Capítulo IV

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

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CAPITULO IV

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

En este capítulo se dará a conocer con más profundidad la utilización de

los procedimientos metodológicos y de las herramientas utilizadas, los

resultados obtenidos y cada fase individualmente hasta llegar al

cumplimiento de cada una de ellas y el objetivo de esta investigación.

1. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS

A continuación se presentan los resultados obtenidos por medio de las

herramientas y metodologías expuestas anteriormente, todas estas con el fin

de lograr una red inalámbrica para el servicio de datos utilizando la

tecnología LIFI para el sector eléctrico de Maracaibo. Se obtienen estas

conclusiones mediante el cumplimiento de las fases metodológicas

seleccionadas.

1.1. DESARROLLO DE CADA FASE DE LA INVESTIGACIÓN

Con el objetivo de dar respuesta a la problemática de esta investigación se

procede a analizar cada una de las fases metodológicas detallando cada

paso realizado en el proceso a obtener finalmente los resultados de la

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investigación.

FASE I. RECABAR INFORMACIÓN

Inicialmente, el objetivo uno (01) de la investigación cumple con analizar la

situación actual de la red de datos del sistema eléctrico de Maracaibo,

asimismo la fase uno (01) de la metodología corresponde a recabar

información sobre las áreas afectadas, en la cual se realizó una (01) visita

con su correspondiente entrevista a diez (10) empleados de subestaciones

del sector eléctrico para así diagnosticar el estado de las redes de datos y

presentar soluciones y alternativas objetivas mediante la nueva red a

diseñar.

Para ello se utilizó un (01) guión de entrevista no estructurada mediante el

cual se consultó a los empleados del sector eléctrico, representados por un

(01) gerente, cuatro (04) ingenieros especialistas, tres (03) técnicos y dos

(02) operadores. Dicha entrevista fue orientada a redes de comunicaciones y

tecnologías LIFI y WIFI. Inicialmente se recolectó información sobre la

conexión a internet que poseen en las instalaciones, proveedor y plan

contratado para ir diagnosticando posibles problemas; seguidamente se

consultó sobre las áreas más afectadas en cuanto a redes de

comunicaciones. Adicionalmente se buscó información sobre la problemática

de qué tipo de red necesitaría el sector eléctrico para un óptimo

funcionamiento, así como también se preguntó sobre la tecnología LIFI y

WIFI. Y; para finalizar se consultó sobre la construcción de un prototipo e

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implementación de esta nueva tecnología en el sector eléctrico de

Maracaibo.

Analizando las opiniones y criterios emitidos por los consultados mediante

este instrumento, considerando y evaluando las respuestas de la población

según el cargo desempeñado en el sector eléctrico tenemos que, el gerente

indica el proveedor de servicios de internet como la empresa nacional Cantv,

asegurando que el servicio es bueno pero puede mejorar, añadiendo que

poseen plan corporativo empresarial de 200 Mbps. Asimismo considera que

toda la empresa en general es afectada a nivel de conexión a internet,

haciendo hincapié en que las zonas más vulnerables son las foráneas. A su

criterio, el sector eléctrico necesita una red más estable, segura, rápida y

confiable.

De esta misma manera y, según sus conocimientos, la tecnología LIFI

implementa sistemas de comunicaciones inalámbrica más rápido que el WIFI

utilizando infrarrojos para la transmisión y recepción; asegura estar de

acuerdo con la capacitación sobre esta nueva tecnología y apoya la

construcción e implementación de ésta en áreas críticas del sector eléctrico

como lo es el despacho de potencia, para así aumentar la seguridad de la

información y disminuir la cantidad de cableado. Finalizando su entrevista

dejando en claro que tanto el LIFI como el WIFI son el futuro de las redes,

ambas contenedoras de ventajas y desventajas sólo válidas según el área

donde se desea implementar.

Por otra parte, en cuanto a los ingenieros especialistas, igualmente

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indicaron que el proveedor de servicios es Cantv, plan empresarial de 200

Mbps según el 75% de ellos, consideran que es un servicio en promedio

lento. De igual forma el 75% de los ingenieros asegura que todo el sector

eléctrico es afectado en cuanto a conexión a internet y que se necesita de

una red más rápida que agilice el rendimiento del sector. El 50% de los

ingenieros consultados aseguraron tener conocimientos sobre la tecnología

LIFI, indicando que es una conexión de internet por medio de la luz y a través

de sensores infrarrojos; mientras el 50% restante aclaró que no conoce la

tecnología en cuestión.

Todos estuvieron de acuerdo con la capacitación sobre LIFI y sólo quienes

tienen conocimiento de ésta nueva tecnología agregaron que de elaborarse

un prototipo lo integrarían para áreas de mayor seguridad y adicionalmente

plantearon una intranet corporativa, todo esto en pro de la seguridad de la

información. De igual manera el mismo 50% de los ingenieros, quienes

tienen conocimientos sobre el tema, calificó al LIFI como el futuro de las

redes, afianzando su respuesta a la seguridad y velocidad que ésta ofrece.

En cuanto a los técnicos consultados, se estableció que de igual forma el

proveedor de servicios de datos existente en el sector eléctrico es de parte

de la nacional Cantv, compuesto por un plan corporativo pero con un

deficiente servicio según el 66.6% de los consultados. El 33.3% indicó que

toda la empresa es afectada por la deficiente conexión a internet, otro 33.3%

asegura que el área más afectada es la administración de usuario y SCADA.

Mientras que el restante 33.3% afirma que el área más afectada en cuanto a

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conexión a internet es la gerencia de automatización, tecnología de la

información y telecomunicaciones (ATIT).

Igualmente, todos los técnicos consultados expresaron que el sector

eléctrico necesita una conexión más rápida y moderna. A este tenor, el

66.6% de los consultados indicaron desconocer de que trata la tecnología

LIFI, mientras que el otro 33.3% puntualizó que es una tecnología usada

para brindar una conexión a internet por medio de la luz. Sólo este 33.3%

afirmó el LIFI sería el futuro de las redes y que de construirse un prototipo

para el sector eléctrico, éste sería orientado a las áreas que necesiten una

mayor seguridad en cuanto a datos. El 66.6% señaló que estarían de

acuerdo con la capacitación sobre el LIFI como una nueva tecnología

inalámbrica.

Finalmente, según los operadores consultados durante esta entrevista se

conoció que el proveedor es Cantv, el plan es corporativo y que la conexión

es lenta y mala. Asimismo todos estuvieron de acuerdo en cuanto a que todo

el sector eléctrico es afectado en cuanto a la conexión a internet. El 50%

indicó conocer la tecnología LIFI y la definió como la conexión a internet por

medio de una luminaria, éste 50% especificó que el sector eléctrico necesita

una red más rápida, mientras que el otro 50% individualizó que se necesita

una red que no esté tan limitada por los proxys. Sólo el 50% expresó estar de

acuerdo con la capacitación sobre la tecnología LIFI, también enfatizó que la

implementación de esta tecnología en el sector eléctrico según su criterio se

realizaría para la recepción y envío de correos, video conferencias y gestión

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de negocios. De igual manera afirmó que el LIFI es la red del futuro ya que

es una red más segura.

Consecuentemente, el sector eléctrico de Maracaibo necesita una red más

segura, confiable y estable, que sea rápida y fácil de implementar

contribuyendo al ahorro energético ya que la tecnología LIFI puede ser usada

con las mismas bombillas led que se utilizan para iluminar una habitación y

aporta una reducción considerable de cableado.

FASE II. DEFINIR LOS REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA

Para dar cumplimiento al objetivo numero dos (02) de la investigación, el

cual responde a determinar los requerimientos técnicos para la red LIFI del

sector eléctrico de Maracaibo, que a su vez corresponde a la fase dos (02)

de la metodología titulada definir los requerimientos del sistema, en esta

etapa comenzó la formación global del sistema, para ello se revisaron

manuales de proveedores, datasheets, se consultó bibliografía especializada

para definir y clasificar los requerimientos. Adicionalmente se verificó en las

entrevistas a profesionales y profesores que la transmisión de datos se

realiza mediantes leds y sensores que captan un cambio en la frecuencia de

estas luces.

De todo lo anterior expuesto, surgen las siguientes especificaciones y

componentes como posibles alternativas a utilizar en el desarrollo del

prototipo final.

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Arduino Nano ATmega168

Como se afirmó en las bases teóricas expuestas al respecto, es una

plataforma computacional física open-source basada en una simple tarjeta de

I/O y un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje Processing/Wiring.

Por otra parte, el Arduino Nano (ver figura 7) es, una pequeña, pero

poderosa tarjeta basada en el ATmega168 (ver figura 8). Posee las mismas

funcionalidades que un Arduino UNO, solo que en un tamaño reducido. Para

programarla solo se necesita de un cable Mini USB-B, y a su vez a través de

dicha conexión le es suministrada una fuente de alimentación externa no

regulada (pin 30) o 5V de fuente de alimentación externa regulada (pin 27 El

Arduino Nano se puede alimentar).

Dándole continuidad al punto anterior, El ATmega168 tiene 16 KB,

utilizados para el cargador de arranque. El ATmega168 tiene 1 KB de SRAM

y 512 B de EEPROM. Cada uno de los 14 pines digitales en el Nano se

puede usar como entrada o salida, usando las funciones pinMode (),

digitalWrite () y digitalRead (). Funcionan a 5 voltios. Cada pin puede

proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una resistencia de pull-up

interna (desconectada por defecto) de 20-50 kOhms. Además, algunos pines

tienen funciones especializadas:

Serie: 0 (RX) y 1 (TX). Se utiliza para recibir (RX) y transmitir (TX) datos

serie TTL. Estos pines se conectan a los pines correspondientes del chip

serial FTDI USB a TTL.

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LED: 13. Hay un LED incorporado conectado al pin digital 13. Cuando el

pin tiene un valor ALTO, el LED está encendido, cuando el pin está BAJO,

está apagado.

El Nano tiene 8 entradas analógicas, cada una de las cuales proporciona

10 bits de resolución (es decir, 1024 valores diferentes). Por defecto, miden

desde el suelo hasta 5 voltios, aunque es posible cambiar el extremo

superior de su rango utilizando la función de referencia analógica (). Los

pines analógicos 6 y 7 no pueden usarse como pines digitales. Además,

algunos pines tienen funcionalidad especializada:

Reiniciar. Lleve esta línea BAJA para reiniciar el

microcontrolador. Normalmente se usa para agregar un botón de reinicio a

los escudos que bloquean el que está en el tablero.

Cuadro 5

Especificaciones de Arduino Nano ATmega168

Fuente: www.arduino.cc (2019)

Microcontrolador ATmega168

Arquitectura AVR

Tensión de funcionamiento 5 V

Memoria flash 16 KB de los cuales 2 KB utilizados

por el gestor de arranque

SRAM 1 KB

Velocidad de reloj 16 MHz

Analog IN Pins 8

EEPROM 512 B

Voltaje de entrada 7-12 V

Pernos digitales de E / S 22 (6 de los cuales son PWM)

El consumo de energía 19 mA

Tamaño de PCB 18 x 45 mm

Peso 7 g

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Figura 7. Arduino Nano Fuente: www.arduino.cc (2019)

Figura 8. Microchip ATmega168 Fuente: www.microchip.com (2019)

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Figura 9. Cable USB a Mini USB 5P. Fuente: www.tecnopura.com (2019)

Led infrarrojo de 5mm T-1 3/4

Según lo expuesto por el fabricante Everlight, www.everlight.com (2019),

es un diodo de alta intensidad, moldeado en un paquete de plástico

transparente. Este tipo de led infrarrojo produce luz en el espectro infrarrojo,

la luz en este rango no es visible para el ojo humano, pero puede ser

detectada por una variedad de dispositivos, haciéndolo ideal para objetos

como controles remotos, donde no se necesita la luz visible para funcionar.

Características:

Alta fiabilidad.

Alta intensidad radiante.

Longitud de onda de sensibilidad máxima de 940nm.

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Separación de plomo de sp 2.54mm.

Voltaje baja tensión hacia adelante.

Figura 10. Led infrarrojo de 5mm T-1 3/4 Fuente: www.everlight.com (2019)

Tubos de LED LIFI

Tubo T8 LED LIFI, con extremo giratorio, enfocado a todo tipo de usos

generales. Con un alto rendimiento eficiente superior a 100 lm/W:

Características:

Potencia: 10-32W

Tamaño 60-150 cm

Temperatura (color): 3000-6000k

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Figura 11. Tubo LED LIFI Fuente: www.everlight.com (2019)

Luces LED LIFI empotrables:

Resistente a vibraciones gracias a su refuerzo con cerámico, ideal para

iluminación general, económica energética +80%.

Características:

Potencia EL: 3 - 30W

Dimensiones: 93 - 250mm

Angulo de iluminación: 25°/45°/60°

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Figura 12. Luces LED LIFI empotrables

Fuente: www.everlight.com (2019)

Driver LBS

Driver compatible con todo tipo de transformadores de corriente continua

externa.

Características:

Potencia: 150W Max.

Voltaje entrada: 12 – 95v.

Corriente: 0 – 5 Amp.

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Figura 13. Driver LBS Fuente: América LIFI (2019)

Driver LBS de alta tensión

Driver compatible con todo tipo de transformadores de corriente continúa

externa.

Características:

Potencia: 120W Max.

Voltaje entrada: 24-220V.

Corriente: 0-2 A.

Figura 14. Driver LBS de alta tensión Fuente: América LIFI (2019)

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Driver LBS para tubos T8

Driver compatible con todo tipo de tubos T8.

Características:

Potencia: 100W Max.

Voltaje de entrada: 12 – 95V.

Corriente: 0 – 4A.

Figura 15. Driver LBS para tubos T8 Fuente: América LIFI (2019)

Fotodiodo PIN de silicona de 5mm T-1 3/4

Según lo expuesto por el fabricante Everlight, www.everlight.com (2019),

es un PIN de alta velocidad y de alta sensibilidad, moldeado en un envase

estándar de plástico, debido a su negro epoxi el dispositivo es sensible a la

radiación infrarroja. Es un semiconductor construido con una unión PN,

sensible a la incidencia de la luz infrarroja, para que su funcionamiento sea

correcto se polariza inversamente.

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Características:

Tiempo de respuesta rápida.

Alta sensibilidad fotográfica

Capacidad de unión pequeña

Figura 16. Fotodiodo PIN de silicona T-1 3/4 Fuente: www.everlight.com (2019)

Por lo consiguiente, en este proyecto se formalizó su uso como parte

fundamental en la etapa receptora, cuya función es percibir las variaciones

de luz originadas por el diodo led emisor. Su utilización se basó en detalles

técnicos, los cuales aportan una mayor fiabilidad, esto se traduce a una

respuesta más rápida al momento de detectar las variaciones antes

señaladas.

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Amplificador Operacional LM358

Consiste en dos circuitos independientes que se encuentran dentro del

encapsulado que compensan la frecuencia del amplificador operacional y

cada uno opera como suplemento de poder que operan a diferentes rangos

de voltaje, el drenaje es posible también bajo las operaciones de fuerza

independientemente de la magnitud del suministro de voltaje, su diagrama es

de fácil implementación. Según lo expone su fabricante, Digikey,

www.digikey.com.mx (2018).

Cuadro 6 Características del Amplificador Operacional LM358

Fuente: www.digikey.com.mx (2018)

Características Clasificaciones máximas absolutas

Acoplador de impedancia y

Ganancia de frecuencia. Entrada Voltaje 03V a 32V.

Pasee una ganancia de 100dB. Entrada Voltaje 03V a 32V.

Gran ancho de banda. Rango de temperatura de operación: 0

a +70.

Entre rango de voltaje de modo

común incluye tierra.

Rango de almacenamiento de

temperatura: -50 a +150.

Características eléctricas

Oscilación de voltaje de salida

grande: 0V DC a vcc control -

1.5V.

Ganancia de Voltaje: Mínimo 25,

Típico 100 V/mV.

El poder desagua adecuado

para operación de batería.

Oscilación de voltaje de salida (RL

10KΩ) Mínima 27 Típico 28V.

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Figura 17. Amplificador Operacional Dual LM358

Fuente: www.digikey.com.mx (2018)

La característica principal de utilización de este dispositivo en esta

investigación es que cumple como comparador de corriente en la parte del

receptor, comparando la corriente dirigida desde el transistor para interpretar

la respuesta lógica del sistema.

Transistor BC547

Es un transistor de baja potencia y baja frecuencia puede ser utilizado en

dosconfiguraciones básicas, la primera como un switch electrónico y la

segunda como un amplificadorde señal. En su composición posee una placa

de semiconductor con tres regiones consecutivas de diferente conductibilidad

eléctrica los cuales forman dos uniones n-p-n, las dos regiones extremas

tienen un mismo tipo de conductibilidad, la intermedia, conductibilidad de otro

tipo, estas son llamadas emisor, colector y base.

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La intensidad que entra por la base (B) del transistor es la responsable de

controlar su funcionamiento, ya sea como interruptor o amplificador. Como

interruptor aplicar una corriente aceptablemente alta en la base haría que se

comportara como un interruptor cerrado, a su vez, si no se aplica corriente a

la base o esta es demasiado baja se comportaría como un interruptor abierto.

Características:

Polaridad (N-P-N)

Corriente máxima de colector (Ic) 0.6 Ampere

De colector a base (CBO) 75 Voltios

De colector a emisor (CEO) 40 Voltios

De emisor a base (EBO) 6 Voltios

Ganancia típica de la corriente directa (hfe) 200 Min

Máxima disipación de potencia en colector (Pd) 0.625 (Watts)

Frecuencia en (MHz) 300 Min

Figura 18. Transistor BC547 Fuente: www.ecured.cu (2019)

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La característica principal de utilización de este dispositivo es su rápida

respuesta eléctrica como interruptor, amplificando a su vez corriente que

entra por la terminal base (B), provocando una conductividad más fluida y

una respuesta visualmente inmediata en el sistema.

FASE III. DISEÑAR EL SISTEMA

Seguidamente, el objetivo tres (03) de la investigación orientado a diseñar

una red de datos utilizando la tecnología LIFI, basada en los requerimientos

técnicos determinados para el sector eléctrico de Maracaibo, acorde a la fase

tres (03) de la metodología, la cual cumplirá con diseñar el sistema

plasmando un diseño físico de la red con la elaboración de diagramas para

lograr un diseño acorde con lo que el sistema requiere, a continuación se

presenta un diagrama de bloques básico a manera de expresar visualmente

lo que será el sistema completo de transmisión y recepción.

Figura 19. Diagrama de bloques del sistema Fuente: Bracho, Mavares, Ortega. (2019)

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En esta fase del proyecto de investigación se utilizaron herramientas de

diseño de circuitos, previa investigación de los requerimientos del sector

eléctrico, la cual estará sobre el plano parcial de planta alta de la institución

eléctrica, sirviendo como ejemplo y modelo para otras sedes y empresas del

sector eléctrico de Maracaibo, a fin de lograr los objetivos planteados

anteriormente.

Se observa en el Plano Planta Alta, la estructura esencial sobre la cual se

plantea implementar este diseño, dicha estructura fue escogida por

representar las características comunes y de interés del sector eléctrico,

dando la oportunidad de una experiencia más realista a la hora de

implementar un diseño de red de datos utilizando la tecnología LIFI.

Seguidamente, en cuanto a la instalación física de la red, es muy

semejante a cualquier otra, iniciando por un modem de cualquier marca con

salida UTP que se encuentran a menudo en las instalaciones del sector

eléctrico, seguidamente de un router, este elemento es opcional, esto para

dejar la posibilidad de instalar otra red sea LIFI o no, finalmente va a un

Driver LBS de baja tensión cuya función será semejante a un Switch,

enviando la señal hasta llegar a los distintos dispositivos LED´s, los equipos

mencionados anteriormente poseen los componentes necesarios para

transmitir y recibir la señal en forma de luz.

Como acotación final, se elaboró entonces un plan de diseño de dos

partes, transmisión y recepción de datos, las cuales trabajan de manera

incorporada a los Arduino, cuyo micro controlador programado permite la

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comunicación unidireccional entre cada parte del circuito, quienes cumplen

una función estrictamente específica, emisión y recepción.

La parte emisora emitirá señales ópticas mediante un led de alta

luminosidad, mientras que la parte receptora captará cambios de frecuencia

en el encendido y apagado del led emisor mediante un fotodiodo. Todo el

sistema funciona mediante controladores y comparadores que controlan la

alta velocidad de respuesta del sistema, comparando a su vez voltajes y

convirtiendo datos a información binaria y luego recuperar la señal original,

devolviendo todo el proceso óptico - eléctrico y poder leer el mensaje.

Figura 20. Plano Planta Alta Fuente: Bracho, Mavares, Ortega. (2019)

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Figura 21. Distribución física de la red

Fuente: Bracho, Mavares, Ortega. (2019)

1.2. PRESENTACIÓN DE LA PROPUESTA

FASE IV. CONSTRUIR UN PROTOTIPO

El objetivo cuatro (04) de la investigación concuerda con la fase cuatro

(04) de la metodología seleccionada, la cual responde a construir un

prototipo de la red de datos utilizando la tecnología LIFI para el sector

eléctrico de Maracaibo, integrando los diferentes dispositivos y componentes

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seleccionados en el diseño previo, los cuales formarán de manera global el

sistema.

Inicialmente, el sistema está constituido por dos (02) Arduino nano cuya

función es controlar mediante un código de programación previamente

elaborado, la comunicación entre los dos micro controladores. La cual se

efectuará visualmente mediante dos laptop en las cuales se emitirá y se

recibirá el mensaje, cada una conectada al respectivo Arduino de la parte

emisora o receptora. La única comunicación entre los dos Arduino es

mediante la transmisión de señales utilizando los diodos led y fotodiodo. El

código utilizado para la programación de las placas Arduino es el siguiente:

Figura 22. Código del Emisor

Fuente: Bracho, Mavares, Ortega (2019)

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Figura 23. Código del Receptor

Fuente: Bracho, Mavares, Ortega (2019)

Seguidamente, el sistema está basado en dos partes las cuales cumplirán

por separado una función específica, emitir y recibir información; la parte

emisora cuenta con el Arduino transmisor (TX), conectado a un circuito

controlador que permitirá el flujo de corriente de manera más rápida

mediante un transistor NPN BC 547 hacía el diodo led emisor, para que a su

vez pueda realizar los cambios de estado (encendido y apagado) de manera

más rápida lo que se traduce a una comunicación más efectiva y sin demora.

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Figura 24. Circuito emisor (TX)

Fuente: Bracho, Mavares, Ortega (2019)

En la parte receptora, el Arduino receptor (RX) está conectado mediante

un circuito comparador utilizando un Amplificador operacional dual LM358 y

un transistor NPN BC547 al fotodiodo, mediante el transistor drenar el flujo

de corriente hacia el dual OP-AMP, el cual compara que el voltaje recibido

sea el mismo voltaje de trabajo y envía al Arduino RX para interpretar de

nuevo la señal y leer el mensaje recibido.

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Figura 25. Circuito receptor (RX)

Fuente: Bracho, Mavares, Ortega (2019)

FASE V. FINALIZACIÓN DEL DISEÑO

Para cumplir con el objetivo cinto (05) de la investigación proyectado a

realizar las pruebas necesarias de funcionamiento al diseño de la red de

datos utilizando la tecnología LIFI para el sector eléctrico de Maracaibo, en

conjunto con la fase (05) de la metodología que se enfoca en finalizar el

diseño para la posterior evaluación de profesionales mediante el prototipo

finalizado.

En esta fase final se realizaron pruebas a todo el sistema desde pruebas

globales de funcionamiento hasta pruebas individuales de componentes para

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verificar el correcto funcionamiento de cada uno. Se realizaron pruebas

conjuntas del circuito emisor y el receptor, el funcionamiento de los Arduino

para la comunicación e individualmente que el led emisor estuviese

emitiendo la señal correspondiente y el fotodiodo captando esas variaciones

de luz; y por último se verificó el código de programación estuviese escrito de

manera correcta.

Posteriormente se procedió a consultar a profesores y expertos en el área

de comunicaciones inalámbricas quienes verificaron el funcionamiento del

sistema, además se pudo comprobar el principio básico de seguridad de la

tecnología LIFI el cual responde a no recibir dato alguno en el receptor si es

interferido el campo visual del emisor; emitiendo un mensaje en la pantalla

del emisor indicando que no hay comunicación con el receptor en caso de

obstrucción de la línea visual.

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Figura 26. Prototipo ensamblado

Fuente: Bracho, Mavares, Ortega (2019)