IoT services and technologies integration: vehicles detection and traffic levels prediction

Trabajo de Fin de Máster, Universidad Complutense, Facultad de Informática, Departamento de Ingeniería del Software e Inteligencia Artificial, Curso 2018/2019Las congestiones de tráfico vehicular son un problema que sufren muchas ciudades en el mundo, cada día es mayor la cantidad de personas que pierden valiosas horas de su tiempo atascadas en el tráfico, lo que se traduce en pérdidas económicas y de otra índole. Una posible solución para reducir el tiempo perdido de los viajeros por congestión y la contaminación creada por los estancamientos, es alertar acerca del flujo de tráfico presente en las vías, de modo que un conductor pueda escoger su ruta conociendo previamente el tráfico existente por zonas. El presente trabajo se focaliza en una solución para monitorizar el flujo vehicular en las vías con el fin de que estos datos sean accesibles por parte de los usuarios, de igual modo, podrán obtener información sobre el tráfico estimado en cierto momento de cualquier día para dichas vías. Esta solución está basada en la integración de servicios y tecnologías de Internet de las Cosas, IoT (Internet of Things), y además está pensada para ser totalmente escalable, de manera que sirva para sensorizar no solo una sino todas las vías que se deseen. El planteamiento de la solución consiste en el uso de cámaras inteligentes con procesamiento de borde (edge computing) que implementan contenedores Docker, éstos son capaces de ejecutar códigos en Python con modelos de redes neuronales entrenadas con TensorFlow para reconocimiento de vehículos, luego este código envía por MQTT a Azure IoT Hub los resultados del análisis y, posteriormente, estos datos se almacenan en una base de datos MongoDB hospedada en Azure. Una vez recolectados estos datos, una función Lambda programada en Python y publicada en AWS, a través de Amazon API Gateway, permite actuar como API Rest para consultas HTTP desde múltiples dispositivos y aplicaciones, que sirven para preguntar el nivel de tráfico actual o estimado en cierta fecha y hora. Para predecir el tráfico en otra fecha se utiliza un modelo de regresión lineal realizada con Apache Spark a partir de los datos obtenidos. En este trabajo se explica el proceso evolutivo de todas las pruebas y cambios realizados para llegar a diseñar la solución que se propone, junto con las evidencias de su viabilidad en base a los resultados obtenidos.Traffic congestion is a problem that many cities in the world, every day, more people lose valuable hours of their time stuck in traffic, which translates into economic and other losses. A possible solution to reduce the lost time of the travelers due to congestion and the pollution created by the vehicular stagnations is to warn about the traffic flow present on the roads, so that a driver can choose his route knowing previously the existing traffic by zones. The present work focuses on a solution to monitor vehicular flow on the roads so that these data are accessible by users, in the same way, they can obtain information on the estimated traffic at a certain time of any day for such roads. This solution is based on the integration of services and technologies of Internet of Things, IoT, and is also designed to be fully scalable, so that it serves to sensorize not only one, but all the desired routes. The solution is based on the use of intelligent cameras with edge processing (edge computing) that implement Docker containers, they are able for executing Python codes with models of neural networks trained with TensorFlow for vehicle recognition, then this code sends by MQTT to Azure IoT Hub the results of the analysis and, subsequently, this data is stored in a MongoDB database hosted in Azure. Once this data has been collected, a Lambda function programmed in Python and published in AWS, through Amazon API Gateway, allows acting as a Rest API for HTTP queries from multiple devices and applications, which are used to ask the current or estimated traffic level at an specific date and time. To predict traffic on another date, a linear regression model using Apache Spark is used based on the obtained data. This work explains the evolutionary process of all the tests and changes done in order to get the design of the proposed solution, along with the evidence of its feasibility based on the results obtained.Depto. de Ingeniería de Software e Inteligencia Artificial (ISIA)Fac. de InformáticaTRUEunpu

Disseny de l'automatisme de control tèrmic i pneumàtic d'un forn túnel

Diseño y programación del control térmico y neumático de un horno tipo túnel, tomando como controlador un PLC Twido y un HMI/SCADA Magelis XBTGT.[ANGLÈS] In this project is going to be explained the design of an automated control system of the tunnel oven of a ceramic factory. A tunnel oven is an elongated oven, it consist of a number of elements that allow the material within reach temperatures able of modifying the molecular structure during cooking, in this case the oven is used to obtain ceramic products from clay. Mainly, the controls consists on switch on, switch off or properly change the speed of the burners and of the ventilation system to maintain the temperature and pressure’s conditions inside the furnace. Furthermore, there will be control of the doors and hydraulic jacks, to automatically traverse the material from one end to another of the furnace. For the properly behave of the system, it must be known the state of some variables, for this is going to be used different kinds of sensors; in this project they are chosen to suit different situations; to measure temperatures, the best option is using type K thermocouples; instead, to detect the presence of certain elements in different parts of its route, it is better the use of capacitive sensors and microswitchs. It also being indicated how each component is controlled, whether the burners or fan motors, doors or hydraulic jacks. To process the information from the sensors and control the system’s devices will be used a series Twido PLC with the extension modules required. On the other hand, also a Human-Machine Interface (HMI) will be used by the operator, so he can monitor, configure, change the operating parameters and execute sequences manually. The HMI chosen is a Magelis HMI from the series XBT GT, with a SCADA incorporated, which allows it to be programmed to perform control and monitoring actions and so, thanks to this, programming is done in a joint between the PLC and the HMI/SCADA. Afterwards, once the electrical and electronic components that are going to be used to control the system were selected, will be described the programming done, the way that the operator can set or control sequences and finally, will be indicated the scope and limitations of this control system designed.[CASTELLÀ] En este proyecto se explicará el diseño de un sistema de control automatizado del horno túnel de una fábrica de cerámica. Un horno túnel es alargado y está conformado por una serie de elementos que permiten que el material en su interior alcance temperaturas capaces de modificar su estructura molecular durante la cocción; en este caso el horno se utiliza para obtener productos de cerámica estructural a partir de arcilla. El control que se realizará consiste principalmente en encender, apagar o cambiar la velocidad adecuadamente de los quemadores y el sistema de ventilación, esto para mantener las condiciones necesarias de temperatura y presión en el interior del horno. Además, se realizará el control de las puertas, arrastradores y gatos hidráulicos para que el material recorra el horno de un extremo a otro de forma automática. Para que el sistema se comporte adecuadamente, es necesario conocer el estado de algunas variables, para esto se utilizarán distintos tipos de sensores; en este proyecto se escogen los sensores adecuados para cada situación, obteniéndose como mejor opción el uso de termocuplas tipo K para medir las temperaturas, y el uso de sensores capacitivos y microsuiches para detectar la presencia de ciertos elementos en distintas partes de su recorrido. Adicionalmente se indica el modo en que se controla cada componente, ya sean los quemadores o los motores de los ventiladores, las puertas o el gato hidráulico. Para procesar la información de los sensores y poder controlar los dispositivos del sistema, se utilizará un PLC de la serie Twido con los módulos de ampliación necesarios. Por otra parte, también se utilizará una Interfaz Humano-Máquina o HMI por sus siglas en inglés para que el operador pueda supervisar, configurar, cambiar parámetros los de operación y ejecutar maniobras de las secuencias llevadas a cabo en el horno. El HMI escogido es un Magelis de la serie XBT GT, que lleva incorporado un SCADA, el cual permite ser programado para realizar acciones de control y supervisión y así, gracias a esto, la programación se realizó de una manera conjunta entre el PLC y el HMI/SCADA. Posteriormente, una vez escogidos los componentes eléctricos y electrónicos que se utilizarán para el control del sistema, se describirá la programación realizada, la forma en la que el operador podrá configurar o controlar las secuencias y, por último, se indican el alcance y las limitaciones de este sistema de control diseñado.[CATALÀ] En aquest projecte s’explicarà el disseny de control automatizat del forn túnel d’una fàbrica de ceràmica. El forn túnel és un forn allargat format per una sèrie d’elements que permeten que el material del seu interior arribi fins a temperatures capaces de modificar la seva estructura mol•lecular durant la cocció; en aquest cas s’utiliza per tal d’obtenir productes de ceràmica estructural a partir d’argila. El control que realitzarà consisteix principalment en encendre, apagar o canviar la velocitat adequadament del cremadors i el sistema de ventilació per mantenir les condicions necessàries de temperatura i pressió a l’interior del forn. A més, es realitzarà el control de les portes, arrossegadors i gats hidràulics per a que el material recorri el forn d’un extrem a l’altre de forma automàtica. Per a que el sistema es comporti de manera adequada, és necessari conèixer l’estat d’algunes variables, per a això s’usaran diferents tipus de sensors; en aquest projecte s’escullen els sensors adequats per a cada situació, obtenit com a millor opció l’ús de termocuples tipus K per a medir temperatures i l’ús de sensors capacitius i microswitchos per detectar la presència de certs elements en diferents parts del seu recorregut. També s’indica el mode en què es controla cada component, bé siguin els cremadors o els motors del ventiladors, de les portes o del gat hidràulic. Per tal de processar la informació dels sensors i poder controlar els dispositius del sistema, s’utilizarà un PLC de la sèrie Twido amb els mòduls d’ampliació necessaris. Per altra banda, també s’utilitzarà una Interficie Humà-Màquina, o HMI per les seves sigles en anglès, per tal que l’operador pugui supervisar, configurar, canviar paràmetres de la operació i executar maniobres de les seqüències dutes a terme al forn. L’HMI escollit és un Magelis de la sèrie XBT GT, que duu incorporat un SCADA, el qual permet ser programat per a realitzar accions de control i supervisió i així, gràcies a això, la programació es va realitzar de manera conjunta entre el PLC i l’HMI/SCADA. Posteriorment, un cop escollits els components elèctrics i electrònics que s’usaran per al control del sistema, es descriu la programació realitzada, la manera en què l’operador podrà configurar o controlar les seqüències i per finalitzar, s’indiquen l’abast i les limitacions d’aquest sistema de control dissenyat

Disseny de l'automatisme de control tèrmic i pneumàtic d'un forn túnel

Diseño y programación del control térmico y neumático de un horno tipo túnel, tomando como controlador un PLC Twido y un HMI/SCADA Magelis XBTGT.[ANGLÈS] In this project is going to be explained the design of an automated control system of the tunnel oven of a ceramic factory. A tunnel oven is an elongated oven, it consist of a number of elements that allow the material within reach temperatures able of modifying the molecular structure during cooking, in this case the oven is used to obtain ceramic products from clay. Mainly, the controls consists on switch on, switch off or properly change the speed of the burners and of the ventilation system to maintain the temperature and pressure’s conditions inside the furnace. Furthermore, there will be control of the doors and hydraulic jacks, to automatically traverse the material from one end to another of the furnace. For the properly behave of the system, it must be known the state of some variables, for this is going to be used different kinds of sensors; in this project they are chosen to suit different situations; to measure temperatures, the best option is using type K thermocouples; instead, to detect the presence of certain elements in different parts of its route, it is better the use of capacitive sensors and microswitchs. It also being indicated how each component is controlled, whether the burners or fan motors, doors or hydraulic jacks. To process the information from the sensors and control the system’s devices will be used a series Twido PLC with the extension modules required. On the other hand, also a Human-Machine Interface (HMI) will be used by the operator, so he can monitor, configure, change the operating parameters and execute sequences manually. The HMI chosen is a Magelis HMI from the series XBT GT, with a SCADA incorporated, which allows it to be programmed to perform control and monitoring actions and so, thanks to this, programming is done in a joint between the PLC and the HMI/SCADA. Afterwards, once the electrical and electronic components that are going to be used to control the system were selected, will be described the programming done, the way that the operator can set or control sequences and finally, will be indicated the scope and limitations of this control system designed.[CASTELLÀ] En este proyecto se explicará el diseño de un sistema de control automatizado del horno túnel de una fábrica de cerámica. Un horno túnel es alargado y está conformado por una serie de elementos que permiten que el material en su interior alcance temperaturas capaces de modificar su estructura molecular durante la cocción; en este caso el horno se utiliza para obtener productos de cerámica estructural a partir de arcilla. El control que se realizará consiste principalmente en encender, apagar o cambiar la velocidad adecuadamente de los quemadores y el sistema de ventilación, esto para mantener las condiciones necesarias de temperatura y presión en el interior del horno. Además, se realizará el control de las puertas, arrastradores y gatos hidráulicos para que el material recorra el horno de un extremo a otro de forma automática. Para que el sistema se comporte adecuadamente, es necesario conocer el estado de algunas variables, para esto se utilizarán distintos tipos de sensores; en este proyecto se escogen los sensores adecuados para cada situación, obteniéndose como mejor opción el uso de termocuplas tipo K para medir las temperaturas, y el uso de sensores capacitivos y microsuiches para detectar la presencia de ciertos elementos en distintas partes de su recorrido. Adicionalmente se indica el modo en que se controla cada componente, ya sean los quemadores o los motores de los ventiladores, las puertas o el gato hidráulico. Para procesar la información de los sensores y poder controlar los dispositivos del sistema, se utilizará un PLC de la serie Twido con los módulos de ampliación necesarios. Por otra parte, también se utilizará una Interfaz Humano-Máquina o HMI por sus siglas en inglés para que el operador pueda supervisar, configurar, cambiar parámetros los de operación y ejecutar maniobras de las secuencias llevadas a cabo en el horno. El HMI escogido es un Magelis de la serie XBT GT, que lleva incorporado un SCADA, el cual permite ser programado para realizar acciones de control y supervisión y así, gracias a esto, la programación se realizó de una manera conjunta entre el PLC y el HMI/SCADA. Posteriormente, una vez escogidos los componentes eléctricos y electrónicos que se utilizarán para el control del sistema, se describirá la programación realizada, la forma en la que el operador podrá configurar o controlar las secuencias y, por último, se indican el alcance y las limitaciones de este sistema de control diseñado.[CATALÀ] En aquest projecte s’explicarà el disseny de control automatizat del forn túnel d’una fàbrica de ceràmica. El forn túnel és un forn allargat format per una sèrie d’elements que permeten que el material del seu interior arribi fins a temperatures capaces de modificar la seva estructura mol•lecular durant la cocció; en aquest cas s’utiliza per tal d’obtenir productes de ceràmica estructural a partir d’argila. El control que realitzarà consisteix principalment en encendre, apagar o canviar la velocitat adequadament del cremadors i el sistema de ventilació per mantenir les condicions necessàries de temperatura i pressió a l’interior del forn. A més, es realitzarà el control de les portes, arrossegadors i gats hidràulics per a que el material recorri el forn d’un extrem a l’altre de forma automàtica. Per a que el sistema es comporti de manera adequada, és necessari conèixer l’estat d’algunes variables, per a això s’usaran diferents tipus de sensors; en aquest projecte s’escullen els sensors adequats per a cada situació, obtenit com a millor opció l’ús de termocuples tipus K per a medir temperatures i l’ús de sensors capacitius i microswitchos per detectar la presència de certs elements en diferents parts del seu recorregut. També s’indica el mode en què es controla cada component, bé siguin els cremadors o els motors del ventiladors, de les portes o del gat hidràulic. Per tal de processar la informació dels sensors i poder controlar els dispositius del sistema, s’utilizarà un PLC de la sèrie Twido amb els mòduls d’ampliació necessaris. Per altra banda, també s’utilitzarà una Interficie Humà-Màquina, o HMI per les seves sigles en anglès, per tal que l’operador pugui supervisar, configurar, canviar paràmetres de la operació i executar maniobres de les seqüències dutes a terme al forn. L’HMI escollit és un Magelis de la sèrie XBT GT, que duu incorporat un SCADA, el qual permet ser programat per a realitzar accions de control i supervisió i així, gràcies a això, la programació es va realitzar de manera conjunta entre el PLC i l’HMI/SCADA. Posteriorment, un cop escollits els components elèctrics i electrònics que s’usaran per al control del sistema, es descriu la programació realitzada, la manera en què l’operador podrà configurar o controlar les seqüències i per finalitzar, s’indiquen l’abast i les limitacions d’aquest sistema de control dissenyat