Documentación del proyecto "TableTop" para el evento ExpoCenfo de la Universidad Cenfotec. Este proyecto propone la creación de un prototipo de mesa multifuncional que maximiza el uso de sistemas ciberfísicos, promoviendo el bienestar y acercando la tecnología a distintas generaciones.
El presente proyecto forma parte de uno de los tantos equipos participantes de las Olimpiadas de Computación inteligente, la cual corresponden a una competencia costarricense con sede en la Universidad Cenfotec, abierta a todos los estudiantes universitarios entusiastas de la tecnología que deseen aceptar el reto y competir en la mejor creación de un sistema ciberfísico. Dicho evento tiene lugar el día miércoles 21 de agosto con cede en la Universidad Cenfotec. El sitio oficial del evento, incluyendo las normativas y demás especificaciones, se encuentran en el siguiente enlace: link.
Este proyecto se centra en una mesa con un display de luces LED, diseñada para ayudar a niños pequeños a mejorar su ansiedad, habilidades motoras y atención. La mesa utiliza sensores infrarrojos para encender, apagar y controlar las luces, lo que permite su uso en juegos de rapidez, concentración y diversas terapias. Además, se integra una aplicación móvil que permitirá cambiar las luces, seleccionar juegos y gestionar funciones básicas a través de tecnología RFID. A futuro también se contempla el uso de Alexa para comandos de voz, proporcionando instrucciones y funcionalidades accesibles para los más pequeños. Adicionalmente, se busca la posibilidad de actualizar juegos y características desde la nube, manteniendo la mesa al día con nuevas opciones. La mesa no es solo un espacio físico, sino un entorno terapéutico y de aprendizaje que utiliza tecnología avanzada para ofrecer experiencias cercanas al uso de la tecnología. El propósito principal de esta mesa inteligente es crear un entorno seguro y atractivo para que los niños de la casa puedan aprender y relajarse al mismo tiempo. Permitiendo a los niños interactuar con la tecnología en un ambiente controlado, esta mesa inteligente permitirá a los más pequeños de la casa practicar sus habilidades tecnológicas y mejorar su enfoque a través de juegos interactivos y estimulantes a través del uso de luces LEDs, todo esto sin exponerlo a los niños a las redes sociales y aplicaciones con contenido inapropiado y violencia, permitiéndoles estar educados, entretenidos y seguros en el mundo online. Los beneficios de este proyecto para los niños de la casa son:
-Desarrollo de habilidades cognitivas y motoras: Esta mesa incorpora la diversión y el aprendizaje por medio de juegos que requieren concentración y resolución de problemas, como Tetris o patrones de luz, lo que les ayuda a desarrollar habilidades cognitivas como la memoria, la lógica, la concentración y el pensamiento crítico.
-Habilidades Tecnológicas: Ayuda a los niños a familiarizarse con la tecnología en un entorno seguro mientras les ayuda a desarrollar habilidades tecnológicas tempranas, lo que es crucial en el mundo actual.
-Relajación por medio de estimulación sensorial controlada: La luz suave y los patrones de color cambiantes crean un ambiente sensorial que promueve la calma y la concentración.
-Aulas interactivas: La mesa busca convertirse en una herramienta ideal para aulas interactivas, donde los estudiantes pueden participar en actividades grupales o individuales que fomenten la colaboración, la concentración y el aprendizaje a través de la tecnología. Para futuras aplicaciones nuestra mesa inteligente tiene el potencial de ser una herramienta poderosa no solo en el hogar, sino también en entornos educativos y terapéuticos.
El presente proyecto es un prototipo equipado con las funcionalidades básicas de: Conectarse a su debida aplicación, mostrar patrones de movimiento en el display LED y reaccionar ante los estímulos de los sensores infrarojos.
- Organización del repositorio
- Diseño 3D
- Materiales no electrónicos
- Materiales electrónicos
- Pasos y creación
- Códigos y librerías empleadas
- Usos y problemas detectados
- Licencia
"Códigos":
- Los archivos tipo C++, header, librerías y .ino necesarios para la correcta ejecución de las diferentes funcionalidades de la mesa.
- Módulos y librerías empleadas para la correcta ejecución del código principal.
"Modelos3D":
- Archivos correspondentes a las piezas a cortar por medio de la cortadora láser (Piezas_Superiores.skp)
- Archivos correspondientes al modelo 3D de la mesa completa (Base_mesa_en_melamina.skp)
"Licencia":
- Licencia del presente proyecto y detalles sobre las restricciones correspondientes.
"APKs":
- Archivo apk correspondiente a la debida aplicación de Table Top.
"Documentos":
- Presentación de los integrantes, detalles sobre el proyecto, implementación y resultados obtenidos.
"Créditos y atribuciones":
- Créditos sobre el contenido modifivado y utilizado dentro del código, además de los enlaces correspondientes al contenido original.
El diseño 3D, a cargo del estudiante Braulio Garro Marín, fue creado desde 0 en el software "SketchUp". A continuación se muestran las dimensiones y el diseño general de la mesa, además de las piezas a cortar para el acabado final, en este caso melamina.
- Melamina (2500mm x 1830mm).
- MDF (122cm x 244cm).
- Lámina de acrílico de 7mm de grosor (66.4cm x 66.4cm).
- Polarizado translúcido (1m x 1m)
- Placa de desarrollo ESP32.
- Cargador de iones de litio multicelda 2S, 3S, 4S.
- uJPM TXS0108E 8-Channel Logic Level Bi-Directional Converter.
- Convertidor buck ajustable de 1000W.
- Tira de luces LED WS2811 (100 LEDs utilizados en este caso).
- Módulo de placa multiplexor digital analógico (7 utilizados en este caso).
- Módulo de sensor de evitación infrarrojo IR (x100 sensores de evitación en este caso).
- Módulo RFID.
- Etiqueta universal ultraligera de 25mm.
- Cable de cobre de distintos grosores.
- Estaño.
- Cables (Preferiblemente de gran cantidad de colores en pro de mejorar la simplicidad de los pasos).
Una vez cortadas y listas las piezas, se procede a armar la mesa en su totalidad: Unión de cada parte de la melamina (base de la mesa), uniones entre los separadores de la matriz (correspondientes a las "dentaduras"), etc...
- Enlistados en orden, con respecto a los componentes electónicos, primeramente se deben de calibrar los 100 sensores infrarrojos para que los mismos reaccionen ante una distancia similar al momento de pasar la mano por encima de los infrarrojos correspondientes, esto se logra ajustando el "Distance Adjust" (Mirar la imagen de referencia).
(Uso de la protoboard para calibrar los 100 sensores infrarojos a utilizar. Se recomienda el uso de la protoboard para probar al menos 5-6 seonsores infrarojos a la vez en pro de agilizar el proceso de creación).
- Seguidamente, se procede a cortar cable de 3 tres colores diferentes (En nuestro caso rojo, verde y negro) de 5cm, esto con el fin de "alargar" la tira de LEDs, de modo en la que los mismos encajen correctamente en las divisiones de la matriz (líneas de mdf). Estos colores se utilizan para conectar correctamente cada uno de los pines de la tira de LED (5V, GRN y DO) respectivamente. Como es lógico, primero se debe de cortar cada uno de los LEDs de forma en la que cada uno está "suelto".
A continuación, una imagen correspondiente a los pinouts, importante para obtener una mejor referencia, así como los colores y orientación utilizados, recordando la utilización de cables de 5cm como separación.
(Imagen de referencia: Colores y lógica detrás de las conexiones entre los respectivos leds)
- Luego, una vez preparados los LEDS, se deben de pegar con silicón caliente los 100 sensores infrarrojos a los separadores de la matriz. Seguidamente se sueldan los pines GND y 5+ entre sí (conectando cada pin con el del siguiente sensor, bajo la lógica GND -> GND del siguiente sensor, por ejemplo) como es posible observar en las siguientes fotografías. Una vez aplicada la corriente respectiva, y al haber calibrado correctamente cada uno de los infrarojos, debe activarse al acercar la mano, incluso tras utilizar el acrílico.
- Con el propósito de probar la lógica detrás de la matriz LED, fue utilizada una mini matriz de pruebas, la cual consiste en 10 tiras de 10 leds sin cortar ni alterar. A nivel de código fue utilizda la versión de "LEDMatrix.ino" editada por Matthew Kaye. El código original se puede encontrar en el siguiente enlace, el cual debe descargarse como .zip: https://github.com/N00d13/10x10_LED_MATRIX_ANIMATIONS. (Paso opcional). La lógica detrás de la conexiones se puede observar en las conexiones mostradas en la siguiente imagen:
- Una vez probada la eficacia de la matriz LED, para crear el display final se colocan las respectivas tiras de LEDs previamente preparadas (en este caso, las tiras alteradas con su debida separación de 5cm) de forma en la cual cada led quede centrado con respecto a su respectiva. Las conexiones entre cada una de las tiras se encuentran escondidas debajo de la base, sin embargo, son las mismas mostradas en la mini matriz de prueba.
(Antes de completar el proceso de montaje del display, se recomienda comprobar el estado de todos los LEDs de la matriz).
(Proceso de creación de las animaciones de inicio de la aplicación)
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Una vez se posean los LEDs debidamente pegados, se debe colocar por encima la matriz de MDF, de modo en la que es posible visualizar tanto la matriz de LEDs como el mapeado de infrarojos correspondiente.
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Es necesaria efectuar la conexión de los sensores infrarojos para el mapeado LED-Infrarojo, para esto, una vez conectados los dos pines anteriormente mencionados (GND y 5+) entre las distintas filas de infrarojos (paso número 4), es hora de soldar un cable de larga longitud a cada uno de los pines faltantes, el pin "out", de forma en la que posea un cable soldado de una única punta. El cable soldado va a sobresalir en forma de arco como en la siguiente fotografía, por ende, debe estar soldado solamente en el pin.
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Seguidamente, es necesario abrir un agujero al lado izquierdo de cada infrarojo, justo en la base donde se pegaron previamente los LEDs.
- Aprovechando los agujeros abiertos, se debe de "pasar" el cable del pin out, de modo que el mismo se "oculte" y sea pasado por debajo la base, la cual contiene los LEDs.
- Seguidamente, se utilizan 7 multiplexors, de forma en la que se mapea cada infrarojo de 16 en 16, a modo de "mapear" e identificar cada uno de los LEDs según su ubicación y estado. Las siguientes imágenes ejemplifican la forma en la que se llevó a cabo este proceso de soldadura.
- Se coloca el polarizado translúcido encima del acrílico.
- Se deben cargar los respectivos códigos.
"Librerías empleadas":
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FastLED: Es necesaria la utilización de la presente librería para crear códigos eficientes, sencillos y optimizados que controlen diferentes modelos de tiras LED, como la WS2811, utilizada por nuestro grupo de trabajo. Esta librería permite trabajar con siglas de composición de los colores primarios (RGB por defecto) y alterarlos, ajustar la intensidad de los LEDs, emplear funciones rápidas y eficientes, superiores a las por defecto de Arduino. Creada por Daniel Garcia.
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MFRC522: Bilbioteca para la comunciación mediante RFID, haciendo posible la lectura y escritura de etiquetas RFID.
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FastLED_NeoMatrix: Extensión de FastLED, encargada de controlar la matriz de luces de manera más intuitiva.
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Adafruit_GFX: Biblioteca gráfica para el uso de LEDs en general. Funciona correctamente al utilizarla en conjunto con las bibliotecas anteriormente mencionadas.
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BluetoothSerial: Biblioteca encargada de permitir la comunicación Bluetooth mediante el ESP32. En este caso es utilizada para conectar el APK "TableTop".
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LEDMatrix: Biblioteca encargada de apoyar la lógica de la matriz y permitir el manejo de coordenadas de manera más sencilla.
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LEDSprites: Biblioteca encargada de permitir la manipulación de gráficos dentro de una matriz (Créditos a AaronLiddiment).
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LEDText: Biblioteca encargada de poder mostrar texto en la matriz lED (Créditos a AaronLiddiment).
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FontMatrise: Biblioteca encargada de ajustar la resolución y tipografía del texto mostrado dentro del tetris.
"Mapeado de los lEDs":
La lógica (x,y) de la matriz LED de 10x10 es la siguiente:
9, 10, 29, 30, 49, 50, 69, 70, 89, 90,
8, 11, 28, 31, 48, 51, 68, 71, 88, 91,
7, 12, 27, 32, 47, 52, 67, 72, 87, 92,
6, 13, 26, 33, 46, 53, 66, 73, 86, 93,
5, 14, 25, 34, 45, 54, 65, 74, 85, 94,
4, 15, 24, 35, 44, 55, 64, 75, 84, 95,
3, 16, 23, 36, 43, 56, 63, 76, 83, 96,
2, 17, 22, 37, 42, 57, 62, 77, 82, 97,
1, 18, 21, 38, 41, 58, 61, 78, 81, 98,
0, 19, 20, 39, 40, 59, 60, 79, 80, 99
En casos en los que es necesario dibujar directamente sobre la matriz, es necesario conocer esta lógica. Además, en caso de mapear cada uno de los sensores, es indispensable conocer esta información.
- Se detecta alto nivel de consumo por parte del conjunto de LEDs e infrarojos. Si bien es posible ejecutar el código .ino y aprovechar todas las funcionalidades, no es posible hacer que el uso de baterías alimente correcta y prolongadamente el proyecto. Estos detalles quedan a revisión.
- Existen algunos conflictos con la lectura de la tarjeta RFID en algunos casos, sin embargo, se trata de un tema relacionado al código y al timing de lecturas.
- Braulio Garro Marín
- María Jesús Rodríguez Molina
- Geisel Thais Hernández Quesada
- Melina Valeska Soto Badilla
Este proyecto está licenciado bajo los términos de la Licencia Creative Commons.
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