Proyecto Vialidad Urbana: semáforos controlados por unidades de emergencia

En las ciudades muchos delitos o muertes pueden haber sido evitadas si la ayuda de una ambulancia o la policía hubiera llegado a tiempo, en Oaxaca gran parte de la sociedad carece de una cultura vial que ayude a las personas a recibir el auxilio por parte de las unidades de socorro de manera pronta y oportuna. Todos alguna vez hemos estado en carretera mientras alguna unidad de emergencia necesita circular con libertad mientras diversas unidades de motor tienen la imposibilidad de moverse debido a la cantidad de autos que desean circular o no tienen paso por parte del semáforo.

Objetivo:

Explicar como crear una maqueta que simula el control de semáforos por unidades de emergencia como ambulancias, bomberos, etc. utilizando el microcontrolador Arduino y sensores infrarrojos.

Materiales a utilizar:

Material	Cantidad	Precio Unitario	Imagen	Configuración
Arduino Uno: Para poder controlar el funcionamiento de los dispositivos	1	$300		Info
Protoboard : Placa para interconectar los componentes electrónicos utilizados	1	$60		Info
Sensor infrarrojo (GP1UE26RK0VF)  :Para detectar la presencia y distancia de un vehículo	2	$13		Info
Led emisor de luz infearroja(IR)  :Para detectar la presencia y distancia de un vehículo	2	$6		Info
Leds(Verde, Rojo, Amarillo):Para simular los semaforos	6	$5		Info
Resistenciasde 220 Ohms:Para controlar la corriente adecuada en el circuito	6	$5		Info
Pila 1.5 v: Para alimentar los leds emisores de luz infrarroja que se montan en los vehículos	2	$20
Cable UTPPara conectar los componetes	1/2 metro	$10
Conectores Macho- macho y hembra-Macho: Para conectar los dispositivos al arduino	10	$2
Coches de juguetePara simular las ambuancias	2	$15
Papel Cascaron, pinturas(gris, blanca,amarilla), tijeras, pegamento, cartulinaPara simular las calles, casas, semaforos, etc	1	$40

Presupuesto aproximado: $520

Procedimiento para armar la maqueta

      1. Pintar dos  calles en el papel cascaron y pintarlas según los colores que desee.

            

         

     2. Armar algunas casas, escuelas, edificios según su creatividad, en este caso se compraron laminas para armas, las cuales las puede conseguir en una papelería o puede dibujar y armas sus propias casas o puede consultar la direccion: http://www.jopasi.org/casas.php,  en la cual encontrará muchos moldes para armar(hospitales, Iglesias, farmacias, escuelas, etc.)

    3. Armar 2 semáforos en los cuales colocaremos los leds mas adelante

   4. Pegar las piezas que armó alrededor de las calles.

   

Una vez que tenga lista su maqueta proceda a armar el circuito electrónico para simular el funcionamiento de los semáforos inteligentes

Procedimiento para armar el circuito eléctrico

     

      Diagrama:

1.- Primero leeremos los datos que nos arroja el sensor infrarrojo, para ello conectamos sus pines basándonos en su datasheet

Conexiones:

·                      Pin 1 - Output conectar al pin A0 de arduino

·                      Pin 2 - GND conectar al al pin GND de arduino

·                      Pin 3 – VCC a  3.3v de arduino

2.- Después conectamos un led emisor infrarrojo, la patita más corta se conecta a una resistencia de 220 ohm y esta se conecta a GND, la patita más larga a corriente 5v.

Para poder observar que el led esta emitiendo luz es necesario verlo a través  de una cámara, debido a que la luz es imperceptible para el ojo humano

3. Ejecute el siguiente código y observe que valores muestra en la consola serial:

void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() {   Serial.println(analogRead(A0));   delay(1000);  }

Resultados obtenidos:

4.- Una vez que conectamos correctamente el sensor y obtener sus datos procedemos a conectar los leds que pertenecerán a los semáforos(verde, amarillo y rojo) para hacer las simulaciones de su funcionamiento normal, es decir sin los sensores infrarrojos, para programar sus tiempos de cambio, la forma en la que se alternan y en la que se sincronizan.

  Semáforo 1:
                             led Verde1--> Pin  digital 2 de Arduino
                             led Amarillo1--> Pin  digital 3 de Arduino
                             led Rojo1--> Pin  digital 4 de Arduino
  Semáforo 2:
                             led Verde2--> Pin  digital 5 de Arduino
                             led amarillo2--> Pin  digital 6 de Arduino
                             led ROjo2--> Pin  digital 7 de Arduino

5. Ejecute el siguiente código para ver el funcionamiento normal de los semáforos, Se usa la función millis() debido a que se necesita estar leyendo constantemente los datos que nos arrojan los sensores infrarrojos, y  esto no es posible  usando delay() los cuales pausan todos los procesos impidiendo así que se obtengan las lecturas de los sensores infrarrojos de forma constante.

int verde1 = 2; int amarillo1 = 3; int rojo1 = 4; int verde2 = 5; int amarillo2 = 6; int rojo2 = 7; int millisActuales; //para almacenar el valor de los milisegundos que se leen de la función millis() int millisAnteriores=0; //almacena el valor de los milisegundos tras haber terminado un loop, necesario para calcular los intervalos de tiempo entre los loops void setup() {   Serial.begin(9600);   pinMode(verde1,OUTPUT);   pinMode(amarillo1,OUTPUT);   pinMode(rojo1,OUTPUT);   pinMode(verde2,OUTPUT);   pinMode(amarillo2,OUTPUT);   pinMode(rojo2,OUTPUT); } void loop() {   //se optine el valor de los milisegundos que lleva en ejecucion arduino   millisActuales = millis();   inicio();   //imprime el valor de los milisegundos   Serial.println(millisActuales); } void inicio(){   /*    * Para calcular el tiempo exacto entre cada loop restamos los milisegundos del ultimo loop (millisAnteriores) de los milisegundos actuales (millisActuales)    * El primer loop los millisAnteriores son igual a 0, después incrementan en 20,000 por loop y así sucesivamente, esto se hace debido a que la funcion millis, no se puede reiniciar a no ser que se aplique un overflow    */    int tiempo = millisActuales - millisAnteriores;   if(tiempo < 7000){     //semáforo 1, led verde encendido 7 segundos     digitalWrite(verde1,HIGH);     digitalWrite(amarillo1,LOW);     digitalWrite(rojo1,LOW);     //semáforo 2, led rojo encendido 7 segundos     digitalWrite(verde2,LOW);     digitalWrite(amarillo2,LOW);     digitalWrite(rojo2,HIGH);    }   if(tiempo > 7000 && tiempo < 10000){     digitalWrite(verde1,LOW);     digitalWrite(amarillo1,HIGH);     digitalWrite(rojo1,LOW);     digitalWrite(verde2,LOW);     digitalWrite(amarillo2,LOW);     digitalWrite(rojo2,HIGH);   }   if(tiempo > 10000 && tiempo < 17000){     digitalWrite(verde1,LOW);     digitalWrite(amarillo1,LOW);     digitalWrite(rojo1,HIGH);     digitalWrite(verde2,HIGH);     digitalWrite(amarillo2,LOW);     digitalWrite(rojo2,LOW);   }   if(tiempo > 17000 && tiempo < 20000){     digitalWrite(verde1,LOW);     digitalWrite(amarillo1,LOW);     digitalWrite(rojo1,HIGH);     digitalWrite(verde2,LOW);     digitalWrite(amarillo2,HIGH);     digitalWrite(rojo2,LOW);   }   if(tiempo > 20000){     /*     * Una vez terminados 20 segundos el valor de millisAnteriores pasa a ser el de los millisActuales para que el tiempo nunca supere los 20 segundos, y siempre sea un ciclo entre 0 y 20 segundos.     */     millisAnteriores = millisActuales;   } }

Resutados:

6. Ahora con el siguiente el código hace  que todo  funcione (que nos costó un dolor de cabeza) porque no solo es leer los datos de los sensores sino, modificar parte del funcionamiento lógico de los semáforos para prevenir accidentes a la hora de realizar los cambios cuando una unidad de emergencia lo requiera.

int verde1 = 2; int amarillo1 = 3; int rojo1 = 4; int verde2 = 5; int amarillo2 = 6; int rojo2 = 7; int millisActuales; int millisAnteriores=0; const char receptor1 = A0; ionst char receptor2 = A1; int tiempo2 = 0; void setup() {   Serial.begin(9600);   pinMode(verde1,OUTPUT);   pinMode(amarillo1,OUTPUT);   pinMode(rojo1,OUTPUT);   pinMode(verde2,OUTPUT);   pinMode(amarillo2,OUTPUT);   pinMode(rojo2,OUTPUT);   pinMode(receptor1,INPUT);   pinMode(receptor2,INPUT); } void loop() {   inicio();  } void inicio(){   millisActuales = millis();   //Se leen los valores de los sensores infrarrojos 1 y 2   int valor1 = analogRead(receptor1);   int valor2 = analogRead(receptor2);   /*    * Para calcular el tiempo exacto entre cada loop restamos los milisegundos del utimo loop (millisAnteriores) de los milisegundos actuales (millisActuales)    * El primer loop los millisAnteriores son igual a 0, despues incrementan en 20,000 por loop y así sucesivamente, esto se hace debido a que la funcion millis no se puede reiniciar a no ser que se aplique un overflow    *    * Ahora también se agrega un valor más, que es el tiempo2 cuya función es la de acelerar la transición de los semáforos de verde a rojo dependiendo de que semáforo sea    *    */    int tiempo = millisActuales - millisAnteriores + tiempo2;   Serial.println(tiempo);   if(tiempo < 7000){     /*      * semáforo 1 en verde y semáforo 2 en rojo por 7 segundos      */     digitalWrite(verde1,HIGH);     digitalWrite(amarillo1,LOW);     digitalWrite(rojo1,LOW);     digitalWrite(verde2,LOW);     digitalWrite(amarillo2,LOW);     digitalWrite(rojo2,HIGH);     /*      * Tras obtener el valor del sensor infrarrojo número 2, es decir el sensor ubicado en el semáforo 2      * Se compara si este valor es mayor a 90, es decir, si detecto una luz infrarroja proveniente de la unidad      * de rescate, si la condición se cumple entonces al tiempo2 se le asigna el valor de los milisegundos que resten      * para terminar el estado del semáforo 1 (que esta en verde) y acelerar su transición a rojo, haciendo que el      * semáforo 1 pase rápidamente de verde a amarillo, dando 3 segundo a los vehículos a pasar o detenerse      *      */     if(valor2 > 90){       tiempo2 = 7000 - (millisActuales - millisAnteriores);     }   }   if(tiempo > 7000 && tiempo < 10000){     digitalWrite(verde1,LOW);     digitalWrite(amarillo1,HIGH);     digitalWrite(rojo1,LOW);     digitalWrite(verde2,LOW);     digitalWrite(amarillo2,LOW);     digitalWrite(rojo2,HIGH);   }   if(tiempo > 10000 && tiempo < 17000){     /*      * Semáforo 1 en rojo y semáforo 2 en verde por 7 segundos      */     digitalWrite(verde1,LOW);     digitalWrite(amarillo1,LOW);     digitalWrite(rojo1,HIGH);     digitalWrite(verde2,HIGH);     digitalWrite(amarillo2,LOW);     digitalWrite(rojo2,LOW);     /*      * Esta función es similar a la anterior del semáforo 1, solo que en esta se comprueba si el      * sensor infrarrojo 1, que se encuentra en el semáforo 1 detecto luz infrarroja para acelerar      * la transición del semáforo 2 a rojo, pasando primero por un cambio a amarillo de 3 segundos      * nuevamente para que los vehículos tengan tiempo de pasar o detenerse.      */     if(valor1 > 90){       tiempo2 = 17000 - (millisActuales - millisAnteriores);     }   }   if(tiempo > 17000 && tiempo < 20000){     digitalWrite(verde1,LOW);     digitalWrite(amarillo1,LOW);     digitalWrite(rojo1,HIGH);     digitalWrite(verde2,LOW);     digitalWrite(amarillo2,HIGH);     digitalWrite(rojo2,LOW);   }   if(tiempo > 20000){     /*     * Una vez terminados 20 segundos el valor de millisAnteriores pasa a ser el de los millisActuales para que el     * tiempo nunca supere los 20 segundos, y siempre sea un ciclo entre 0 y 20 segundos.     */     millisAnteriores = millisActuales;         /*      * La variable tiempo2 la tenemos definida global y su valor se mantiene tras realizarse cada loop por ello      * que se reinicie su valor a 0      */          tiempo2 = 0;   } }

Resultados:

7. Una vez probado el funcionamiento correcto de los semáforos y los sensores, lo único que nos queda por hacer, es colocar los leds en cada semáforo que armamos y pegarlos en la maqueta.

8. Veamos como funcionan los semáforos con el uso de sensores infrarrojos

Funcionamiento:

El led emisor de luz infrarroja esta montado sobre la ambulancia, y el receptor de luz esta  en el semáforo. El receptor de luz obtendrá valores variados de acuerdo a la distancia a la que se encuentre el emisor de luz y de acuerdo a esos valores es que se programa en el microcontrolador (Arduino Uno) el funcionamiento del semáforo (tiempo en que tarda en cambiar cada estado).

Para evitar accidentes la forma en que funcionan los semáforos automáticos es mediante la aceleración entre sus transiciones de estado, es decir, si el semáforo donde pasara en un determinado tiempo una unidad de rescate se encuentra en rojo, se acelera el proceso de transición de todos los semáforos que se encuentren alrededor de este de modo que este pueda pasar a verde dentro de pocos segundos.

Ejemplo con dos semáforos:

Estados	Semáforo 1	Semáforo 2	Tiempo
q0			7 segundos
q1			3 segundo
q2			7 segundos
q3			3 segundo

Suponiendo que el estado actual es q0 y una unidad de rescate este próxima al semáforo 2, entonces rápidamente se acelera la transición del estado q0 a q1, quitando así los segundos restantes (7 en este caso) para que durante 3 segundos los vehículos que transiten por el semáforo 1 puedan o terminar de cruzar o detenerse, de este modo cuando la unidad de rescate llegue al semáforo 2 pueda pasar sin problemas, esto se aplica de la misma forma para el semáforo 2, si se está en el estado q2 entonces se acelera la transición al estado q3.

Beneficios en la vida real y tiempo de vida  :)

Los los semáforos inteligentes se agiliza la circulación de los vehículos, evitando el trafico que a veces se produce, en este caso con el control de los semáforos por un vehículo como las ambulancias, bomberos, etc. se ven beneficiados las personas las cuales su vida esta en peligro, permitiendo que el traslado a un hospital sea mucho mas rápido, ya que unos minutos son suficientes para poder salvar a una persona.
Los países de primer mundo tienen prácticamente todos los servicios automatizados evitando grandes problemas de tiempo. En dado caso de que nuestro prototipo se llegue a implementar en la ciudad en un futuro el tiempo de vida será mientras se le siga invirtiendo al mantenimiento y mejoras, de acuerdo a los resultados que obtenga su implementación en la realidad, que sin duda alguna sería un gran beneficio para la población.

Inconconvenientes  :(  

Muchas cosas que intentamos hacer no se lograron a la primera o simplemente no se podía y tuvimos que recurrir a distintas alternativas

1.- El primer problema que tuvimos fue cuando intentamos utilizar un sensor infrarrojo como este:

Es un diodo receptor infrarrojo, cuya función es la de un diodo pero este diodo solo permite el flojo de corriente en una dirección cuando una luz infrarroja es captada por el mismo.

Por tanto si decidíamos utilizarlo se necesitaría de un transistor como el siguiente:

 

Una resistencia de 100k ohm donde un extremo de la esta va conectada a la patita más larga de nuestro diodo receptor infrarrojo y el otro extremo de la resistencia a la gate del transistor, el colector del transistor a corriente 5v y el emisor a un jumper que va conectado a un pin digital de arduino y a su vez a tierra.

La intención de esto es que cuando el diodo receptor detecte un haz de luz infrarroja deje fluir corriente a la gate del transistor y con la resistencia de 100k ohm la gate del transistor solo reciba entre 0 a 1 amperes la necesaria para abrir o cerrarla, en este caso el diodo dejaría pasar 1 Amper a la gate del transistor haciendo que este deje pasar 5v del ánodo al emisor y ello cree una lectura de HIGH en nuestro pin digital de arduino.

La razón por la que decidimos no hacerlo de esta forma, es que encontramos otro dispositivo con el que se podía hacer todo lo anterior mucho más fácil.

2.- Durante la práctica aprendimos sobre las desventajas de utilizar la función delay, y que existe otra alternativa con la función millis aunque su aplicación resulta un poco más complicada en algunos casos.

Créditos:

Díaz Jimenez Magaly P.

Leal Barragán Santiago

López López David

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