LabPiPanel - Sistema de Control de Laboratorio Térmico

Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM)
Medellín, Colombia
Facultad de Ingeniería

Descripción

LabPiPanel es un sistema integrado de control de laboratorio para investigación térmica basado en Raspberry Pi 4. El proyecto está diseñado para evaluar nanofluidos en termosifones de dos fases y caracterizar propiedades térmicas de nuevos fluidos de trabajo.

Este sistema replica experimentos de investigación térmica, permitiendo control automatizado de instrumentación, adquisición de datos en tiempo real y análisis de propiedades térmicas de materiales avanzados.

Características Principales

Control de Instrumentación

• Fuente de Alimentación BK Precision XLN30052

  • Control de voltaje (0-300V) y corriente (0-5.2A)
  • Protecciones OVP/OCP/OPP
  • Comunicación por Telnet (puerto 5024)
  • Verificación de readback automática

• DAQ Measurement Computing USB-5203

  • 8 canales de termopares tipo K
  • ADC de 24-bit con CJC integrado
  • Validación de rango automática
  • Detección de termopares desconectados

• Módulo de Relés Waveshare (4 canales)

  • Control de bomba de fluido
  • 3 canales de respaldo
  • Lógica activa en BAJO (GPIO.LOW)

Experimentos Automatizados

• Secuencias de niveles de potencia configurables
• Adquisición de datos con frecuencia ajustable
• Cálculo automático de resistencia térmica
• Exportación de datos a CSV con timestamp
• Manejo robusto de errores y protecciones

Interfaz Web

• Diseño con identidad corporativa ITM
• Control en tiempo real de todos los instrumentos
• Visualización de temperaturas y mediciones
• Panel de experimentos automatizados
• Responsive design (desktop, tablet, móvil)

Requisitos del Sistema

Hardware

• Raspberry Pi 4 (2GB RAM mínimo)
• Sistema operativo: Raspberry Pi OS (Bullseye/Bookworm)
• Conexión Ethernet configurada con IP fija
• Fuente BK Precision XLN30052 conectada por red
• DAQ Measurement Computing USB-5203 conectado por USB
• Módulo RPi Relay Board Waveshare
• 8 termopares tipo K

Software

• Python 3.9 o superior
• Drivers MCC Linux (Warren Jasper)
• Flask 3.0.0
• RPi.GPIO 0.7.1
• python-dotenv 1.0.0

Instalación

1. Clonar el Repositorio

```bash cd ~ git clone <URL_DEL_REPOSITORIO> cd LabPiPanel ```

2. Crear Entorno Virtual

```bash python3 -m venv venv source venv/bin/activate ```

3. Instalar Dependencias

```bash pip install -r requirements.txt ```

4. Instalar Drivers MCC Linux

```bash

Seguir instrucciones del fabricante Measurement Computing

para instalar drivers USB-5203

```

5. Configurar Variables de Entorno

```bash cp .env.example .env nano .env ```

Editar el archivo .env con la configuración de su laboratorio:

``` FLASK_HOST=0.0.0.0 FLASK_PORT=5000 FLASK_DEBUG=False XLN_HOST=192.168.1.100 XLN_PORT=5024 ```

6. Configurar Pines GPIO

Verificar en config.py que los pines GPIO coincidan con su configuración:

```python RELAY_PINS = { "RELAY_1": 26, # Bomba de fluido "RELAY_2": 20, "RELAY_3": 21, "RELAY_4": 16 } ```

7. Crear Directorios de Logs y Resultados

Los directorios se crean automáticamente, pero puede verificar:

```bash mkdir -p logs results ```

Uso

Iniciar el Sistema

```bash source venv/bin/activate python labpipanel.py ```

El servidor Flask se iniciará en http://<IP_RASPBERRY>:5000

Acceder a la Interfaz Web

Abra un navegador y navegue a:

``` http://<IP_RASPBERRY>:5000 ```

Ejecutar un Experimento

1. Configure los parámetros del experimento en el panel correspondiente:

   • Niveles de potencia (W): 1.0, 2.0, 3.0
   • Duración por nivel (segundos): 600
   • Frecuencia de muestreo (segundos): 60
   • Resistencia de carga (Ω): 10

2. Active la opción "Activar bomba de fluido" si es necesario

3. Haga clic en "Iniciar Experimento"

4. Los resultados se guardarán automáticamente en results/thermal_experiment_YYYYMMDD_HHMMSS.csv

API REST

El sistema expone una API REST completa. Ver API.md para documentación detallada.

Estructura del Proyecto

``` LabPiPanel/ ├── labpipanel.py # Servidor Flask principal ├── fuente_xln.py # Control de fuente XLN30052 ├── daq_usb5203.py # Lectura de DAQ USB-5203 ├── relay_controller.py # Control de relés GPIO ├── thermal_experiment.py # Experimentos automatizados ├── config.py # Configuración centralizada ├── requirements.txt # Dependencias Python ├── .env.example # Plantilla de variables de entorno ├── README.md # Este archivo ├── API.md # Documentación de API ├── HARDWARE.md # Especificaciones de hardware ├── GUIA_ITM.md # Contexto institucional ├── templates/ │ └── index.html # Interfaz web con identidad ITM ├── static/ │ ├── css/ │ │ └── style.css # Estilos corporativos ITM │ └── img/ │ └── itm_logo.png # Logo institucional ├── logs/ # Archivos de log rotantes └── results/ # Resultados de experimentos (CSV) ```

Seguridad

Validación de Entradas

• Voltaje: 0-300V con confirmación para valores >50V
• Corriente: 0-5.2A
• Temperaturas: -270 a 2000°C (sanity check)

Protecciones de Hardware

• OVP (Over Voltage Protection): 310V
• OCP (Over Current Protection): 5.5A
• OPP (Over Power Protection): 1600W

Manejo de Errores

• Timeout en comunicaciones
• Detección de termopares desconectados
• Recuperación automática con reintentos
• Logging estructurado de todas las operaciones

Solución de Problemas

Error: "No se puede conectar con la fuente"

• Verificar que la fuente XLN30052 esté encendida
• Verificar conectividad de red: ping <IP_FUENTE>
• Verificar puerto Telnet: debe ser 5024 (NO 23)
• Revisar logs en logs/app.log

Error: "No se pueden leer temperaturas"

• Verificar que el DAQ USB-5203 esté conectado: lsusb
• Verificar que los drivers MCC estén instalados
• Ejecutar test-usb5203 -ch 0 -type K manualmente
• Verificar que los termopares estén correctamente conectados

Error: "Relés no responden"

• Verificar que los pines GPIO estén correctamente configurados en config.py
• Verificar que RPi.GPIO esté instalado: pip show RPi.GPIO
• Los relés son activos en BAJO (GPIO.LOW = ON, GPIO.HIGH = OFF)

Experimento no inicia

• Verificar que no haya otro experimento en ejecución
• Verificar que todos los instrumentos estén conectados
• Revisar parámetros de configuración (potencia, duración, resistencia)
• Consultar logs detallados en logs/app.log

Mantenimiento

Logs

Los logs rotan automáticamente:

• Archivo: logs/app.log
• Tamaño máximo: 10 MB
• Backups: 5 archivos

Resultados

Los archivos CSV se guardan en results/:

• Formato: thermal_experiment_YYYYMMDD_HHMMSS.csv
• Incluyen: timestamp, voltaje, corriente, temperaturas, resistencia térmica

Calibración

Realizar calibración periódica de:

• Termopares tipo K (verificar con baño térmico)
• Fuente de alimentación (verificar con multímetro de referencia)
• Resistencia de carga (medir con óhmetro)

Identidad Visual ITM

Este proyecto utiliza la paleta de colores corporativa del Instituto Tecnológico Metropolitano:

• Azul Navy ITM: #17335C (encabezados, menús principales)
• Azul ITM: #2B598D (fondos secundarios, links, bordes)
• Verde Éxito: #27AE60 (estados OK, confirmaciones)
• Rojo Alerta: #E74C3C (errores, alertas)
• Amarillo Advertencia: #F39C12 (advertencias)

Licencia

Este proyecto es desarrollado con fines educativos e investigativos en el Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM), Medellín, Colombia.

Soporte

Para soporte técnico, consultar:

• Documentación técnica en HARDWARE.md
• Documentación de API en API.md
• Logs del sistema en logs/app.log

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