Sistema de adquisición de datos con Python y Arduino

Abstract

Los sistemas de adquisición de datos son indispensables en el modelado matemático de sistemas de control, pues permiten obtener la curva característica por métodos experimentales. Con el objetivo de desarrollar un sistema que permita las mediciones de voltaje y la posterior obtención de dichos modelos, se utilizó una aplicación visual en Python y se diseñó un protocolo basado en comandos a través del puerto serie con una placa Arduino DUE encargada de realizar el muestreo. La interfaz cuenta con una gráfica que se actualiza cada segundo y otra que grafica un número determinado de muestras a un periodo de muestreo establecido por el usuario. Las muestras tomadas son almacenadas en un fichero Excel con el fin de permitir analizarlas con otros softwares especializados. Del trabajo realizado se concluyó que el uso de herramientas libres permite implementar sistemas de adquisición de datos de manera sencilla y económica.

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Revista Ciencia, Ingeniería y Desarrollo Tec Lerdo
2017 Año: 3 Núm.:3 ISSN: 2448-623X
Resumen— Los sistemas de adquisición de datos son
indispensables en el modelado matemático de sistemas de
control, pues permiten obtener la curva característica por
métodos experimentales. Con el objetivo de desarrollar un
sistema que permita las mediciones de voltaje y la posterior
obtención de dichos modelos, se utilizó una aplicación visual
en Python y se diseñó un protocolo basado en comandos a
través del puerto serie con una placa Arduino DUE
encargada de realizar el muestreo. La interfaz cuenta con
una gráfica que se actualiza cada segundo y otra que grafica
un número determinado de muestras a un periodo de
muestreo establecido por el usuario. Las muestras tomadas
son almacenadas en un fichero Excel con el fin de permitir
analizarlas con otros softwares especializados. Del trabajo
realizado se concluyó que el uso de herramientas libres
permite implementar sistemas de adquisición de datos de
manera sencilla y económica.
Palabras claves—Adquisición de datos, Arduino, Python.
Abstract— Data acquisition systems are indispensable in the
mathematical modeling of control systems. They let to obtain
the characteristic curve by experimental methods. For the
development of voltage measurements, we used a visual
application in Python and a design of commands for its serial
port communication with an Arduino DUE board that let to
measure variables to help in obtaining the model of a control
system. The interface has a graph that update every second
and another that plot a certain number of samples to a
sampling period established by the user. The samples taken
are stored in an Excel file in order to allow them be analyzed
with other specialized software. From the work carried out,
we concluded that the use of free tools allow realize data
acquisition systems in a simple and economic way.
Keywords—Data Acquisition, Arduino, Python.
I. INTRODUCCIÓN
En años recientes se ha incrementado el uso de
controladores digitales en sistemas de control [1]. Se
utilizan para alcanzar el desempeño óptimo de los sistemas
y que tengan la máxima productividad.
La tendencia actual de controlar los sistemas en forma
digital en lugar de analógica se debe principalmente a la
disponibilidad de computadoras digitales de bajo costo y a
1Instituto Tecnológico Superior de Lerdo, Av. Tecnológico N 1555 Sur
Periférico Gómez – Lerdo Km. 14.5 C.P. 35150 Cd. Lerdo. Durango.
Eduardo.madied@gmail.com
las ventajas de trabajar con señales digitales en lugar de
señales analógicas.
A. Muestreo de señales
La señal de tiempo discreto es aquella que tiene valores
o está definida sólo en los puntos de tiempo discreto t = tn,
donde n sólo toma valores enteros. La gráfica de una señal
de tiempo discreto siempre estará en términos de los
valores de tn contra la variable de tiempo entera n.
Una de las formas más comunes en las que surgen las
señales de tiempo discreto es muestreando señales
analógicas. Suponga que una señal x(t) se aplica a un
interruptor electrónico que se cierra brevemente cada T
segundos. Si el lapso durante el cual el interruptor se
cierra es mucho más pequeño que T, la salida del
interruptor puede considerarse como una señal de tiempo
discreto x[t] que es una función de los puntos de tiempo
discreto. La señal de tiempo discreto resultante se conoce
como versión muestreada de la señal continua y a T se le
conoce como periodo de muestreo [2].
Según el teorema de muestreo de Nyquist – Shannon,
para poder replicar con exactitud la forma de una onda es
necesario que la frecuencia de muestreo sea como mínimo
el doble de la máxima frecuencia a muestrear, sin embargo
en términos prácticos el doble no es suficiente, entre
mayor sea el número de muestras y más alta la frecuencia
de muestreo se obtendrá una señal con más fidelidad [3].
Los dispositivos de muestro y retención se emplean de
manera extensa en los sistemas de control digital y de
datos muestreados. Son dispositivos que convierten una
señal analógica en un tren de pulsos de amplitud modulada
o en una señal digital, efectuando las tareas de
cuantización y codificación. Así mismo mantiene o
congela el valor del pulso o de la señal durante cierto
tiempo [4].
B. Python
Python es un lenguaje de programación multiplataforma
de código libre poderoso y fácil de aprender. Cuenta con
estructuras de datos eficientes y de alto nivel, así como un
enfoque simple pero efectivo en la programación orientada
a objetos [5].
Es un lenguaje de programación que actualmente se
utiliza en el ámbito ingenieril por sus librerías para ciencia
e ingeniería, las que permiten resolver distintas ecuaciones
Sistema de adquisición de datos con Python y Arduino
E. Machado-Díaz1, H. Coto-Fuentes1

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y obtener gráficas muy parecidas a entornos de desarrollo
más completos y complejos como MATLAB.
Se pueden desarrollar interfaces gráficas de usuario
complejas utilizando el módulo Tkinter combinadas con
los módulos Scipy (ciencia e ingeniería), Sympy
(matemáticas simbólicas) y Matplotlib (gráficas) que
permitan realizar aplicaciones de código libre potentes sin
la necesidad de un software especializado con altos costos
en licencias.
Las características de Python lo vuelven una
herramienta ideal para aquellas personas que no tienen un
conocimiento amplio en el desarrollo de software, pero
poseen mínima experiencia en programación, siendo un
lenguaje fácil de aprender y con basta documentación
tanto en libros como en la Red. Al tener una consola
interactiva, permite experimentar o manipular resultados
sin la creación de un script [6].
Actualmente Python ha aumentado considerablemente
su popularidad debido a ser el principal lenguaje de
programación utilizado en mini ordenadores como lo es la
Raspberry Pi. Se han hecho proyectos combinando el
lenguaje con diversas tarjetas de código libre como lo es
Arduino. Ejemplos de ellos son sistemas de riego
automáticos donde se obtienen lecturas de sensores y se
guardan en una nube digital con el fin de monitorear las
variables por internet [7], así como sistemas de
instrumentación virtual remota con el fin de elaborar
prácticas de control de procesos en una plataforma web
[8].
Debido a la facilidad de programación del lenguaje
Python así como Arduino, cada vez es más frecuente el
uso de estas herramientas en la docencia para brindar a los
alumnos de nivel medio superior de competencias que
puedan ser útiles al momento de estudiar una carrera.
Ejemplos de ellos son sistemas robóticos basados en
Python y Arduino a nivel secundaria que son de bajo costo
y pueden ser construidos por los mismos docentes y
alumnos, brindando de mejor equipamiento a la institución
educativa [9].
Sin embargo, no solo se han utilizado las herramientas
libres para el uso industrial, existen diferentes aplicaciones
en medicina como la descrita en [10] que permite medir
señales fisiológicas como lo son la temperatura corporal
para que sean procesadas y analizadas a un bajo costo.
II. PARTE TÉCNICA DEL ARTÍCULO
A continuación, se presenta la metodología implementada
para la elaboración del proyecto.
A. Adquisición de datos y protocolo de comunicación en
Arduino.
Para la adquisición de datos se optó por utilizar la
plataforma Arduino debido a que es de código abierto y
mantienen una gran popularidad, por lo que tiene una
amplia documentación y tutoriales que permiten su
manejo por casi cualquier persona involucrada en el
desarrollo electrónico. Existen una gran variedad de placas
Arduino, para este proyecto se utilizó una placa Arduino
DUE pues presenta mejores características que una placa
Arduino Uno para la adquisición y procesamiento de
datos.
Se realizó la programación para la adquisición de datos
por medio de un sensor ultrasónico HC-SR04, debido a
que es uno de los sensores más populares, y la lectura de
las entradas analógicas de la placa Arduino.
Debido a que la comunicación entre el Arduino y la
aplicación en Python se realiza por comunicación serie, es
necesario diseñar un protocolo de comandos que permitan
el envío de instrucciones entre un medio y otro, con el fin
de evitar la pérdida de información y tener instrucciones
establecidas que puedan utilizarse en diferentes
aplicaciones dependiendo de lo que se requiera.
Existen diferentes formas de realizar el protocolo, para
este caso se utiliza una metodología basada en la librería
brindada por los microcontroladores PSOC de Cypress
mediante separadores en la trama [11].
El sistema de comandos es una cadena de texto que es
enviada por el puerto serie al Arduino conformada por dos
tramas, la primera es el comando y la segunda el
parámetro a almacenar, separados entre ellas por un
carácter establecido como separador (“@”) y
posteriormente un símbolo de fin de trama (“/”). Un
ejemplo de cadena de texto es el siguiente:
Comando@parámetro/
Los comandos que pueden ser reconocidos se guardan
en un Array y los parámetros en otro. De acuerdo a la
posición del comando en el arreglo, es el índice de su
parámetro. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de los
arreglos utilizados para esta aplicación.
int DATA[10];
const String CMD[]= {“SetSamples”,”SetTime”,
“StartSample”};
byte NUM_CMD = 2;
Figura 1. Ejemplos de comandos
El arreglo “DATA” es donde se guardan los parámetros
y el arreglo “CMD” es donde se almacenan los comandos.
“NUM_CMD” corresponde al número de comandos
programados que serán n-1 debido a que el índice
comienza en 0. Cada que se agrega un comando es
necesario aumentar esta variable para poder iterar.
En la Figura 2 se muestra el diagrama de flujo utilizado
para el reconocimiento de comandos y el almacenamiento
de parámetros.

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Figura 2. Diagrama de flujo para reconocimiento de comandos
Una vez almacenado el valor del parámetro en el
arreglo. Éste no cambia hasta que sea ingresado de nuevo
o hasta que la placa Arduino sea reiniciada, permitiendo
acceder a él o cambiarlo las veces que sea necesario.
B. Diseño de la Interfaz Visual en Tkinter
La interfaz fue diseñada utilizando el paquete Anaconda
que instala Python 3.5, así como las librerías más comunes
para su uso científico y el IDE Spyder. La Figura 3
muestra el ejemplo básico de una ventana en Tkinter.
#Se importa la librería
import tkinter as tk
#Se crea la ventana
top = tk.Tk()
top.mainloop()
Figura 3. Ejemplo básico de aplicación
El primer paso es importar el módulo o la librería
Tkinter, posteriormente se crea un objeto de ventana que
corresponderá a la ventana principal. Para que el código de
la aplicación funcione en forma cíclica es necesario
colocar el método “mainloop” que permite tener en un
ciclo infinito a la aplicación. La Figura 4 muestra el
resultado obtenido con el código anterior.
Figura 4. Dibujo de la ventana principal
Los elementos como botones, cajas de texto, también
llamados widgets, son dibujados mediante código. Existen
dos tipos de formas de trabajar los widgets o elementos de
ventana: mediante uso de rejilla, en donde la ventana se
utiliza como tabla y se especifica el número de columna y
de fila, o en forma de pila que permite dibujar un elemento
y posteriormente elegir en qué posición será dibujado el
siguiente. Para esta aplicación se utiliza el método de pila,
ya que es más fácil trabajar con él si no se tiene un diseño
previo en una cuadrícula de la aplicación.
import tkinter as tk
def funcion():
texto.configure(text=”Hola mundo”)
top = tk.Tk()
top.geometry(“100x100”)
texto = tk.Label(top, text=”Texto”)
text.pack(padx=10,pady=15,side=”top”)
boton = tk.Button(top,text=”boton”,command=funcion)
boton.pack(padx=10,pady=10)
top.mainloop() Figura 5. Ejemplo de widgets
En el código de la Figura 5 se muestra un ejemplo que
permite utilizar un botón para realizar una acción. El
método geometry permite establecer las medidas en
pixeles de la ventana principal, posteriormente cuando se
crea un elemento de ventana es necesario colocar los
diferentes argumentos de cada uno. El primer argumento
corresponde al nombre de la ventana en la cual se va a
dibujar el elemento, seguido de diferentes tipos que
pueden ser el texto por defecto, el color o el fondo.
Una vez declarado el elemento se utiliza el método
pack() que lo dibuja en la ventana, si se declara el
elemento pero no se coloca esta instrucción, éste no se
mostrará. Este método puede trabajar con diferentes
argumentos como lo son la tolerancia entre cada eje y el
argumento side, permite decirle a la aplicación en qué
posición será dibujado el siguiente elemento con
referencia al elemento creado.

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En los elementos que pueden ser manipulados por el
usuario, como los botones, es necesario programar una
función que será ejecutada cada que sea presionado el
botón. El nombre de la función a ejecutar será el
argumento command en la declaración del objeto. La
Figura 6 muestra el resultado del código mostrado.
Figura 6. Ejemplo de widgets
C. Recolección de muestras con la Interfaz
Para el uso de la comunicación serial en Python es
necesario utilizar el paquete Pyserial instalado por defecto
al utilizar el paquete Anaconda. De igual forma se ha
utilizado la entrada analógica A0 de la placa Arduino Due,
en la cual se tienen que tener los cuidados necesarios al
momento de colocar la señal a muestreas pues ésta no
puede sobrepasar los 3.3V que son el voltaje de trabajo de
la tarjeta Arduino Due. En la Figura 7 se muestran las
instrucciones básicas para el manejo del puerto serial con
Python.
import serial
#Abrir el puerto de comunicación
arduino = serial.Serial(‘COM3’,9600)
texto = input(“Ingresa una cadena: ”)
arduino.write(texto.encode(‘ascii’))
arduino.readline() #leer hasta un salto de línea
Figura 7. Instrucciones de puerto serie
Se importa la librería y se crea un objeto de tipo serial
donde se presentan dos argumentos principales, el puerto
serie al cual se encuentra conectado el dispositivo, y la
velocidad en baudios a la que se va a realizar la
comunicación.
Para el envío de datos se debe codificar la cadena de
texto en un formato válido para el envío de la información.
Al tener una cadena de texto se le aplica el método
encode() y como argumento la codificación ascii, si esto
no se realiza la información enviada no corresponderá a la
cadena de texto establecida.
En la recepción de datos existe el método readline() que
permite leer el buffer del puerto serie hasta que exista un
retorno de línea, en el caso de la cadena enviada por el
Arduino es necesario colocar un salto de línea cada que se
envía una muestra.
Debido a los tipos de datos en Python, la cadena
recibida viene acompañada por caracteres especiales que
no permiten la conversión del dato directo de cadena a tipo
entero. La cadena recibida tiene el formato:
b'Dato_numerico\r\n' por lo que es necesario solamente
dejar el dato numérico, para ello se utilizó el algoritmo
que se muestra en la Figura 8 que permite obtener la
cadena de datos de interés y guardarla como muestra.
Como se observa en el formato, siempre se tienen 3
caracteres antes de la muestra y 5 después de ella por lo
que el dato es la cadena entre esos índices.
Figura 8. Diagrama de flujo para la conversión del dato
Los datos obtenidos son guardados en listas de
Python que pueden iterarse para posteriormente graficarlos
o almacenarlos en el fichero Excel. Para no saturar el
buffer del puerto serie, el arreglo del tiempo es generado
de forma manual utilizando los parámetros dados en la
entrada de texto de la interfaz como se muestra en la
Figura 9.
T_Muestreo = float(T_Muestreo/1000)
T_Max = float(samples)*T_Muestreo
for x in range(0,Num_Muestras):
self.segundos.append(float(T_Muestreo*x))
Figura 9. Creación de la lista del tiempo

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III. RESULTADOS
La interfaz visual consta de 3 ventanas principales: el
menú principal mostrado en la Figura 10, el cual
contiene los botones para la elección de las
características del programa, como es la gráfica
animada y el muestreo.
Figura 10. Menú principal de la interfaz
En la ventana de Live Plot se presenta la gráfica
animada utilizando la librería Matplotlib que puede
verse en la Figura 11, tiene una caja de opciones donde
se muestran los puertos COM disponibles, así como los
botones para realizar la conexión, el inicio de muestreo,
pausa de la gráfica y reanudación.
Figura 11. Ventana de gráfica animada
El tiempo de refrescamiento de la gráfica es de un
segundo, por lo que se utiliza para muestras lentas, esto
debido a las limitaciones de la librería. Así mismo tiene
una ToolBox que permite manejar la gráfica, hacer
acercamientos y guardar como imagen de formato PNG la
vista actual con el fin de servir para documentar las
muestras. La gráfica toma 50 muestras que son las que se
observan, después de ellas se elimina la última muestra
almacenada y se cambia por la muestra actual.
La opción de adquisición de datos se muestra en la
Figura 12 donde se observa una gráfica de 50 muestras
con un tiempo se muestreo de 100ms de datos aleatorios
del conversor digital – análogo de la placa Arduino Due.
La ventana cuenta con el botón de conectar, entradas
numéricas donde se colocan el número de muestras y el
tiempo de muestreo necesario, así como el botón de enviar
que comienza el muestreo y exportar, que regresa el
archivo Excel con las muestras tomadas.
Figura 12. Ventana de adquisición de datos
En la Figura 13 se presenta un ejemplo de una gráfica
con muestras aleatorias almacenada en formato PNG que
utilizarse para su análisis o en la documentación de los
experimentos.
Figura 13. Ejemplo de gráfica en PNG
IV. DISCUSIÓN, CONCLUSIÓN Y
RECOMENDACIONES
La adquisición de datos es muy importante cuando se
quiere conocer el modelo matemático de un sistema de
control o para tener un control de muestras de sensores o
actuadores. Actualmente existen sistemas que realizan
éstas tareas o permiten programar interfaces visuales como
lo son LabView o Matlab, sin embargo, ambas tienen un
alto costo de licencia de uso que no puede ser pagada por
la mayoría de las personas, por lo que el uso de
herramientas libres como Arduino y Python presenta una
buena alternativa.
La placa Arduino Due es una buena alternativa cuando
se requiere medir señales a bajo nivel o se requiere una
resolución mayor a la de un Arduino Uno u otra placa

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común, así mismo trabaja a una velocidad mayor y tiene
un mejor procesamiento. Sin embargo, ya que el sistema
se comunica mediante protocolo serial, se pueden
desarrollar los sistemas de comandos para diferentes
plataformas que cuenten con esta característica como lo
son los microcontroladores PIC de Microchip o PSOC por
mencionar algunos.
El uso de un protocolo de comandos es una de las partes
más complicadas en la programación de este tipo de
interfaces, pero es necesaria para el buen funcionamiento
de ésta ya que existe menos pérdida de información o
confusión si la trama enviada de un dispositivo a otro no
llega completa. Actualmente se trabaja en el apartado se
sintonización de controladores mediante el método
Ziegler-Nichols.
V. AGRADECIMIENTOS
Se agradece al Instituto Tecnológico de Lerdo por la
formación profesional y en especial a la División de
Posgrado por la ayuda y asesorías brindadas en este
proyecto.
VI. APÉNDICES
A. Código para la exportación de datos a Excel utilizando
XLWT
wb = xlwt.Workbook()
ws = wb.add_sheet(“Hoja 1”)
for i, lista in enumerate(self.datos):
ws.write(i,0,lista)
for j,lista2 in enumerate(self.segundos):
ws.write(j,1,lista2)
wb.save(“Muestras.xls”)
B. Código para la obtención de muestras en Arduino.
for (int i=1; i<=DATA[i]; i++)
{
Serial.println(analogRead(A0));
delay(DATA[2]);
}
Serial.println(“$”);
DATA[3]=0;
VII. REFERENCIAS
[1]
K. Ogata, Sistemas de control en tiempo discreto,
Mexico: Prentice Hall, 1996.
[2]
E. Kamen, Fundamentos de señales y sistemas
usando la Web y MATLAB, México: Pearson
Educación, 2008.
[3]
K. Janschek, Mechatronic System Design: Methods,
Models, Concepts, United States: Springer, 2012.
[4]
B. Kuo, Sistemas de Control Digital, México: Grupo
Editorial Patria, 2007.
[5]
G. v. Rossum, El tutorial de Python, Argentina:
Python Software Fundation, 2009.
[6]
G. Borrell, «Python como entorno de desarrollo
científico,» Universidad Politécnica de Madrid,
Madrid, 2008.
[7]
G. Escalas, «Diseño y desarrollo de un prototipo de
Riego automático controlado con Raspberry Pi y
Arduino,» Universidad Politécnica de Calatuña,
España, 2014.
[8]
E. Machado, «Prácticas de control de procesos
utilizando instrumentación virutal remota,» Instituto
Tecnológico Superior de Lerdo, México, 2016.
[9]
J. Vega, «Entorno docente con Arduino y Python
para Educación,» Colegio Ntra. S.a Sagrado
Corazón, 2016.
[10]
J. Arechalde, «Analizador de señales fisiológicas
portable basado en plataformas low-cost,» Trabajos
Académicos-Escuela de Ingeniería de Bilbao, 2016.
[11]
Cypress, «Cypress,» Cypress Perform, 27 Septiembre
2017. [En línea]. Available:
http://www.cypress.com/file/50321/download.
[Último acceso: 15 Febrero 2017].
VIII. BIOGRAFÍA
Machado Díaz Eduardo. Nació en la ciudad
de Gómez Palacio, Dgo. Obtuvo el título de
Ingeniero Electrónico en Mecatrónica y
Automatización del Instituto Tecnológico
Superior de Lerdo en el año de 2017.
Actualmente cursa la Maestría en Ingeniería
Mecatrónica en el mismo instituto.
El ingeniero ha trabajado en proyectos de
instrumentación virtual remota y diseño de
interfaces. Sus áreas de interés son la
instrumentación, la domótica y la automatización.
Hesner Coto Fuentes. Ingeniero en
Automática egresado del Instituto Superior
Politécnico José Antonio Echeverría, La
Habana, Cuba. Maestro en Diseño de
Sistemas Electrónicos por el Centro de
Investigaciones en Microelectrónica, La
Habana, Cuba, y Doctor en Ciencias en
Ingeniería Eléctrica con especialización en
Instrumentación Electrónica por el Instituto
Tecnológico de la Laguna, Torreón, Coahuila,
México.
En su trayectoria como docente - investigador se ha especializado en
las áreas de Instrumentación Virtual y desarrollo de sistemas electrónicos
aplicados a la medicina, la industria y el medio ambiente.