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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 6 (3): e258. Julio-Septiembre, 2023. https://doi.org/10.37636/recit.v6n3e258
ISSN: 2594-1925
1
Estudio de casos
Explorando internet de las cosas basado en ESP8266:
herramientas y caso de estudio
Exploring the internet of things based on ESP8622: tools and case
study
Elva Lilia Reynoso Jardón , Manuel Nandayapa , Quirino Estrada Barbosa , Raul Ñeco
Caberta , Meilynn Jeyli Pineda Gugenbuhul , José Alfredo Ramirez Monares , José
Francisco Arvizu Astorga
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Manuel Díaz H. No. 518-B Zona Pronaf. Condominio, 32315
Cd Juárez, Chihuahua, México
Autor de correspondencia: Elva Lilia Reynoso Jardón, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez,
Manuel Díaz H. No. 518-B Zona Pronaf Condominio, 32315 Cd Juárez, Chihuahua, México. E-mail:
elva.reynoso@uacj.mx. ORCID: 0000-0002-0729-2822.
Enviado: 28 de Mayo del 2023 Aceptado: 14 de Agosto del 2023 Publicado: 20 de Septiembre del 2023
Resumen. - El presente proyecto se centra en la exploración del internet de las cosas basado en ESP8266
con el desarrollo de una aplicación para dispositivos móviles que integra el control y monitoreo de un
alimentador automático de mascotas. El documento presenta un diseño de una estructura física que porte
todos los componentes eléctricos y logre realizar una conexión por medio de un servidor, utilizando el
protocolo MQTT para mensajería en tiempo con la aplicación desde cualquier parte del mundo utilizando
una red Wifi. Mediante una serie de pruebas de los tiempos de respuesta del alimentador después de
entrar a la aplicación y presionar el botón y utilizando la misma red en la que está conectado el
alimentador. Los tiempos máximos de respuesta en el servomotor fueron de 5 segundos mientras que los
tiempos de respuesta para los sensores fueron de 1 segundos.
Palabras clave: Aplicación móvil; Alimentador de mascotas; MQTT.
Abstract. - This project focuses on exploring internet of things based on ESP8266 by the development of
an application for mobile devices with the control and monitoring operation of an automatic pet feeder.
The document presents a design of a physical structure that carries all the electrical components and
manages to make a connection through a server, using the MQTT protocol for messaging in time with the
application from anywhere in the world using a Wi-Fi network. A series of tests of the response times of
the feeder after entering the application, pressing the button, and using the same network to which the
feeder is connected. The maximum response times in the servo motor were 5 seconds while the response
times for the sensors were 1 second.
Keywords: Mobile app; Pet feeder; MQTT.
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1. Introducción
Desde que el Internet empezó a ser importante
para el mundo se realizaron intentos para
conectar cosas con el Internet. De acuerdo con
[1], se pudo conectar por primera vez una
tostadora que podía encenderse y apagarse a
través de internet. Por otro lado, [2] y [3] dieron
la primera descripción del funcionamiento de los
sensores y dispositivos similares conectados a la
Internet. El internet de las cosas (IoT por sus
siglas en inglés) se entiende como la conexión
entre humanos, computadoras y cosas [4]. La
tecnología IoT utiliza la identificación de
elementos, sensores, sistemas de
posicionamiento global, escáner, láser, arduino,
entre otros, para conectar cualquier artículo bajo
protocolo de Internet (IP) [5]. Con una dirección
IP se logra posicionamiento, seguimiento,
monitoreo y administración inteligente de
artículos. La administración de estos artículos
puede hacerse en tiempo real [6]. Por ejemplo,
controlar los interruptores eléctricos en una casa
inteligentes desde un dispositivo móvil de
manera remota por medio de programas de
aplicación (apps) [7].
Las apps en los teléfonos inteligentes han
brindado una gran cantidad de utilidades [8]. Las
aplicaciones móviles pueden llegar a ser una gran
herramienta como señaló [9], desarrollando una
aplicación para dispositivos móviles con la
capacidad de mover un brazo robótico que al
mismo tiempo transmitiera imágenes en tiempo
real desde una cámara. No solo en la industria se
puede usar aplicaciones móviles para optimizar
algún proceso como señala [10] con un novedoso
sistema inalámbrico basado en el desarrollo de
una aplicación móvil que se conectaba a un
arduino y sensores que adquirían datos del
movimiento de un molino, los procesaba y
enviaba a la oficina donde se trabajaba con la
información. De igual manera como lo hacen
notar [11] y [12] donde desarrollaron una
aplicación móvil que ayudaba a los usuarios a
tener el control y monitoreo del clima dentro de
una habitación y del gasto innecesario de energía
al dejar dispositivos encendidos por largos lapsos
de tiempo. Para que el IoT pueda trabajar en
tiempo real se mantiene utilizando servicios en la
nube en varios servidores informáticos locales
conectados que luego transferirán la
accesibilidad de la información a los centros de
datos interconectados para todos los teléfonos
conectados con ubicaciones en todo el mundo
[13, 14]. En este trabajo se presenta un caso de
IoT desarrollando una aplicación móvil para el
monitoreo y control de un alimentador de
mascotas como una alternativa de ayuda para
personas que presentan problemas de movilidad
o ausencia. Desde el punto de vista humanista, la
alimentación de las mascotas siempre ha sido una
actividad importante, sin embargo, en algunas
ocasiones los dueños se les olvida alimentarlos.
Por lo tanto, la solución propuesta contribuye
como una herramienta de interconexión que
implica actuadores, dispositivos inteligentes y
conectividad por la nube, entre otros.
2. Herramientas en internet de las cosas
2.1 Protocolo MQTT
El protocolo Message Queuing Telemetry
Transport (MQTT Por sus siglas en inglés),
conecta las redes y los dispositivos por medio de
middleware y aplicaciones. La conexión se
establece utilizando patrones de comunicación
máquina-servidor, servidor-servidor, máquina-
máquina y mecanismos de enrutamiento [15]. El
puerto MQTT con el que trabaja por defecto es
TCP/IP 1883. MQTT tiene diferentes tipos de
servidores como mosquitto, hivemq, y paho
MQTT [16]. Los protocolos de seguridad que
utiliza en la capa de transporte son (TLS)/ Secure
Sockets Layer (SSL) y proporcionan seguridad
en las comunicaciones a través de la red
informática que es utilizada en diferentes
aplicaciones como el correo electrónico, la
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navegación web, el envío de faxes por internet,
VoIP y la mensajería instantánea.
MQTT es considerado el protocolo de conexión
más favorable para la conexión máquina-
máquina dentro de la tecnología IoT [17]. Este
protocolo utiliza el patrón
publicación/suscripción para proporcionar una
implementación más sencilla y una transición
flexible [18]. En la Figura 1 se muestra cómo
funciona el patrón mencionado de MQTT.
Figura 1. Proceso de publicación/suscripción utilizada por MQTT.
2. Plataforma Arduino
Los circuitos de arduino integran todos los
componentes necesarios que permiten un uso
poco complejo y rápido del microcontrolador. La
simplificación que genera el microcontrolador se
orienta a hacer accesible a toda la generación y
programación de dispositivos interactivos. Los
objetos mencionados pueden contener
captadores, indicadores luminosos o
interruptores deseados.
Las tarjetas son equipadas con una serie de
conectores estandarizados para la conexión de
módulos compatibles de nombre shields. Las
extensiones de hardware que ofrece permiten al
añadir funciones originales a el proyecto. Las
tarjetas cuentan con conectividad de tipo USB
para incorporar fácilmente el programa
realizado. Arduino cuenta con un botón de reset
el cual es una función física que le da la
oportunidad al microcontrolador de reiniciar su
estado. El microcontrolador ejecuta cíclica e
infinitamente el programa cargado en su
memoria. La función de este botón es interrumpir
el programa y regresarlo al inicio para que
comience desde cero [19].
El microcontrolador tiene dos formas de
comunicarse con el mundo exterior: las entradas
y salidas. Comúnmente se conoce como entradas
y salidas a los pines de los chips electrónicos,
estos pines reciben o emiten señales lógicas que
son interpretadas por el microcontrolador. En las
tarjetas se distribuyen las entradas y salidas
alrededor de su circuito haciendo más sencillo
añadir o retirar los componentes sin obligar al
usuario a soldarlas. El número de entradas y
salidas varía dependiendo del modelo del
arduino. Los conectores funcionan con 5V y
solamente pueden recibir y entregar 40 mA de
corriente [20].
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2.3 Aplicaciones para teléfonos móviles
Android es un sistema operativo para
dispositivos móviles basado en Linux y está
enfocado para ser utilizado en teléfonos
inteligentes, tabletas, Google TV, entre otros
dispositivos. Este sistema operativo es
desarrollado por Open Handset Alliance, que es
liderada por la compañía de Google [21].
La estructura del sistema operativo de android
está compuesta de aplicaciones que son
ejecutadas desde un framework Java de
aplicaciones [22]. Las bibliotecas son escritas en
el lenguaje C e incluyen un administrador de
interfaz gráfica, un framework OpneCore, una
base de datos relacional SQLite, una interfaz de
programación de API gráfica OpneGL ES 2.0
3D, un motor de renderizado Webkit, un motor
gráfico SGL, SSL y una biblioteca estándar de C
Bionic [10].
Las aplicaciones son normalmente desarrolladas
en el lenguaje Java con android software
development kit, pero existen otras herramientas
que pueden ayudar en el desarrollo de
aplicaciones móviles, como el kit de desarrollo
nativo para aplicaciones o algunas extensiones en
C, C++, entre otros lenguajes de programación
[23, 24].
La interfaz de usuario de la página web del MIT
app inventor incluye dos editores principales:
editor de diseño es una interfaz con mucha ayuda
visual donde solamente se necesita arrastrar y
soltar para diseñar los elementos de la interfaz de
usuario (UI) de la aplicación [25, 26]. El editor
de bloques es un entorno donde los inventores de
aplicaciones pueden realizar diseños visuales de
la lógica de sus aplicaciones utilizando bloques
que están codificados por colores que encajan
como una pieza de rompecabezas para describir
el programa. En la Figura 2 se muestra un
ejemplo del editor de bloques [27, 28].
Figura 2. Editor de Bloques.
Para facilitar a los usuarios el desarrollo y
pruebas, app inventor ofrece una aplicación móvil con el nombre de APP Inventor
Companion donde los desarrolladores pueden
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probar y ajustar los componentes de sus
aplicaciones en tiempo real. De esta forma es más
fácil para los usuarios crear rápidamente una
aplicación móvil [29].
3. Caso de estudio: alimentador de mascotas
En la Figura 3 muestra un mapa conceptual
donde se describe los pasos que se tomaron para
el desarrollo de este trabajo.
Figura 3. Pasos del diseño del alimentador y app de alimento.
3.1 Diseño de la estructura física
Se diseño en el software de SolidWorks una
estructura que pudiera cargar un contenedor de
alimento y adaptar todos los componentes del
circuito eléctrico. Una vez realizado el diseño se
consideraron los materiales con los que se
construiría el alimentador, tomando en cuenta
que fuera resistente, aspecto presentable y apto
para la mascota. El diseño del alimentador se
puede observar en la Figura 4.
Figura 4. Alimentador de mascotas.
Para la construcción de la estructura física del
alimentador de mascotas se buscó imprimir en
3D la base, tapa, distribuidor de alimento, rampa
y conducto para el contenedor de alimento con la
finalidad de tener calidad en las piezas para
ensamblar a la perfección y reducir fallas. El
material con el que se imprimió fue ABS-M30
(acrilonitrilo butadieno estireno) los materiales
son ideales para modelos de concepto y piezas
con requisitos moderados. Además, se
caracteriza por su fuerza y dureza, al mismo
tiempo que es liviana y resistente. Por otro lado,
el contendor fue hecho con acrílico.
3.2 Diseño del circuito eléctrico
El objetivo de la aplicación web es lograr la
interacción con el alimentador desde cualquier
parte del mundo mientras se tenga una conexión
a internet. Se utilizó un módulo de wifi
NodeMCU ESP8266 [30], una tarjeta de
desarrollo basada en arduino, especialmente
orientada al Internet de las cosas (IoT).
Tiene 1 pin de entradas análoga y 13 digitales.
Para el desarrollo de aplicaciones, se puede
escribir el código en lenguaje Lua usando el
framework de arduino. Además, el arduino
permite utilizar las librerías desarrolladas para
arduino y trabajar dentro de su entorno de
Diseño de la
estructura física
Diseño de
circuito
eléctrico
Control y monitoreo del
servidor Aplicación móvil Resultados del
alimentador
Contenedor de alimento
Conducto
del
alimento
Distribuidor de
alimento
Base del
alimentador
Rampa
Tapa
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desarrollo integrado (IDE), que es la plataforma
para escribir y cargar los programas. En la Figura
5 se puede apreciar el chip y sus entradas
análogas y digitales [31].
Figura 5. Módulo de WIFI NodeMCU ESP8266.
Para realizar el movimiento del distribuidor de
alimento se utilizó un servomotor de 20 kg para
mover el peso de las croquetas. En la Figura 6 se
puede apreciar el motor acoplado al distribuidor
del alimento.
Como se menciona con anterioridad, el
servomotor necesita 4.8 - 6.8 volts para
funcionar, el chip NodeMCU ESP8266
solamente energiza con 3.3 volts por lo que no
tiene la capacidad de energizar el servomotor.
Para la alimentación de potencia al servomotor se
utilizó una fuente de 5V. La aplicación mostrará
al usuario cuando el plato este lleno o vacío y el
nivel de comida del contenedor, para conseguir
eso se utilizará 2 sensores ultrasónicos HC-SR04
para medir la distancia en el contenedor y en el
plato. Los sensores mandarán la señal al chip
NodeMCU ESP8266. La Figura 7 muestra la
apariencia física que tiene el sensor HC-SR04
Figura 7. Sensor ultrasónico HC-SR04.
En la Figura 8 se muestra la topología de todo el
circuito eléctrico, de cómo se conectaron los
sensores HC-SR04 y el servomotor al NodeMCU
ESP8266 y la forma en la que se alimenta el
servomotor con el arduino uno.
Figura 8. Circuito electrónico del control.
Figura 6 . Acoplamiento de servomotor y distribuidor de alimento [32].
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2.3 Control y monitoreo del servidor
En la etapa de programación del protocolo de
comunicación en el NodeMCU ESP8266,
primero se utilizó el software MQTT explore
como monitor del servidor, donde se configura el
servidor test.mosquitto.org en el puerto 1883. El
software de monitoreo tiene diferentes funciones
como mandar mensajes al servidor, escoger el
nombre del tópico, configurar diferentes
servidores de pago, ver el historial de mensajes
enviados al servidor y tener la capacidad de
revisarlo desde cualquier parte del mundo
solamente usando una red wifi. En la Figura 9 se
muestra la interfaz del software de monitoreo.
Figura 9. Interfaz del software MQTT explorer.
Para la programación del ESP8266 se utilizó el
software de arduino. El programa inicia
incluyendo las librerías necesarias para realizar
la programación completa utilizando el lenguaje
de programación en C. También se definen las
variables que se utilizaron a lo largo del
programa para realizar las diferentes
operaciones.
4. Resultados
4.1 Aplicación móvil
La aplicación móvil fue realizada en la página
web http://ai2.appinventor.mit.edu, donde se
diseñó la interfaz de la aplicación web, la
programación y la conectividad con el servidor
utilizando el protocolo MQTT [33]. En la
interfaz de la aplicación primero presenta una
caja de texto donde el usuario escribe el nombre
del servidor y un botón que al ser presionado
comienza el proceso de conectividad de la
aplicación con el servidor y al mismo tiempo
cambia el texto del botón a “conectando”. Si el
usuario escribe de manera errónea el nombre del
servidor o el servidor no está activo, no se logrará
la conexión y lanzará una notificación indicando
que no se ha logrado establecer la conexión [34,
35]. En la Figura 10 se muestra la interfaz
fallando en el proceso de conexión.
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`
Figura 10. Interfaz de conexión de la aplicación indicando falla en la conexión.
Una vez conectado al servidor, cambia la interfaz
de la aplicación, como se muestra en la Figura 11.
Ahora la interfaz tiene un nuevo botón con el
texto de “Alimentar” que activa el motor para
servir la comida de la mascota en el plato.
Además, contiene el estatus del plato indicando
si se encuentra lleno o vacío. Si detecta que el
plato de la mascota está lleno, deshabilitará el
botón de alimentar para evitar servir dos veces la
porción de comida. La cantidad de alimento
correspondiente es a una porción para la mascota.
Figura 11. Interfaz principal de la aplicación.
Mas abajo cuenta con un texto que dice
“Contenedor” y una barra verde que marca el 100
por ciento. Esta barra mide el nivel de comida
que le queda en el contenedor. Señala cuanto
alimento queda por medio de porcentajes, cuando
esté lleno señalará 100 % y de ahí bajará a 75, 50,
25 y 0%. Cada uno con su respectiva barra como
se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Barras de porcentaje del contenedor.
El alimentador está condicionado, si detecta que
el plato aún está lleno, arrojará una notificación
que va a indicar que el plato aún tiene comida y
no servirá más. También, cuenta con la condición
de notificar que el contenedor de comida está
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vacío y no permite servir comida. Pero teniendo
el plato vacío y el contenedor mínimo con el 25
% de su capacidad servirá el alimento sin ningún
problema. En la Figura 13 se muestra ambos
casos de las condiciones y como se muestra la
notificación.
Figura 13. Aviso del estado del dispensador de comida.
Cuando el contenedor está lleno y el plato de la
mascota vacío, se mostrará una notificación
indicando que el alimento se está sirviendo como
se muestra en la Figura 14.
4.2 Resultados del alimentador
Se realizaron 5 pruebas donde se midió el tiempo
de respuesta del servomotor con un cronómetro
después de presionar el botón de alimentar en la
aplicación. Las primeras 5 pruebas se hicieron a
las 10 am tomando un máximo de tiempo de
respuesta para el motor de 5 segundos. Los
resultados se pueden apreciar en la Figura 15.
También se consideraron los tiempos de
respuesta de los sensores de ultrasonido
utilizados en el alimentador, para estas pruebas el
tiempo máximo fue de alrededor de 1 segundo,
como se puede apreciar en la Figura 16.
Figura 14. Indicación del llenado de plato de comida
para la mascota.
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Figura 15. Tiempo de respuesta del servomotor día 1.
Figura 16. Tiempo de respuesta de los sensores.
Se realizaron las mismas pruebas para medir el
tiempo de respuesta de los sensores y el
servomotor a las 10 am del siguiente día. Los
resultados del funcionamiento del motor y
sensores tomaron un máximo de tiempo de 2.5
segundos y un mínimo de 1 segundo como se
observa en las Figuras 17 y 18
Finalmente, en la Figura 19 puede apreciar el
dispositivo final en funcionamiento.
Figura 17. Tiempo de respuesta del servomotor.
Figura 18. Tiempo de respuesta de los sensores para la prueba de sujeto
1.
0123
Prueba 5
Prueba 4
Prueba 3
Prueba 2
Prueba 1
Tiempo en segundos
Tiempo de respuesta del motor
0 0.5 1 1.5 2
Prueba 5
Prueba 4
Prueba 3
Prueba 2
Prueba 1
Tiempo en segundo
Tiempo de respuesta de los sensores
0 1 2 3 4 5 6
Prueba 5
Prueba 4
Prueba 3
Prueba 2
Prueba 1
Tiempo en segundos
Tiempo de respuesta del motor
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Prueba 5
Prueba 4
Prueba 3
Prueba 2
Prueba 1
Tiempo en segundos
Tiempo de respuesta de los sensores
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Figura 19. Alimentador de mascotas.
5. Conclusiones
El propósito de esta investigación fue desarrollar
una app para dispositivos móviles para el control
y monitores de un alimentador de mascotas. El
dispositivo con la app apoyará a las personas que
sufren de manera temporal o permanente alguna
dificultad física, convirtiendo una tarea fácil para
estas personas. Con base en los resultados
obtenidos por medio del análisis de datos, se
puede concluir lo siguiente:
La app le da al usuario apoyo visual para conocer
el estatus del alimentador y da la oportunidad que
pueda servir la comida sin ningún problema
desde cualquier parte del mundo. El motor de 20
kg tiene el torque necesario para hacer girar el
distribuidor de alimento implementado por el
peso de la comida dentro del contenedor.
El usuario puede recibir y enviar datos desde
cualquier parte del mundo con la única condición
de que exista conexión de internet en el
dispositivo móvil, esto para permitir la
comunicación con el servidor. El tiempo de
respuesta del servomotor y sensores depende de
la calidad de conexión que tenga el usuario, así
como el tráfico de datos que presente en el
servidor.
6. Reconocimiento de autoria
Elva Lilia Reynoso Jardón y Manuel de Jesús
Nandayapa Alfaro: Conceptualización;
Recursos; Ideas; Metodología; Análisis formal;
Investigación; Recursos; Análisis de datos;
Borrador original. Quirino Estrada Barbosa:
Conceptualización; Ideas; Investigación;
Análisis de datos; Escritura: revisión y edición.
Raúl Ñeco Caberta: Borrador original; Revisión
y edición; Administración de proyecto. Meilynn
Jeyli Pineda Gugenbuhul, José Alfredo Ramírez
Monares: Conceptualización; Ideas;
Metodología; Análisis formal; Investigación;
Visualización; Escritura. José Francisco Arvizu
Astorga: Investigación, análisis formal, análisis
formal, borrador, validación.
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Derechos de Autor (c) 2023 Elva Lilia Reynoso Jardón, Manuel de Jesús Nandayapa Alfaro, Quirino Estrada Barbosa, Raúl
Ñeco Caberta, Meilynn Jeyli Pineda Gugenbuhul, José Alfredo Ramírez Monares, José Francisco Arvizu Astorga
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