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# Proyecto de Investigación: Integración del Sensor NDIR MH-Z19B vía UART
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Este repositorio documenta la integración, adquisición y visualización de datos del sensor de dióxido de carbono (CO₂) **MH-Z19B**.
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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
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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)
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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.
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Las principales características del sensor son:
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| Característica | Valor |
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| :--- | :--- |
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| Tecnología | NDIR (Non-Dispersive Infrared) |
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| Gas medido | CO₂ |
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| Rango de medición | 0–2000 ppm o 0–5000 ppm (configurable) |
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| Voltaje de alimentación | 3.6–5.5 V DC |
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| Tiempo de precalentamiento | 3 minutos |
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| Comunicación | UART TTL |
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| Velocidad de transmisión | 9600 baudios |
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| Configuración UART | 8 bits de datos, sin paridad, 1 bit de parada (8N1) |
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| Vida útil estimada | Mayor a 5 años |
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# Material
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## Hardware
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- Raspberry Pi 4
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- Sensor MH-Z19B
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- Cables Jumper
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- MicroSD card with Raspberry Pi OS
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## Software
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- UART (TTL)
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- Lenguaje C
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- HTML5
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- CSS3
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- JavaScript
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- JSON
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- Nginx
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- Linux
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- Git
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# Conexiones de Hardware (Capa Física)
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Para establecer correctamente la comunicación UART entre el sensor y la Raspberry Pi 4 es necesario cruzar las líneas de transmisión y recepción.
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| Pin MH-Z19B | Función | Raspberry Pi 4 | Descripción |
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| :--- | :--- | :--- | :--- |
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| Vin (Pin 6) | Alimentación | Pin físico **2** o **4** (5 V) | Alimenta el sensor. |
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| GND (Pin 7) | Tierra | Pin físico **6** (GND) | Referencia eléctrica común. |
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| TXD (Pin 3) | Transmisión | Pin físico **10** (GPIO15 / RXD) | Envía los datos del sensor hacia la Raspberry Pi. |
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| RXD (Pin 2) | Recepción | Pin físico **8** (GPIO14 / TXD) | Recibe los comandos enviados por la Raspberry Pi. |
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# Guía de Uso
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## 1. Actualizar el Sistema
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```bash
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sudo apt update && sudo apt upgrade -y
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```
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## 2. Instalar Dependencias
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```bash
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sudo apt install git gcc nginx -y
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```
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## 3. Habilitar UART
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Ejecutar:
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```bash
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sudo raspi-config
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```
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Ir a:
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```text
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Interface Options
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└── Serial Port
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```
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Configurar:
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```text
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Would you like a login shell to be accessible over serial?
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No
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Would you like the serial port hardware to be enabled?
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Yes
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```
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Reiniciar el sistema:
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```bash
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sudo reboot
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```
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## 4. Clonar el Repositorio
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```bash
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git clone https://gitea.itmorelia.com/Verano-Delfin-2026/CO2-Sensor.git
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cd CO2-Sensor
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```
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## 5. Configurar Nginx
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Copiar los archivos de la interfaz web al servidor:
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```bash
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sudo cp index.html /var/www/html/
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sudo cp -r MHZ19B /var/www/html/
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```
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Reiniciar Nginx:
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```bash
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sudo systemctl restart nginx
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```
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# Compilación del Controlador en C
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Ubicarse en el directorio del proyecto:
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```bash
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cd /var/www/html/
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```
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Compilar el controlador:
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```bash
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gcc mhz19b_driver.c -o driver_co2
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```
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Asignar permisos:
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```bash
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sudo chmod +x driver_co2
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```
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Ejecutar el programa:
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```bash
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sudo ./driver_co2
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```
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El controlador se comunicará con el sensor mediante el dispositivo:
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```text
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/dev/serial0
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```
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Las mediciones serán almacenadas periódicamente en el archivo:
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```text
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MHZ19B.json
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```
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Este archivo será utilizado posteriormente por la interfaz web.
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# Visualización del Dashboard
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Obtener la dirección IP de la Raspberry Pi:
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```bash
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hostname -I
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```
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Abrir un navegador web desde cualquier dispositivo conectado a la misma red local e ingresar:
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```text
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http://<IP_DE_LA_RASPBERRY_PI>
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```
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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
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```mermaid
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graph TD
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%% Sensor físico
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A[ Sensor MH-Z19B] -->|UART 9600 baudios| B
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%% Placa/Hardware
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B{{ Raspberry Pi 4}} --> C
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%% Proceso de Software
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C( Driver en C) -->|Escribe datos| D
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%% Base de datos / Archivo
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D[( MHZ19B.json)] -.->|Lectura local| E
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%% Servidor Web
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E[[ Servidor Nginx]] -->|HTTP / Fetch API| F
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%% Nube / Web Dashboard
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F(( Dashboard Web / Cliente))
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```
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# Conclusión
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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.
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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.
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# Limitaciones
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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:
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- **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.
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- **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.
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- **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. |