Proyecto de Investigación: Integración del Sensor NDIR MH-Z19B vía UART

Este repositorio documenta la integración, adquisición y visualización de datos del sensor de dióxido de carbono (CO₂) MH-Z19B.

El propósito principal de este proyecto es estudiar y comprender la arquitectura del protocolo de comunicación asíncrona UART a bajo nivel en sistemas embebidos basados en Linux utilizando una Raspberry Pi 4. Esta implementación integra una prueba experimental para la integración de sensores que formarán parte del desarrollo de microestaciones destinadas al monitoreo de la calidad del aire, desarrolladas durante el Verano de la Investigación Científica y Tecnológica del Programa Delfín 2026.

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Objetivo del Proyecto

Implementar un controlador de bajo nivel para el sensor MH-Z19B utilizando comunicación UART, integrándolo con una interfaz web capaz de visualizar las mediciones de CO₂ en tiempo real. Esta implementación constituye la base para el desarrollo de futuras microestaciones inteligentes destinadas al monitoreo ambiental y la calidad del aire.

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Especificaciones Técnicas del Sensor (MH-Z19B)

El MH-Z19B es un sensor compacto que utiliza la tecnología NDIR (Non-Dispersive Infrared) para medir la concentración de dióxido de carbono (CO₂) en el aire. Esta tecnología se basa en que las moléculas de gas absorben luz infrarroja a longitudes de onda muy específicas por lo que proporciona alta selectividad, buena estabilidad y no depende de la concentración de oxígeno para realizar las mediciones.

Las principales características del sensor son:

Característica	Valor
Tecnología	NDIR (Non-Dispersive Infrared)
Gas medido	CO₂
Rango de medición	0–2000 ppm o 0–5000 ppm (configurable)
Voltaje de alimentación	3.6–5.5 V DC
Tiempo de precalentamiento	3 minutos
Comunicación	UART TTL
Velocidad de transmisión	9600 baudios
Configuración UART	8 bits de datos, sin paridad, 1 bit de parada (8N1)
Vida útil estimada	Mayor a 5 años

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Material

Hardware

• Raspberry Pi 4
• Sensor MH-Z19B
• Cables Jumper
• MicroSD card with Raspberry Pi OS

Software

• UART (TTL)
• Lenguaje C
• HTML5
• CSS3
• JavaScript
• JSON
• Nginx
• Linux
• Git

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Conexiones de Hardware (Capa Física)

Para establecer correctamente la comunicación UART entre el sensor y la Raspberry Pi 4 es necesario cruzar las líneas de transmisión y recepción.

Pin MH-Z19B	Función	Raspberry Pi 4	Descripción
Vin (Pin 6)	Alimentación	Pin físico 2 o 4 (5 V)	Alimenta el sensor.
GND (Pin 7)	Tierra	Pin físico 6 (GND)	Referencia eléctrica común.
TXD (Pin 3)	Transmisión	Pin físico 10 (GPIO15 / RXD)	Envía los datos del sensor hacia la Raspberry Pi.
RXD (Pin 2)	Recepción	Pin físico 8 (GPIO14 / TXD)	Recibe los comandos enviados por la Raspberry Pi.

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Guía de Uso

1. Actualizar el Sistema

sudo apt update && sudo apt upgrade -y

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2. Instalar Dependencias

sudo apt install git gcc nginx -y

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3. Habilitar UART

Ejecutar:

sudo raspi-config

Ir a:

Interface Options
    └── Serial Port

Configurar:

Would you like a login shell to be accessible over serial?
No

Would you like the serial port hardware to be enabled?
Yes

Reiniciar el sistema:

sudo reboot

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4. Clonar el Repositorio

git clone https://gitea.itmorelia.com/Verano-Delfin-2026/CO2-Sensor.git
cd CO2-Sensor

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5. Configurar Nginx

Copiar los archivos de la interfaz web al servidor:

sudo cp index.html /var/www/html/
sudo cp -r MHZ19B /var/www/html/

Reiniciar Nginx:

sudo systemctl restart nginx

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Compilación del Controlador en C

Ubicarse en el directorio del proyecto:

cd /var/www/html/

Compilar el controlador:

gcc mhz19b_driver.c -o driver_co2

Asignar permisos:

sudo chmod +x driver_co2

Ejecutar el programa:

sudo ./driver_co2

El controlador se comunicará con el sensor mediante el dispositivo:

/dev/serial0

Las mediciones serán almacenadas periódicamente en el archivo:

MHZ19B.json

Este archivo será utilizado posteriormente por la interfaz web.

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Visualización del Dashboard

Obtener la dirección IP de la Raspberry Pi:

hostname -I

Abrir un navegador web desde cualquier dispositivo conectado a la misma red local e ingresar:

http://<IP_DE_LA_RASPBERRY_PI>

La interfaz web consultará periódicamente el archivo MHZ19B.json mediante JavaScript utilizando peticiones asíncronas (fetch()), mostrando en tiempo real la concentración de CO₂ y el estado de la calidad del aire.

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Arquitectura General del Sistema

         graph TD
    %% Sensor físico
    A[ Sensor MH-Z19B] -->|UART 9600 baudios| B
    
    %% Placa/Hardware
    B{{ Raspberry Pi 4}} --> C
    
    %% Proceso de Software
    C( Driver en C) -->|Escribe datos| D
    
    %% Base de datos / Archivo
    D[( MHZ19B.json)] -.->|Lectura local| E
    
    %% Servidor Web
    E[[ Servidor Nginx]] -->|HTTP / Fetch API| F
    
    %% Nube / Web Dashboard
    F(( Dashboard Web / Cliente))

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Conclusión

El uso del protocolo UART implica un gran desafío debido a su necesidad de programación a bajo nivel en C. Durante la fase de depuración se logró identificar que dejar que el sistema operativo controle los tiempos lo hace muy propenso a fallas de sincronización. Esto se evidenció en la recepción de "basura" hexadecimal, la captura de tramas incompletas de apenas 3 bytes, el congelamiento del sistema por saturación de peticiones y un retraso de 6 segundos entre la consola y la interfaz gráfica.

A pesar de esto, UART sigue siendo uno de los pilares dentro de los sistemas embebidos por ser una herramienta directa, robusta y útil. No solo permite una transmisión de datos confiable en tiempo real, sino que otorga el control absoluto sobre el hardware.

Limitaciones

Aunque este mini proyecto cumple su objetivo de leer el CO₂ y probar la comunicación UART, tiene las siguientes limitaciones prácticas que debemos tomar en cuenta:

• Tiempos no exactos: La Raspberry Pi funciona como una computadora normal y no está diseñada para controlar el tiempo con una precisión matemática perfecta. Esto hace que las pausas para comunicarse con el sensor tengan ligeras variaciones.
• El programa se "pausa" a esperar: Actualmente, el código en C se detiene por completo hasta que el sensor responde y se guarda el archivo. Esto funciona bien para un solo sensor, pero si en el futuro queremos conectar varios a la vez, el sistema se volvería lento porque tendría que esperar a uno por uno en lugar de atenderlos al mismo tiempo.
• Consumo innecesario en la página web: El panel web descarga el archivo completo cada dos segundos, haya o no haya datos nuevos. Para la versión final de la estación, lo ideal sería usar un método más inteligente donde la página se actualice solo cuando el nivel de CO₂ cambie, para no desperdiciar recursos ni hacer trabajar a la placa de más.