel dentro del software LabVIEW y continuamente almacenados en una base de datos en Excel.
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Para acceder de forma remota con un navegador web se hace uso de la herramienta de publicación web de LabVIEW.
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\todo{item}
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\listoftodos
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Todas estas características muestran el potencial de la tarjeta \textit{Beaglebone Black} y las diferentes funcionalidades que pueden ser agregadas a ésta, aumentando su versatilidad para diferentes sistemas de adquisición de datos con diferentes necesidades.
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\section{Solución propuesta} \label{sec:SolProp}
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%\noindent
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En base a lo anterior,
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con el propósito de obtener la información de las condiciones atmosféricas en el proceso de descaburación (\textit{mill scaling}),
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dentro de un reactor controlado para su posterior estudio,
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se propone desarrollar un sistema de adquisición de datos de bajo costo basado en herramientas \textit{open-source},
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utilizando la plataforma de desarrollo \textit{Beaglebone}, sentando bases para sistemas con mayor sofisticación.
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%que no requiera de un equipo de computo potente\\
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%con interfaz gráfica personalizada y vanguardista\\
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%open-source sin necesidad de pagar licencias\\
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%con soporte multiplataforma
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\section{Objetivos}
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\subsection{Objetivo general}
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Implementar un sistema de adquisición de datos en un sistema embebido con SO Linux para realizar mediciones de las concentraciones de $CO$, $CO_2$ y $O_2$, así como temperatura en una atmósfera controlada para su posterior análisis.
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%Obtener los parámetros térmicos de las probetas y realizar una base de datos.
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\subsection{Objetivos particulares}
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\begin{itemize}
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\item Diseñar e implementar un circuito de protección y aislamiento para los puertos UART
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\item Desarrollar funciones de código para la transmisión y recepción de datos para la comunicación UART en la tarjeta Beaglebone Black
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\item Comunicar con los sensores vía UART utilizando la tarjeta Beaglebone Black y el circuito de protección y aislamiento para los puertos UART
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\item Desarrollar funciones de código para la interacción con los sensores en la tarjeta Beaglebone Black
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\item Desarrollar funciones de código para el registro de mediciones de los sensores en la tarjeta Beaglebone Black
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\item Desarrollar funciones de código para realizar peticiones de mediciones a los sensores a una frecuencia y durante un tiempo determinado por un usuario
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\item Verificar el funcionamiento del sistema midiendo concentraciones de gases en una prueba controlada
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%Diseñar e implementar un circuito de protección para la entrada analógica de la tarjeta on-board computer BeagleBone Black.
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%\item Realizar mediciones de prueba con el \textit{ADC} de la tarjeta on-board computer BeagleBone Black con una señal de prueba y verificar las mediciones.
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%\item Desarrollar y probar funciones de adquisición y almacenamiento de mediciones obtenidas.
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%\item Desarrollar la interfaz de hardware entre los sensores y la tarjeta on-board computer BeagleBone Black.
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%\item Desarrollar funciones de interfaz de software entre los sensores y la tarjeta on-board computer BeagleBone Black.
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%\item Desarrollar programa para realizar, registrar y visualizar las mediciones de la concentración de los gases.
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%Analizar el desempeño del convertidor considerando las componentes parásitas de la capacitancia e inductancia. %Maestría
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%\item Diseñar y construir un convertidor DC-DC que permita, en lo futuro, almacenar la energía para ser utilizada posteriormente. %Maestría
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\end{itemize}
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%La hipótesis que se plantea en este trabajo es que
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%desarrollar un sistema de adquisición de datos
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%%utilizando la plataforma \texttt{Beaglebone} con Linux embebido
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%podrá ayudar al estudio de las reacciones sólido gas en los tratamientos térmicos,
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%pudiendo ser altamente configurable para ajustarse a los requerimientos de las *pruebas/experimentos*,
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%además de
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%poder agregar funcionalidades como
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%poder utilizarse desde un navegador web, sin necesidad de un software de entorno de desarrollo ni un sistema operativo específico,
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%haciendo este acceso de forma remota, lo cuál permitiría un monitoreo de las pruebas en tiempo real y un control de éstas a la distancia.
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%utilizando la plataforma \texttt{Beaglebone} con Linux embebido se podrá desarrollar un sistema de adquisición de datos altamente personalizable, con el que además de realizar las mediciones necesarias para el estudio de las reacciones sólido-gas en los tratamientos térmicos del acero, de la forma en la que sea requerida, se podrán desarrollar funciones que faciliten estas *pruebas/experimentos*, como el acceso desde cualquier navegador web, eliminando la dependencia a un entorno de desarrollo específico o un sistema operativo, además de hacer este acceso de forma remota para consultar el estado actual de la prueba o
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%La hipótesis del trabajo es que
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%trabajar con Linux embebido y con la plataforma \textit{Beaglebone}
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%desarrollando un sistema DAQ
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%para medición de gases de reacciones sólido-gas en los tratamientos térmicos del acero
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%permitirá
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%tener un mayor/completo control sobre *la forma en la que se realizan las pruebas y adquisiciones de datos*
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%además de
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%la facilidad de poderlo operar desde distintas plataformas, o
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%eliminar la necesidad de una plataforma o un sistema operativo fijos,
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%utilizando interfases como paginas web o protocolos de comunicación a través de la terminal.
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%Utilizando la tarjeta Beaglebone Black se puede desarrollar un sistema de adquisición de datos de poco tamaño y consumo, bajo costo y altamente configurable, capaz de interactuar con los sensores de concentración de gases a través de comunicación UART, solicitando y registrando mediciones, facilitando la obtención de esta información para su posterior análisis(, buscando una relación entre estos gases y la descarburación a través de un modelo matemático).
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\section{Justificación}
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%[0:25 p. m., 1/2/2021] G Marx: Porque el trabajo qué haces vale la pena???
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%[0:25 p. m., 1/2/2021] G Marx: Que lo justifica
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%[0:25 p. m., 1/2/2021] G Marx: ???
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%Te acuerdas lo que platicamos de un equipo manejable desde cualquier sistema operativo ??
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%la implementación de un DAQ personalizado (aplicación específica) para pruebas específicas y el desarrollo de herramientas para otros sistemas?
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%para qué?
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%Otorgará beneficios
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%Tendrá efectos positivos
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%Apoyará a un proyecto mayor
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%para qué?
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Para la elaboración de este trabajo se desarrollaran herramientas que aportarán en el estudio de las reacciones sólido-gas en los tratamientos térmicos, esto permitirá conformar un sistema de adquisición de datos que se ajuste de la forma deseada a las necesidades de las pruebas y experimentos de estas reacciones, con lo cuál podrán optimizarse en cierta medida los tratamientos térmicos logrando reducir el \textit{milling} y con ello el desperdicio de material.
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Optando por la utilización de herramientas \textit{open-source} se agilizará y potenciará el desarrollo de este sistema, agregando las funcionalidades requeridas, además de eliminar la dependencia de sistemas operativos, entornos de desarrollo y DAQ comerciales con funcionalidades limitadas.
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% por qué OPEN-SOURCE ?
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%independencia de los sistemas operativos
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%la cuál podrá modificarse para adaptarse diferentes tipos de pruebas y experimentos.
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%sistema adaptable con con los componentes y funciones deseados para adquisición de datos en pruebas *personalizadas/particulares*
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%Facilitando la obtención de información y datos que son requeridos para el modelado matemático del reactor y el tratamiento térmico, o la descarburizacion
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