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Bioingeniería

•

SIN SIGLA

Jose Daniel Maya Cedeño

15/4/2024

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Bioingeniería

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|La Industria 4.0 integrada a un equipo de esterilización de la marca
JP Bioingeniería SAS

Autor
Juan Felipe Garzón Adame
Juan Pablo Sanabria Velandia

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
Facultad Tecnológica
Ingeniería en Control

Bogotá D.C. Octubre, 2021

La Industria 4.0 integrada a un equipo de esterilización de la marca
JP Bioingeniería SAS

Autor
Juan Felipe Garzón Adame Cod: 20182383022
jfgarzona@correo.udistrital.edu.co
Juan Pablo Sanabria Velandia Cod: 20122383002
jupsanabriav@correo.udistrital.edu.co

Modalidad
Monografía

Presentado para optar al título de: Ingeniero(a) en Control y Automatización

Director
Eduardo Alberto Delgadillo Gómez

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Facultad Tecnológica
Ingeniería en Control y Automatización
Bogotá D.C. Octubre, 2021

Dedicatoria
El presente trabajo de grado se encuentra de dedicado a nuestros padres y familiares más
cercamos, ya que han sido ellos quienes nos han brindado su apoyo a lo largo de nuestras vidas
y a lo largo de este proceso de formación académica, también son quienes nos han formado
como personas con una ética y moral intachable.
Adicionalmente agradecer a nuestros amigos más cercanos, con quienes hemos compartido y
vivido innumerables triunfos y fracasos y quienes han sido parte de este proceso de crecimiento
ético y profesional.
No menos importante, agradecer a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a todo su
equipo de colaboradores, entre ellos a nuestro director Eduardo Alberto Delgadillo Gómez quien
nos ha brindado de sus conocimientos no solo como director sino también en diferentes
momentos de este proceso académico.
Por último y no menos importante agradecemos a la compañía JPBioingeniera SAS por su apoyo
y colaboración en el desarrollo del presente proyecto y a su equipo de trabajo, en especial a su
presente director técnico Juan David Piñeros Espinoza

Juan Felipe Garzón Adame
Juan Pablo Sanabria Velandia

Índice

Dedicatoria....................................................................................................................................... 5
Índice de Figuras ............................................................................................................................. 9
Índice de Tablas ............................................................................................................................. 12
Índice de Anexos ........................................................................................................................... 13
Glosario ......................................................................................................................................... 14
Lista de Abreviaturas y Siglas ....................................................................................................... 17
Capítulo I ....................................................................................................................................... 19
1.1. Introducción ........................................................................................................................ 19
1.2. Planteamiento del problema ............................................................................................... 20
1.3. Justificación ........................................................................................................................ 21
1.4. Objetivos ............................................................................................................................. 22
1.4.1. Objetivo General ......................................................................................................... 22
1.4.2. Objetivos específicos................................................................................................... 22
Capítulo II. Marco Referencial ...................................................................................................... 23
2.1. Estado del arte ................................................................................................................. 23
2.1.1. Sistema de monitoreo remoto del ciclo de autoclave a vapor ................................. 23
2.1.2. Automatización del sistema de control y monitoreo de una autoclave para el
proceso de vulcanización del caucho en calzado de lona. ..................................................... 24
2.1.3. Digital twin enhanced fault prediction for the autoclave with insufficient data ..... 25
2.1.4. Desarrollo de un sistema para el control y monitoreo de una autoclave utilizando el
software de ingeniería labview para la empresa multiservicios coestra ................................ 26
2.1.5. Informe técnico acerca de las mejoras al diseño del sistema de evaluación en
corrosividad autoclave dinámica con sistema de monitoreo de variables en línea. .............. 27
2.1.6. Big data and stream processing platforms for Industry 4.0 requirements mapping
for a predictive maintenance use case ................................................................................... 27
2.1.7. Análisis de sonido de una autoclave ........................................................................ 28
2.1.8. Fabricante de equipos Tuttnauer ............................................................................. 28
2.1.9. Fabricante de equipos Matachana............................................................................ 29
2.1.10. Autoclaves Teinco ............................................................................................... 30
2.2. Marco Teórico ................................................................................................................. 31
2.2.1. Autoclaves ............................................................................................................... 32
2.2.2. Lenguaje de consultas estructuradas SQL ............................................................... 33
2.2.3. Comunicación Serial. .............................................................................................. 33
2.2.4. JavaScript ................................................................................................................ 34
2.2.5. HTML ...................................................................................................................... 35
2.2.6. Bases de Datos. ........................................................................................................ 36
2.2.7. Formato JSON (JavaScript Object Notation). ......................................................... 37
2.2.8. Placa NODEMCU ESP8266. .................................................................................. 38
2.2.9. Microcontroladores. ................................................................................................. 39

2.2.10. Microsoft Azure ................................................................................................... 40
2.2.11. Visual Studio Code .............................................................................................. 40
2.2.12. ASP NET ............................................................................................................. 41
2.2.13. Nextion editor ...................................................................................................... 41
2.2.14. MQTT .................................................................................................................. 42
2.2.15. Power BI .............................................................................................................. 43
2.2.16. Machine Learning ................................................................................................44
2.3. Marco Legal .................................................................................................................... 44
2.3.1. Norma ISO 9001 ...................................................................................................... 44
2.3.3. Norma IEEE 315 ..................................................................................................... 45
2.3.4. FDA 21 CFR Parte 11 Registros electrónicos y formas electrónicas ...................... 45
2.3.5. INVIMA y certificación de las normas ISO 9001-2008 al igual que la norma NTC
13485 45
Capítulo III. Metodología .............................................................................................................. 45
3.1. Metodología de desarrollo evolutivo .............................................................................. 45
3.2. Diagrama de bloques de la solución ............................................................................... 49
3.3. Metodología OOSEM ..................................................................................................... 50
3.3.1. Organización del Modelo ........................................................................................ 51
3.3.2. Requisitos ................................................................................................................ 51
3.3.3. Estructura de la Autoclave ....................................................................................... 53
Capítulo IV. Desarrollo ................................................................................................................. 59
4.1. Diseño y Ensamble Mecánico del Dispositivo ............................................................... 59
4.2. Diseño de la Tubería Hidráulica del Dispositivo ............................................................ 61
4.3. Diseño del Circuito Electrónico ...................................................................................... 62
4.4. Diseño Eléctrico del Dispositivo .................................................................................... 67
4.5. Identificación de variables necesarias para el monitoreo ............................................... 69
4.6. Creación del Bus de Datos I2C ....................................................................................... 70
4.7. Recepción del protocolo I2C y Serial ............................................................................. 72
4.8. Software ESP8266 y Comunicación con Microsoft Azure............................................. 74
4.8.1. Wi-fi Manager ......................................................................................................... 74
4.8.2. Recepción de los datos ............................................................................................ 77
4.8.3. Comunicación ESP8266 con Microsoft Azure ........................................................ 77
4.8.4. Envió de datos a Microsoft Azure ........................................................................... 78
4.9. Diseño de interfaz gráfica ............................................................................................... 78
4.10. Creación del dispositivo IOT en Azure ....................................................................... 82
4.11. Azure Stream Analytics .............................................................................................. 85
4.12. Creación del Servidor .................................................................................................. 87
4.13. Creación de Base de Datos SQL ................................................................................. 88
4.14. Aplicativo web ............................................................................................................ 91
4.16. Integración Machine Learning .................................................................................. 103
Capítulo V. Resultados ................................................................................................................ 107

5. Resultado Final ................................................................................................................. 107
5.1.1. Obtención de los datos ........................................................................................... 110
5.1.2. Acondicionamiento y agrupación de datos en base de datos ................................. 112
5.1.3. Modelo ................................................................................................................... 113
5.1.4. Validación .............................................................................................................. 114
5.1.5. Aplicativo web ....................................................................................................... 115
Capítulo VI. Conclusiones ........................................................................................................... 116
6. Conclusiones y Recomendaciones ...................................................................................... 117
Capítulo VII. Referencias ............................................................................................................ 119
7. Bibliografía .......................................................................................................................... 119
Capítulo VIII. Anexos ................................................................................................................. 124
8. Anexos ................................................................................................................................. 124

Índice de Figuras
Figura 1. Diagrama de Proyecto. (Pereira, 2020) .......................................................................... 24
Figura 2. Monitoreo Autoclaves. (Sanchez, 2008) ........................................................................ 25
Figura 3. Procedure of DT enhanced fault prediction modeling for autoclave. (Yucheng Wang,
2021) .............................................................................................................................................. 26
Figura 4. Visualización en labview. (Allaica, 2018) ..................................................................... 27
Figura 5. Sotware Libre. (Radhya Sahal, 2020) ............................................................................ 28
Figura 6. Autoclave Tuttnauer. (Tuttnauer, 2021)......................................................................... 29
Figura 7. Autoclave Matachana. (Matachana, 2021)..................................................................... 30
Figura 8. Autoclave Teinco. (Steribru. Teinco SL, 2021) ............................................................. 31
Figura 9: Esquema Básico de una Autoclave (Ros, 2018) ........................................................... 32
Figura 10: Esquema de Operación de una Autoclave (Ros, 2018) ............................................... 33
Figura 11. Comunicación serial. (serial, 2011) ............................................................................. 34
Figura 12. Estructura HTML. (Alba, 2011)................................................................................... 35
Figura 13. Sistema de bases de datos (DÍAZ, 2021). .................................................................... 36
Figura 14. Objeto de negocio con propiedades y valores (IBM, 2018)......................................... 37
Figura 15. Objeto en formato JSON (IBM, 2018). ........................................................................ 38
Figura 16. Arquitectura de un microcontrolador (Electronica, 2021). .......................................... 40
Figura 17. IDE Visual Studio Code. (Microsoft, 2021) ................................................................41
Figura 18. Interfaz Nextion. (ITEAD, 2021) ................................................................................. 42
Figura 19. Método de envió de datos ESP8266. (LLamas, 2021) ................................................. 43
Figura 20. Interfaz de PowerBi. (PowerBi.Microsoft, 2021) ........................................................ 44
Figura 21. Ciclo de desarrollo. Autoría Propia .............................................................................. 46
Figura 22. Diagrama de Bloques de la Solución. Autoría Propia ................................................. 49
Figura 23. Estructura de paquetes. Autoría Propia ........................................................................ 51
Figura 24. Requisitos. Autoría Propia ........................................................................................... 52
Figura 25. Especificaciones. Autoría Propia ................................................................................. 53
Figura 26. Dominio de la Autoclave. Autoría Propia .................................................................... 54
Figura 27. Subsistemas .................................................................................................................. 54
Figura 28. Conexiones. Autoría Propia ......................................................................................... 55
Figura 29. Wi-Fi. Autoría Propia................................................................................................... 56
Figura 30. Estado. Autoría Propia ................................................................................................. 57
Figura 31. Sistema de Calentamiento. Autoría Propia .................................................................. 58
Figura 32. Funcionalidad. Autoría Propia ..................................................................................... 59
Figura 33. Diseño Mecanico Autoclave. Autoria Propia............................................................... 60
Figura 34. Diseño Mecánico 2. Autoría Propia ............................................................................. 61
Figura 35. Diseño de Tubería. Autoría Propia............................................................................... 62
Figura 36. Circuito Tarjeta de control. Autoría Propia.................................................................. 63
Figura 37. Circuito Electrónico Versión anterior. Autoría Propia ................................................ 64
Figura 38. Tarjeta en 3D Proteus ................................................................................................... 65

Figura 39. Tarjeta en 3D Proteus Versión Antigua ....................................................................... 66
Figura 40. Circuito Diseña en Proteus. Autoría Propia ................................................................. 66
Figura 41. Circuito Diseñado en Proteus Versión Antigua. Autoría Propia.................................. 67
Figura 42. Plano Eléctrico. Autoría Propia ................................................................................... 68
Figura 43. Diseño Plano eléctrico.................................................................................................. 69
Figura 44. Variables Identificadas. Autoría Propia ....................................................................... 70
Figura 45. Variables identificadas en la EEPROM. Autoría Propia ............................................. 70
Figura 46. Configuración I2C. Autoría Propia .............................................................................. 71
Figura 47. Envió del bus I2C. Autoría Propia ............................................................................... 71
Figura 48. Carga del Bus a enviar. Autoría Propia ........................................................................ 72
Figura 49. Recepción del Bus I2C. Autoría Propia ....................................................................... 73
Figura 50. Conversión de Data. Autoría Propia ............................................................................ 73
Figura 51. Empaquetado de los Datos 1. Autoría Propia .............................................................. 73
Figura 52. Empaquetado de los Datos 2. Autoría Propia .............................................................. 74
Figura 53. Búsqueda Punto de Acceso. Autoría Propia ................................................................ 75
Figura 54. Configuración Punto de Acceso. Autoría Propia ......................................................... 76
Figura 55. Configuración de la Red Wi-Fi. Autoría Propia .......................................................... 76
Figura 56. Recepción de los Datos ESP8266. Autoría Propia ...................................................... 77
Figura 57. Envió datos Formato JSON. Autoría Propia ................................................................ 78
Figura 58. Función de Respuesta de datos. Autoría propia ........................................................... 78
Figura 59. Nextion Editor. Autoría Propia .................................................................................... 79
Figura 60. Trama de Datos. Autoría Propia .................................................................................. 80
Figura 61. Página de Bienvenida. Autoría Propia ......................................................................... 80
Figura 62. Página de Clave. Autoría Propia .................................................................................. 81
Figura 63. Página de Menú Principal. Autoría Propia ................................................................... 81
Figura 64. Página de Funcionamiento. Autoría Propia ................................................................. 82
Figura 65. Página de Test de Componentes. Autoría Propia ......................................................... 82
Figura 66. Grupo de Servicio. Autoría Propia ............................................................................... 83
Figura 67. Creación del Device1. Autoría Propia ......................................................................... 84
Figura 68. Device1. Autoría Propia ............................................................................................... 84
Figura 69. Servicio de Stream Analytics job. Autoría Propia ....................................................... 85
Figura 70. Configuración de Entradas y Salidas del servicio. Autoría Propia .............................. 86
Figura 71. Petición realizada para la canalización. Autoría Propia ............................................... 87
Figura 72. Creación del Servidor. Autoría Propia ......................................................................... 87
Figura 73. Ajustes Firewall del Servidor. Autoría Propia ............................................................. 88
Figura 74. Base de Datos. Autoría Propia ..................................................................................... 89
Figura 75. Tablas Creadas. Autoría Propia ................................................................................... 89
Figura 76. Query Editor. Autoría Propia ....................................................................................... 90
Figura 77. Petición realizada a la tabla. Autoría Propia ................................................................ 91
Figura 78. Controladores AppWeb. Autoría Propia ...................................................................... 91
Figura 79. Vistas AppWeb. Autoría Propia ................................................................................... 92
file:///C:/Users/Jhuaz/Downloads/Monografía%20La%20industria%204.0%20integrada%20a%20un%20equipo%20de%20esterilización%20de%20la%20marca%20JP%20Bioingeniería%20SAS%20.docx%23_Toc87514876

Figura 80. Modeladode Tablas. Autoría Propia ........................................................................... 93
Figura 81. Modelos de Inicio de Sesión. Autoría Propia............................................................... 93
Figura 82. Home Controller. Autoría Propia ................................................................................. 94
Figura 83. Programación HTML vista index. Autoría Propia ....................................................... 95
Figura 84. Vista Front AppWeb 1. Autoría Propia........................................................................ 96
Figura 85. Vista Front AppWeb 2. Autoría Propia........................................................................ 96
Figura 86. Vista Front AppWeb 3. Autoría Propia........................................................................ 97
Figura 87. Vista Front AppWeb 4. Autoría Propia........................................................................ 97
Figura 88. Tablas para Acceso de Usuarios. Autoría Propia ......................................................... 98
Figura 89. Vista Front AppWeb 4. Autoría Propia........................................................................ 98
Figura 90. Visualización Tabla Datos Front. Autoría Propia ........................................................ 99
Figura 91. Visualización Tabla Parámetros. Autoría Propia ......................................................... 99
Figura 92. Power BI Desktop. Autoría Propia............................................................................. 100
Figura 93. Configuración de la Tarea de Actualización. Autoría Propia .................................... 101
Figura 94. Publicación del Reporte. Autoría Propia .................................................................... 101
Figura 95. Publicación del Reporte como código HTML. Autoría Propia.................................. 102
Figura 96. Visualización del Reporte en la AppWeb 1. Autoría Propia ..................................... 102
Figura 97. Visualización del Reporte en la AppWeb 2. Autoría Propia ..................................... 103
Figura 98. Almacén de datos en ML. Autoría Propia .................................................................. 104
Figura 99. Conjunto de Datos ML. Autoría Propia ..................................................................... 104
Figura 100. Diseño Machine Learning. Autoria Propia .............................................................. 105
Figura 101. Predicción de los Valores de Temperatura. Autoría Propia ..................................... 106
Figura 102. Evaluación del modelo. Autoría Propia ................................................................... 106
Figura 103. Ensamble Mecánico Final 1 Autoría Propia ............................................................ 107
Figura 104. Ensamble Mecánico Final 2. Autoría Propia ........................................................... 108
Figura 105. Ensamblé Electrico................................................................................................... 109
Figura 106. Ensamble Tuberías. Autoría Propia ......................................................................... 110
Figura 107. Conversión de Data. Autoría Propia ........................................................................ 111
Figura 108. Empaquetado de los Datos 1. Autoría Propia .......................................................... 111
Figura 109. Empaquetado de los Datos 2. Autoría Propia .......................................................... 111
Figura 110. Recepción de los Datos ESP8266. Autoría Propia................................................... 111
Figura 111. Datos Recaudados. Autoría Propia .......................................................................... 112
Figura 112. Visualización Histórica de Ciclos Realizados en el Aplicativo Web ...................... 114
Figura 113. Validación Modelo ................................................................................................... 115
Figura 114. Aplicativo Web ........................................................................................................ 116

Índice de Tablas

Tabla 1. Variables de monitoreo.................................................................................................. 113
Tabla 2. Variables de Proteccion ................................................................................................. 113
Tabla 3. Datos de Pruebas ........................................................................................................... 113

Índice de Anexos

Anexo 1. Partes de la Autoclave .................................................................................................. 124
Anexo 2. Pantalla de Funcionamiento ......................................................................................... 125
Anexo 3. Listado de Racores ....................................................................................................... 126
Anexo 4. Requisitos de Operación .............................................................................................. 126
Anexo 5. Listado de Componentes .............................................................................................. 127

Glosario

Concepto

Explicación breve y detallada del concepto
Autoclave

Actuador

Azure

Aislante Térmico

Base de Datos

Ciclo de
Esterilización

Circuito

Circuito Integrado

Electroválvula

Esterilización

Generador de Vapor

HMI

Hosting

Equipo biomédico utilizado para la esterilización de equipos médicos y
de laboratorio

Dispositivo capaz de generar un cambio en algún proceso automatizado

Plataforma de servicio en la web
Material caracterizado por sus propiedades a la resistencia térmica

Es un conjunto de datos almacenados en tablas

Procedimientos en los que se logra la destrucción de microorganismos

Interconexión de componentes eléctricos o electrónicos

Circuito Integrado programable.

Dispositivos eléctricos y electrónicos que permiten un flujo en un
sentido
Proceso en el cual se logra la destrucción de microorganismos

Dispositivo que permite la transformación de estado del agua

Interfaz Humano Máquina

Servicio usado para el alojamiento de sitios web

Internet de las cosas
(IOT)

Machine Learning

Manómetro

Microorganismos

Micro controlador

MQTT

Presión

Presión Atmosférica

Presión Manométrica

PT100

Racores

Sensor

Servidor

Temperatura

Concepto de interconexión de objetos de nuestro día a día

Rama de la inteligencia artificial que permite el aprendizaje de máquina

Instrumentó análogo para la medir la presión

Aquellos seres vivos diminutos y microscópicos, como bacterias,
hongos protozoos etc.

Es un circuito pequeño el cual puede tener diferentes funcionalidades

Protocolo de comunicación Machine to Machine de tipo mensaje queque

Fuerza aplicada en dirección perpendicular por unidad de superficie
Presión que ejerce la atmósfera sobre la superficie de la Tierra
Se llama presión manométrica o presión relativa a la diferencia entre la
presión absoluta o real y la presión atmosférica

Sensor de temperatura
Pieza metálica con rosca para la unión de tuberías
Dispositivo capaz de captar magnitudes físicas
Es una maquina capaz de ejecutar peticiones de un cliente
Nivel térmico

Tubería

Válvula
Vapor
Conducto que permite el transporte de un fluido

Elemento mecánico que permite la regulación de un Flujo

Fase gaseosa del agua

Lista de Abreviaturas y SiglasSigla/Abreviatura Significado
ADC Convertidor analógico digital
CA Corriente alterna
CC Corriente directa
CPU Unidad central de procesamiento
GPU Unidad de procesamiento grafico
HTML Lenguaje de marcas de hipertexto
HTTP Protocolo de transferencia de hipertexto
IP Protocolo de internet
JS JavaScript
JSON Notación de objeto de JavaScript
LCD Pantalla de cristal liquido
MAX Máximo
MIN Mínimo.
NTC Norma técnica colombiana.
PC

MQTT

IOT

Computadora personal

Machine Learning

Message Queue Telemetry Transport

Internet of Things

VM Virtual Machine
SAS Sociedad por acciones simplificada
SQL Lenguaje de consultas estructuradas
TCP Protocolo de control de transmisión
USB Bus serial universal

Capítulo I
1.1. Introducción

La empresa JP Bioingeniería realiza ventas actualmente a muchas zonas del país incluyendo
zonas de difícil acceso, adicionalmente exporta equipos a países vecinos por lo que su
crecimiento ha sido muy positivo en los últimos años. En general este aumento en la producción
ha generado también inconvenientes al momento de ofrecer soportes técnicos a los clientes, pues
en muchas ocasiones se deben realizar soportes vía telefónica y sin data preexistente de los ciclos
de esterilización realizados por el equipo, razón por la cual en muchas ocasiones se debe de
desplazar un técnico para verificar que tipo de falla presenta el dispositivo e incluso se debe
desplazar para simplemente verificar los parámetros de control del equipo se encuentren
configurados adecuadamente.

En general este tipo de fallas genera desplazamientos que al final se vuelven tediosos y en la
mayoría de los casos un costo excesivo e innecesario para la compañía, por lo que se plantea
brindar a un sistema de monitoreo para cada uno de sus dispositivos de forma en que se permita
realizar una validación inicial de las posibles fallas que pueda presentar el equipo, así mismo se
podrá verificar que sus parámetros de control se encuentren configurados adecuadamente y de
esta manera se pretende minimiza los desplazamientos realizados por los técnicos de la
compañía.

Para la solución se optó por implementar un módulo Wi-Fi con el fin de realizar una conexión
remota de los equipos de JP Bioingeniería a la plataforma Azure, dentro de ella utilizar varios
servicios que nos permitieron la canalización de la información y esta fuera almacenada en una
base de datos que se encuentra comunicada con una página web que consume diferentes servicios
de la plataforma Azure y Power BI. Dichos servicios están orientados al uso de nuevas
tecnologías de la industria 4.0 como lo son el IOT Hub y el Machine Learning, además se realiza
el consumo del servicio de Bases de datos SQL en la Nube, la canalización de mensajería de
Stream Analytics y visualización de informes de Power BI.

El desarrollo realizado se expone a través del presente documento, el cual aborda diferentes
secciones las cuales tienen por objetivo el planteamiento del problema y su respectiva
justificación además se evidencia la investigación previa al desarrollo de la solución, seguido de
la metodología propuesta para alcanzar los objetivos y los resultados obtenidos por parte de la
implementación o pruebas de los aplicativos desarrollados.

1.2. Planteamiento del problema

Como ha venido mencionando en el presente documento el mercado Colombiano presenta
falencias a nivel de fabricación de equipos de esterilización y de laboratorio por lo que la
empresa JP Bioingeniería ha visto un mercado disponible, el cual ha decidido atacar desde hace
varios años atrás y es gracias a que este tipo de dispositivos son de bajo costo y muy buena
calidad, el posicionamiento de la marca se ha hecho notar, ya que sus equipos se caracterizan por
ser de manejo sencillo y eficaz para las tareas realizas en los diferentes laboratorios del país,
llegando al punto de llevar sus productos a países vecinos.
La JP Bioingeniería ha presentado ciertos inconvenientes en el servicio postventa de sus equipos
de laboratorio, en su mayoría equipos de esterilización, debido a que en determinadas ocasiones
es necesario realizar una calibración del equipo o en muchas ocasiones no se tiene data pre-
existente con la cual se pueda brindar un mejor acompañamiento remoto y soporte técnico
especializado.
Teniendo en cuenta que estos equipos son distribuidos a nivel nacional e internacional, el costo
de desplazamiento de un técnico incrementa los gastos de producción, generando así costos
excesivos para la compañía que a largo plazo se ven plasmados en pérdidas de dinero. Teniendo
en cuenta que muchas de las fallas que se presentan pueden llegar a ser solucionadas de manera
remota se hace necesario brindar un sistema que genere un monitoreo constante de los
dispositivos para que de esta manera se pueda brindar una mejor atención al cliente y de la misma
manera minimizar los desplazamientos de los técnicos, por lo cual se minimizan los costos de
producción de los equipos. Por otra parte, debe de tener en cuenta que algunos de los
desplazamientos son fuera del país o a zonas de difícil acceso y generan unas pérdidas de tiempo
productivo.

1.3. Justificación

Los equipos de la compañía JP Bioingenieria SAS se caracterizan por ser de uso sencillo y eficaz
pero en ocasiones pueden presentar fallas y muchas de estas pueden ocurrir por la mala
manipulación del dispositivo, también pueden ser ocasionadas por fluctuaciones en la red
eléctrica e incluso pueden surgir eventos extraordinarios que afecte el funcionamiento normal del
dispositivo. Estos y muchos otros comportamientos extraordinarios pueden afectar la memoria
interna del dispositivo, lo que genera una pérdida de la información almacenada en el equipo,
teniendo en cuenta que en esta información se encuentran las configuraciones realizadas
previamente en la fábrica, se vuelven indispensables para el correcto funcionamiento del mismo y
por tal motivo repercute en la generación de fallas en el proceso de control, es por esta razón que
en reiteradas ocasiones es necesaria la presencia de un técnico de la compañía, ya que es
necesario realizar nuevamente la configuración del equipo realizado nuevamente pruebas y
validaciones de su correcto funcionamiento.
Por esta y otras razones la compañía se está viendo afecta de manera económica pues los
mantenimientos y soportes postventa de los dispositivos generan costos adicionales innecesarios
ya que podrían ser solucionados de manera más eficiente, a través de un soporte técnico remoto
sencillo, teniendo en cuenta que se cuente con un respaldo de la información del equipo. Por tal
motivo se hace necesaria una reestructuración al del dispositivo, ya que al estar presentando fallas
y generando sobre costos, se requiere que el sistema sea más eficaz, seguro y confiable. Por tal
motivo se busca que a través de las nuevas tecnologías que nos ofrece la industria 4.0 como IOT,
la BigData, el ML (Machine Learning ) y entre otros, den un nuevo enfoque al dispositivo y que
de esta manera se pueda realizar un soporte más efectivo, se tenga la capacidad de predecir
alguna falla, o como mínimo se capaz de generar data que permita validar una trazabilidad en los
datos del dispositivo y de esta manera evaluar de manera más efectiva y rápida los problemas que
pueda presentar o este presentando el equipo, de igual forma favorecer el soporte remoto y llegar
de una manera más eficiente al cliente y de esta manera minimizar o reducir los gastos en la
postventa del equipo.
Adicionalmente también se desea generar una herramienta para el que el técnico en el proceso de
calidad pueda invertir de mejor manera su tiempo productivo ya que en la etapa de certificación y
pruebas del equipo se requiere de total atención al equipo,por lo que se busca que el técnico
pueda monitorear sin la necesidad de estar presente.
Estas tecnologías también brindan una mayor seguridad al cliente y una mejora en la calidad del
producto, ya que hasta el momento equipos como estos no cuentan con una tecnología como la
que se quiere implementar al hacerlo parte de los dispositivos inteligentes.

1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo General

Diseñar e Implementar un sistema de monitoreo y análisis web que permita observar el
comportamiento de los equipos de esterilización de la empresa JP Bioingeniería mediante el uso
de herramientas de la industria 4.0.
1.4.2. Objetivos específicos

- Adaptar el software y hardware del equipo para tener acceso a los datos.

- Reunir y acondicionar los datos de sensores y actuadores en una base de datos.

- Construir un modelo de aprendizaje de máquina para evaluar fallas en el equipo,
evaluando la técnica más adecuada.

- Realizar una validación y evaluación de los datos obtenidos por el modelo.

- Diseñar un aplicativo web que permita observar la trazabilidad de los datos almacenados.

Capítulo II. Marco Referencial

En el presente capitulo se realiza una descripción del conocimiento previamente construido. En la
sección estado del arte se describe la información reciente obtenida mediante consulta directa en
bases de datos especializadas, en la sección marco teórico se presentan los lineamientos teóricos
fundamentales que sustentan los desarrollos prácticos aplicables posteriores y en el marco legal
se presentan las normas con las cuales fue establecido.
2.1. Estado del arte
2.1.1. Sistema de monitoreo remoto del ciclo de autoclave a vapor

En la Universidad Andrés Bello (Santiago de Chile-Chile) se presentó esta tesis en la que se
diseñó e implemento un sistema electrónico y una página web capaz de señalar en tiempo real las
diferentes magnitudes físicas que se manifiestan en un equipo Autoclave en la impresora,
respaldando el registro del ciclo de manera remota. Este proyecto presenta ciertas similitudes al
que se presenta en este trabajo de grado ya que expone una intervención en el equipo, al
acondicionar el hardware y software del equipo para obtener los datos que se envían del PLC a la
impresora y de esta forma capturarlos por una Raspberry. Además, se crea un servidor web en el
cual se almacenarán los datos. (Pereira, 2020)

Figura 1. Diagrama de Proyecto. (Pereira, 2020)
2.1.2. Automatización del sistema de control y monitoreo de una autoclave para el proceso
de vulcanización del caucho en calzado de lona.

En la pontificia universidad católica del Perú (Lima-Perú) se realizó este proyecto en el que se
implementó el diseño e implemento un sistema automatizado de medición y control de
temperatura y presión, de tal manera que alcance los valores establecidos para una óptima
vulcanización del caucho en la autoclave y con esto reemplazar el actual tablero de control del
equipo. Además de eso implemento una interfaz gráfica amigable con el usuario. En el proyecto
se pueden observar similitudes al buscar monitorear las mismas variables y realizando cambios
para que el equipo tenga un aspecto más industrial además de mejorar la interacción entre el
usuario y el equipo. (Sanchez, 2008)

Figura 2. Monitoreo Autoclaves. (Sanchez, 2008)

2.1.3. Digital twin enhanced fault prediction for the autoclave with insufficient data

En este artículo publicado en Journal Manufacturing Systems se realizó un gemelo digital de una
autoclave con el fin de entrenar un modelo predictivo que estableciera las posibles fallas del
equipo. Sin embargo, se observa que, al no tener la suficiente cantidad de datos recolectados del
equipo, el modelo predictivo no funciona de la manera esperada y no realiza predicciones
acertadas. Este artículo cuenta con bastantes similitudes con el proyecto presentado en este
documento ya que la recolección de datos es un tema bastante importante y aún más si estos datos
se utilizan para predecir el funcionamiento del equipo a un largo, mediano o corto plazo.
(Yucheng Wang, 2021)

Figura 3. Procedure of DT enhanced fault prediction modeling for autoclave. (Yucheng Wang, 2021)

2.1.4. Desarrollo de un sistema para el control y monitoreo de una autoclave utilizando el
software de ingeniería labview para la empresa multiservicios coestra

En la escuela superior politécnica de Chimborazo (Riobamba-Ecuador) esta tesis se llevó a cabo
en la empresa Coestra, donde se recolecto la información arrojada por la autoclave y se
implementó un sistema de monitoreo por medio del software Labview. Se encuentran ciertas
similitudes con el proyecto presentado en este documento ya que se realiza la adaptación de
hardware y software para la recolección de datos de la autoclave y además se encuentra una
implementación de una interfaz para el monitoreo del equipo. (Allaica, 2018)

Figura 4. Visualización en labview. (Allaica, 2018)

2.1.5. Informe técnico acerca de las mejoras al diseño del sistema de evaluación en
corrosividad autoclave dinámica con sistema de monitoreo de variables en línea.

En la Unidad tecnológica de Santander (Bucaramanga-Colombia) se presentó este informe
técnico en el que realizan mejoras al diseño del sistema de evaluación de corrosividad autoclave
dinámica, monitoreando las variables en línea teniendo en cuenta sus especificaciones técnicas
buscando como finalidad conservar la integridad de los equipos y del personal. Este proyecto es
similar al presentado en este documento ya que se realizan adaptaciones en el equipo para tener el
acceso puro a los datos y de esta forma relacionarlos o utilizarlos con la finalidad de dar
seguridad y confiabilidad al equipo. (Esteban, 2019)

2.1.6. Big data and stream processing platforms for Industry 4.0 requirements mapping
for a predictive maintenance use case

En este artículo publicado en Journal Manufacturing Systems se realizó la integración de la
industria 4.0 a un proceso. Con software libre buscan la integración y recolección de datos del
proceso y de esta forma establecer un mantenimiento predictivo en caso de ser necesario. Este
articulo presenta similitudes con el proyecto presentado en este documento ya que se utilizaron
herramientas de la industria 4.0 como la big data, para realizar la recolección de los datos
arrojados por el equipo, y machine learning para ver el funcionamiento natural del equipo con el
fin de visualizar a futuro posibles fallas o desviaciones en su funcionamiento. (Radhya Sahal,
2020)

Figura 5. Software Libre. (Radhya Sahal, 2020)

2.1.7. Análisis de sonido de una autoclave

En la Pontificia Universidad Bolivariana (Floridablanca-Colombia) se presentó este proyecto que
tiene como finalidad estudiar los sonidos producidos por la bomba de vacío de la autoclave y
determinar si está funcionando de manera correcta o no. Realiza una caracterización de los
sonidos y por medio del software Matlab realiza el estudio de los sonidos producidos por el
equipo. Este documento presenta similitudes con el proyecto de grado presentado ya que busca
reunir la mayor cantidad de variaciones dadas por el equipo e integrarlas en una base de datos que
luego serán analizadas por un software especializado. (Ovalle, 2019)

2.1.8. Fabricante de equipos Tuttnauer

Empresa alemana con una experiencia de 90 años realizando soluciones de esterilización y
control de infecciones. Se encuentra dentro de más marcas top en equipos de esterilización
gracias a su desarrollo e innovación en equipos como autoclaves. Manejan una gama variada en
equipos ya sea por capacidad volumétrica, como por alcance tecnológico.

Cuentan con equipos con monitoreo remoto en tiempo real a través de una aplicación parateléfono inteligente o tableta mediante Wi-Fi. (Tuttnauer, 2021)

Figura 6. Autoclave Tuttnauer. (Tuttnauer, 2021)

2.1.9. Fabricante de equipos Matachana

Matachana group es una empresa con una trayectoria de más de 50 años en equipos de
esterilización con sede en España. Cuenta con una amplia gama en equipos de esterilización y es
distribuida a nivel mundial. Tiene diseños innovadores y ergonómicos.

Los datos de los equipos pueden ser extraídos mediante conexión USB, se realiza un historial
completo de los ciclos y además cuenta con puerto de comunicación Ethernet. (Matachana, 2021)

Figura 7. Autoclave Matachana. (Matachana, 2021)
2.1.10. Autoclaves Teinco

Bajo la marca Steribru, fabrican y comercializan autoclaves, equipos adaptados y personalizados
para un mercado internacional. Manejan autoclaves industriales con grandes volúmenes y
cuentan con un software que permite la visualización de datos en tiempo real, almacenamiento de
datos, exportación de datos en formato CSV y realización de informes en formato PDF. (Steribru.
Teinco SL, 2021)

Figura 8. Autoclave Teinco. (Steribru. Teinco SL, 2021)

2.2. Marco Teórico

Para realizar este proyecto se tuvo en cuenta el proceso de esterilización, especialmente el
funcionamiento de las autoclaves de la marca JP Bioingeniería, el cual cuenta con sistema
calefactor, sistema de desfogue, control de temperatura entre otros. Adicionalmente se tuvo en
cuenta los conocimientos en herramientas de software como CCS compiler, Arduino, Javascript,

HTML y herramientas relacionadas a la industria 4.0 como Azure, IOT hub, bases de datos, SQL
server, machine learning y por último la visualización mediante el software de Power BI.

2.2.1. Autoclaves

Una Autoclave es un recipiente a presión metálico de paredes gruesas con un cierre hermético
que permite trabajar a alta presión para realizar una reacción industrial, una cocción o una
esterilización con vapor de agua. (Abate, 2015) (Ros, 2018)

Figura 9: Esquema Básico de una Autoclave (Ros, 2018)
El generador de vapor puede ir integrado en la autoclave (como vemos en la imagen anterior) o
puede ser un elemento exterior. En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de autoclave que
opera con el vapor proporcionado por un generador de vapor exterior. En esta imagen, se puede
apreciar con detalle el proceso de esterilización. Podemos observar cómo se realiza el proceso de
evacuación del vapor tras haber sido realizada la esterilización, y la manera en la que este se
renueva por vapor limpio. (Abate, 2015) (Ros, 2018)

Figura 10: Esquema de Operación de una Autoclave (Ros, 2018)
2.2.2. Lenguaje de consultas estructuradas SQL

Es un tipo de lenguaje de programación que ayuda a solucionar problemas específicos o
relacionados con la definición, manipulación e integridad de la información representada por los
datos que se almacenan en las bases de datos. Algunos aspectos de SQL están basados en el
cálculo relacional, algunos en el álgebra relacional que provienen del modelo relacional y otros a
ninguno de los dos, sino que son parte de SQL (Ramos, 2018).

2.2.3. Comunicación Serial.

La comunicación serial consiste en el envío de un bit de información de manera secuencial, esto
es, un bit a la vez y a un ritmo acordado entre el emisor y el receptor. Existen en la actualidad
diferentes ejemplos de puertos que comunican información de manera serial (un bit a la vez). El
conocido como “puerto serial” ha sido gradualmente reemplazado por el puerto USB (Universal
Serial Bus) que permite mayor versatilidad en la conexión de múltiples dispositivos. Aunque en
naturaleza serial, no suele referenciarse de esta manera ya que sigue sus propios estándares y no
los establecidos por el RS-232.

La mayoría de los microcontroladores, entre ellos Arduino, poseen un puerto de comunicación
serial. Para comunicarse con los computadores personales actuales que poseen únicamente puerto

USB requieren de un dispositivo “traductor”. Arduino emplea el integrado FT232R, el cual es un
convertidor USB-Serial. A través de este integrado el microcontrolador puede recibir y enviar
datos a un computador de manera serial (serial, 2011).
En la comunicación asincrónica, la velocidad de envío de los datos es acordada a priori entre el
emisor y el receptor. En la comunicación sincrónica, el envío de los datos es sincronizado por el
emisor a partir de un pulso constante de reloj (Clock), con cada pulso envía un nuevo dato.
(serial, 2011).

Figura 11. Comunicación serial. (serial, 2011)

2.2.4. JavaScript

JavaScript tiene algunas características especiales: sintaxis, modelo de objetos, etc. Claramente,
cualquier cosa que diferencia un lenguaje de otro. JavaScript es un lenguaje de programación de
scripts (secuencia de comandos) orientado a objetos (Asensio, 2021).
JavaScript trabaja de la mano con el lenguaje HTML y esto para extender las capacidades del
último mencionado, es utilizado generalmente para crear páginas web dinámicas, este lenguaje es
embebido en una página web HTML, el cual es ejecutado por motores de los navegadores como
Google Chrome, Firefox, entre otros.

Este lenguaje este compuesto por:
- Objetos.
- Propiedades.

- Métodos.
- Eventos.
- Funciones

Debido a que es un lenguaje de Script, el código que se desarrolle no necesita ser compilado,
pues es un lenguaje interpretado, es decir que una vez desarrollado puede ser ejecutado sin una
previa compilación. Para que pueda interactuar con la página web (Alba, 2011), solo debe ser
llamado desde el archivo HTML como se muestra en la siguiente figura.

Figura 12. Estructura HTML. (Alba, 2011)

2.2.5. HTML

HTML es un lenguaje abstracto que es usado por distintas aplicaciones para la representación de
documentos (conocidos como documentos a instancias completas), como lo son las páginas web.
Puede transmitirse de manera sencilla a través de algún medio como Internet. Siendo los
navegadores los encargados de procesar e interpretar los documentos descritos en HTML,
mediante el uso de un analizador (Marcano, 2021).

El lenguaje HTML se definirá por “etiquetas”, cuyo nombre estará delimitado por el uso de
símbolos < > y, de la siguiente manera <etiqueta>. Estas se utilizarán para la descripción de lo

que se quiera representar en una página web. Dispone de etiquetas para imágenes e hipervínculos
que nos permitirán acceder a otras páginas, listas, tablas, saltos de línea, entre otros (Marcano,
2021).

El lenguaje HTML sirve principalmente para describir la estructura básica de una página.
Organiza la manera en que se muestra el contenido e incluye enlaces que dirigen a los usuarios
hacia otros sitios web o documentos. HTML también se conoce como un lenguaje de marcado
descriptivo, escrito en forma de etiquetas para establecer la estructura de una página web y su
contenido; como imágenes, texto, entre otros. Se encarga de describir la apariencia con la que
contará dicha página web (Marcano, 2021).

2.2.6. Bases de Datos.

Una base de datos es una colección de datos almacenados y organizados de forma que un
programa del ordenador pueda seleccionarlos rápidamente y capaces de ser: recobrados,
actualizados, insertados y borrados. Es un almacén de datos relacionados con diferentes modos de
organización. Una base de datos representa algunos aspectos del mundo real, aquellos que le
interesan al usuario. Y que almacena datos con un propósito específico. Con la palabra “datos” se
hace referencia a hechos conocidos que pueden registrarse, como ser números telefónicos,
direcciones, nombres, etc (DÍAZ, 2021), A continuación, se muestra en la figura un ejemplo
típicode una base de datos.

Figura 13. Sistema de bases de datos (DÍAZ, 2021).

Una base de datos puede estar compuesta de diferentes tablas, y está en el criterio del diseñador
la manera de relacionarlas y utilizarlas, se pueden tener relacionadas las tablas de las bases de
datos con una llave, esta llave es un dato en común que asocia dos o más tablas, pudiendo tener
así una relación de 1 a 1 paquetes de datos o 1 a n paquete de datos. Las bases de datos se
trabajan bajo un gestor de bases de datos, el cual es el encargado de almacenarlas y abrir caminos
para que puedan ser consultadas.

2.2.7. Formato JSON (JavaScript Object Notation).

JSON (JavaScript Object Notation) es un formato ligero de intercambio de datos. JSON es de
fácil lectura y escritura para los usuarios. JSON es fácil de analizar y generar por parte de las
máquinas. JSON se basa en un subconjunto del lenguaje de programación JavaScript, Estándar
ECMA-262 3a Edición - diciembre de 1999. JSON es un formato de texto completamente
independiente del lenguaje, pero que utiliza convenios que resultan familiares a los
programadores de lenguajes de la familia C, incluidos C, C++, C#, Java™, JavaScript, Perl,
Python y mucho otros. Estas características hacen de JSON un lenguaje de intercambio de datos
ideal. (IBM, 2018).

El formato JSON al ser utilizado un poco más de cara a las aplicaciones reales, puede ser
interpretado donde existe un objeto (objeto de negocio) el cual puede contener varios atributos,
como se muestra en la siguiente figura.

Figura 14. Objeto de negocio con propiedades y valores (IBM, 2018).

Realizando una conversión a formato JSON del objeto anterior, se obtiene un objeto como el que
se muestra en la siguiente figura.

Figura 15. Objeto en formato JSON (IBM, 2018).

Por medio del formato JSON, una aplicación puede comunicarse entre el backend con el
frontend, o con alguna otra aplicación externa que cumpla con los permisos que establece la
configuración de la página web.

2.2.8. Placa NODEMCU ESP8266.

NodeMCU ESP8266 es una plataforma de desarrollo similar a Arduino especialmente orientada
al Internet de las cosas (IoT). La placa NodeMcu v2 ESP8266 tiene como núcleo al SoM ESP-
12E que a su vez está basado en el SoC Wi-Fi ESP8266, integra además el conversor USB-Serial
TTL CP2102 y conector micro-USB necesario para la programación y comunicación a PC.
NodeMcu v2 ESP8266 está diseñado especialmente para trabajar montado en protoboard o
soldado sobre una placa. Posee un regulador de voltaje de 3.3V en placa, esto permite alimentar
la placa directamente del puerto micro-USB o por los pines 5V y GND. Los pines de
entradas/salidas (GPIO) trabajan a 3.3V por lo que para conexión a sistemas de 5V es necesario
utilizar conversores de nivel como: Conversor de nivel 3.3-5V 4CH o Conversor de nivel
bidireccional 8CH - TXS0108E (ESP8266, 2021).

Especificaciones técnicas:

- Voltaje de Alimentación: 5V DC

- Voltaje de Entradas/Salidas: 3.3V DC (No usar 5V)
- Placa: NodeMCU v2 (Amica)
- Chip conversor USB-serial: CP2102
- SoM: ESP-12E (Ai-Thinker)
- SoC: ESP8266 (Espressif)
- CPU: Tensilica Xtensa LX3 (32 bit)
- Frecuencia de Reloj: 80MHz/160MHz
- Instruction RAM: 32KB
- Data RAM: 96KB
- Memoria Flash Externa: 4MB
- Pines Digitales GPIO: 17 (4 pueden configurarse como PWM a 3.3V)
- Pin Analógico ADC: 1 (0-1V)
- Puerto Serial UART: 2
- Certificación FCC

2.2.9. Microcontroladores.

Un microcontrolador es un circuito integrado que en su interior contiene una unidad central de
procesamiento (CPU), unidades de memoria (RAM y ROM), puertos de entrada y salida y
periféricos. Estas partes están interconectadas dentro del microcontrolador, y en conjunto forman
lo que se le conoce como microcomputadora. Se puede decir con toda propiedad que un
microcontrolador es una microcomputadora completa encapsulada en un circuito integrado
(Electronica, 2021).

Toda microcomputadora requiere de un programa para que realice una función específica. Este se
almacena normalmente en la memoria ROM. No está de más mencionar que sin un programa, los
microcontroladores carecen de utilidad (Electronica, 2021).

El propósito fundamental de los microcontroladores es el de leer y ejecutar los programas que el
usuario le escribe, es por esto que la programación es una actividad básica e indispensable
cuando se diseñan circuitos y sistemas que los incluyan. El carácter programable de los
microcontroladores simplifica el diseño de circuitos electrónicos. Permiten modularidad y
flexibilidad, ya que un mismo circuito se puede utilizar para que realice diferentes funciones con
solo cambiar el programa del microcontrolador (Electronica, 2021).

Figura 16. Arquitectura de un microcontrolador (Electronica, 2021).

2.2.10. Microsoft Azure

La plataforma Azure está compuesta por más de 200 productos y servicios en la nube diseñados
para ayudarle a dar vida a nuevas soluciones que permitan resolver las dificultades actuales y
crear el futuro. Cree, ejecute y administre aplicaciones en varias nubes, en el entorno local y en el
perímetro, con las herramientas y los marcos que prefiera. (Microsoft, 2021)
• SQL Database
• SQL Server
• IOT Hub
• Stream Analytics
• Machine Learning
2.2.11. Visual Studio Code

Visual Studio Code es un editor de código fuente desarrollado por Microsoft para Windows,
Linux y macOS. Incluye soporte para la depuración, control integrado de Git, resaltado de
sintaxis, finalización inteligente de código, fragmentos y refactorización de código. También es
personalizable, por lo que los usuarios pueden cambiar el tema del editor, los atajos de teclado y
las preferencias. Es gratuito y de código abierto, aunque la descarga oficial está bajo software
privativo e incluye características personalizadas por Microsoft.

Visual Studio Code se basa en Electron, un framework que se utiliza para implementar
Chromium y Node.js como aplicaciones para escritorio, que se ejecuta en el motor de diseño
Blink. Aunque utiliza el framework Electron, el software no usa Atom y en su lugar emplea el

mismo componente editor (Monaco) utilizado en Visual Studio Team Services (anteriormente
llamado Visual Studio Online). (Microsoft, 2021)

Figura 17. IDE Visual Studio Code. (Microsoft, 2021)

2.2.12. ASP NET

ASP.NET es un entorno para aplicaciones web desarrollado y comercializado por Microsoft. Es
usado por programadores y diseñadores para construir sitios web dinámicos, aplicaciones web y
servicios web XML. Apareció en enero de 2002 con la versión 1.0 del .NET Framework, y es la
tecnología sucesora de la tecnología Active Server Pages (ASP). ASP.NET está construido sobre
el Common Language Runtime, permitiendo a los programadores escribir código ASP.NET
usando cualquier lenguaje admitido por el .NET Framework. (Microsoft, asp.net, 2021)

2.2.13. Nextion editor

Nextion Editor es un software de desarrollo GUI de interfaz hombre-máquina (HMI) gratuito
para Nextion Basic Series, Discovery Series, Enhanced Series e Intelligent Series. El software
ofrece una manera fácil de crear una interfaz de usuario táctil, intuitiva y excelente, incluso para
principiantes. Agregue una imagen estática como fondo, defina funciones por componentes,

puede hacer una GUI simple en minutos. Los sencillos componentes de arrastrar y soltar y las
sencillas instrucciones ASCII basadas en texto reducirán drásticamente las cargas de trabajo de
desarrollo de proyectos de HMI y desarrollarán proyectos rápidamente de forma rentable. El
producto Nextion es la mejor solución HMI de equilibrio entre costo y beneficio con una curva
de aprendizaje baja y reducida. (Nextion, 2021) (ITEAD, 2021)

Figura 18. Interfaz Nextion. (ITEAD,2021)

2.2.14. MQTT

MQTT son las siglas MQ Telemetry Transport, aunque en primer lugar fue conocido como
Message Queing Telemetry Transport. Es un protocolo de comunicación M2M (machine-to-
machine) de tipo message queue.

Está basado en la pila TCP/IP como base para la comunicación. En el caso de MQTT cada
conexión se mantiene abierta y se "reutiliza" en cada comunicación. Es una diferencia, por
ejemplo, a una petición HTTP 1.0 donde cada transmisión se realiza a través de conexión.

El funcionamiento del MQTT es un servicio de mensajería push con patrón publicador/suscriptor
(pub-sub). Como vimos en la entrada anterior, en este tipo de infraestructuras los clientes se
conectan con un servidor central denominado broker. (Molinero, 2018)

Figura 19. Método de envió de datos ESP8266. (LLamas, 2021)
Para filtrar los mensajes que son enviados a cada cliente los mensajes se disponen en topics
organizados jerárquicamente. Un cliente puede publicar un mensaje en un determinado topic.
Otros clientes pueden suscribirse a este topic, y el broker le hará llegar los mensajes suscritos.
(Molinero, 2018)

2.2.15. Power BI

Es una herramienta que utiliza la conexión a bases de datos y visualiza la información con
facilidad, utilizado para la creación de informes memorables personalizados con sus KPI y marca.
En la figura 20 se evidencia un ejemplo de su implementación. Obtenga respuestas rápidas y con
tecnología de IA a sus preguntas empresariales.

Puede trabajar de forma conjunta y con facilidad en los mismos datos, colaborar en los informes
y compartir conocimientos mediante aplicaciones populares de Microsoft Office, como Microsoft
Teams y Excel, lo que permite a todos los usuarios de su organización tomar rápidamente
decisiones controladas por datos que impulsan acciones estratégicas. (PowerBi.Microsoft, 2021)

Figura 20. Interfaz de Power Bi. (PowerBi.Microsoft, 2021)

2.2.16. Machine Learning

Machine Learning es un proceso que funciona mejor con una cantidad enorme de datos a la cual
se le llama BigData, que gracias al internet no es difícil conseguir o construir una base de datos
de un tamaño considerable, ya sea con datos históricos o con datos en tiempo real, y se puede
trabajar con estos datos ya que la capacidad de cómputo y tecnología crecen a pasos agigantados.
Décadas atrás sólo se trabajaba con bases de datos que eran llenadas a mano, y eso causaba que
sólo se pudieran enfrentara problemas específicos, pero en la actualidad, las bases de datos
contienen diferentes tipos de formatos, lo que permite enfrentar distintos tipos de problemas
desde perspectivas diferentes y con esto resolver problemas que antes no se habían planteado.
Esta es una de las razones del porqué se está logrando tantos avances. (Microsoft.ML, 2021)

2.3. Marco Legal
2.3.1. Norma ISO 9001

Se utilizó la norma ISO 9001 ya que es aquella que permite garantizar que el producto que se está
realizando tiene un funcionamiento correcto y de alta calidad, esto especialmente ya que el
proceso de simulación que se realizará será utilizado en métodos de enseñanza. (ISO, ISO 9001,
2015)

2.3.2. Norma ISO 10006

Especifica la calidad de los proyectos realizados en centros de enseñanza. (ISO, ISO 10006,
2003)
2.3.3. Norma IEEE 315

Se presentan símbolos gráficos e información necesaria para su uso en diagramas eléctricos y
electrónicos, que están aprobados internacionalmente. (IEEE, IEEE Std 315-1975, 1993)

2.3.4. FDA 21 CFR Parte 11 Registros electrónicos y formas electrónicas
Este reglamento obliga a las organizaciones que hacen negocios con o a través de la FDA e
Incluye a las empresas que contratan o interactúan con; salud, biotecnología, fabricantes de
medicamentos, fabricantes de dispositivos médicos, así como registros médicos y empresas de
servicios relacionados. (Zules, 2021)

2.3.5. INVIMA y certificación de las normas ISO 9001-2008 al igual que la norma NTC
13485
La Norma ISO 13485 es una adaptación de la ISO 9001 para las empresas que producen y
comercializan dispositivos médicos y servicios relacionados. Esta norma específica los requisitos
para un sistema de gestión de calidad (SGC) que sea usado por una organización para el diseño y
desarrollo, producción, instalación y servicio de post venta de dispositivos médicos y servicios
relacionados. (ICONTEC, 2021).

Capítulo III. Metodología

En el presente proyecto se utilizó la metodología de del modelo de desarrollo de prototipos la
cual pertenece a los modelos de desarrollo evolutivo donde se presenta la necesidad de finalizar
el proyecto en el menor tiempo posible es decir que esta metodología busca que el prototipo sea
construido en poco tiempo usando los programas adecuados si utilizar muchos recursos
(JAVIER, 2015)

3.1. Metodología de desarrollo evolutivo

Para la implementación de la metodología se debe de tener en cuenta:

- Recolección y refinamiento de los requisitos
- Modelado
- Construcción del prototipo
- Revisión del prototipo
- Refinamiento
- Producto de ingeniería

Figura 21. Ciclo de desarrollo. Autoría Propia
Refinamiento de los Requisitos: En esta esta se valida los requerimientos o problemas a abordar
con la solución en este caso se realizo
- Investigación del funcionamiento del equipo y cada una de sus partes
- Fallas que se puedan presentar en el equipo
- Necesitad de mantener un histórico de registros para verificar y validar la correcta
operación del equipo
- Análisis de las normas aplicables a los equipos
- Se realiza la planeación del desarrollo del sistema propuesto
- Se realiza capacitación a profundidad en Azure Devops y plataformas implicadas en el
desarrollo así mismo como capacitación de programación para aplicativos web HTML
Javascritpt y C#
- Planeación de los protocolos de comunicación a usar
- Análisis de los datos a exportar a la Base de datos
- Se planea el uso del servicio Machine Learning de Azure para realizar un modelo de
aprendizaje automático con respecto a la temperatura
- Planeación de las etapas de diseño mecánico y ensamblé
- Planeación de las etapas de diseño hidráulico y ensamble

Modelado: Esta etapa consiste básicamente en realizar el diseño y modelos preliminares a la
construcción del proyecto es decir en esta etapa se realizó:

- Adaptación del software y firmware del equipo para el envió de datos necesarios. Se
realizaron una serie de modificaciones internas al firmware del equipo las cuales
consisten en una actualización de la pantalla del equipo, modificación al bus I2C del
equipo y creación de un bus de datos serial para la comunicación con el ESP8266 o
módulo Wi-Fi
- Se define el bus de datos en el ESP8266 y comunicación IOT Hub para el envío y
recepción de datos a través del protocolo MQTT
- Se realiza la creación de la query utilizada en el servicio Stream Analytics de azure para
direccionar los datos
- Se modela la base de datos usada tanto para el almacenamiento de datos como para el uso
de usuarios en el aplicativo web
- Se realiza el diseño previo del aplicativo web el cual se realizara a través de la
metodología MVC de Asp.Net
- Se valida como se realizara el envío de credenciales de red al ESP8266
- Diseño mecánico del prototipo
- Diseño hidráulico del prototipo

Construcción del prototipo: Una vez realizado el modelo se continúa con la construcción del
prototipo unificado.
- Programación del Microcontrolador “Master” y Microncontrolador “Slave” con las
modificaciones pertinentes en temas de HMI, Comunicación y Bus de Datos
- Programación del ESP8266 para recibir los datos suministrador por el equipo y enviarlos
a la aplicación IOT Hub de Azure a través del protocolo MQTT
- Programación del ESP8266 como punto de acceso y recibir las credencialespara
conexión de una red
- Se crea el Dispositivo y el servicio de IOT Hub para la recepción de los datos
- Se crea una tarea para el direccionamiento de la información hacia la base de datos
- Se crea el servidor virtual y la Base de Datos necesaria para almacenar la información de
los equipos y del sitio web
- Se crea el sitio web a través de la metodología MVC de Asp.Net
- Se crea el informe de los datos a través de Power BI y se crean las tareas necesarias para
la actualización de los datos
- Ensamble de piezas mecánicas necesarias para el desarrollo del prototipo
- Ensamble de la tubería hidráulica necesaria para el flujo de vapor

Revisión del prototipo: Tras el desarrollo del equipo se llevan a cabo una serie de pruebas
iniciales para la validación del prototipo. En esta etapa se realizo
- Validación de los datos del equipo con respecto los suministrados por la página web tanto
para los parámetros como para los datos de los ciclos de esterilización realizados
- Se valida que el prototipo funciones para múltiples equipos ya que estos se encuentran
identificados por un seria único

- Se valida que las gráficas nos muestren la información real y necesaria de los datos, así
mismo se valida que se pueda filtrar la información necesaria para los equipos deseados
por el usuario de la página web
- Se verifica que la tubería no presente fugas en la operación del equipo

Refinamiento del Prototipo: En esta etapa se realizan los ajustes de errores encontrados en la
revisión del prototipo como errores en el formato de presentación de variables en la visualización
front de la página web, además de la creación del modelo de Machine Learning para la predicción
de la Temperatura ya que para la realizar el diseño se requiere de data preexistente que nos
permita generar un aprendizaje de maquina adecuado para evaluar el comportamiento del equipo
y de la misma manera poder generar la predicción de la temperatura
Además se culmina con el ensamble de piezas mecánicas para dejar el equipo totalmente
terminado

Producto de Ingeniería: En esta etapa el prototipo se encuentra funcionando adecuadamente por
lo que se realizan pruebas finales para validar la trazabilidad de los datos generados a lo largo del
desarrollo, así mismo se pone en contexto la validación del modelo de machine learning y se
evaluó si el coeficiente de correlación era aceptable con respecto a la generación de nuevos datos
así mismo se realiza en paso final que consiste en el despliegue del aplicativo web en un hosting
de azure para el acceso desde cualquier lugar.

3.2.Diagrama de bloques de la solución

Figura 22. Diagrama de Bloques de la Solución. Autoría Propia
HMI: Interfaz Humano máquina la cual nos ayuda a comunicarnos con el dispositivo, desde allí
se realizan las diferentes configuraciones de control del equipo, además de obtener la
visualización y respuesta en el tiempo de lo que está sucediendo

MicroControlador Pic 18F468: En este integrado se encuentra la lógica principal de control, allí
podemos obtener los datos necesario para validar el comportamiento del dispositivo, también es
donde se almacenan los principales parámetros de control del equipo y es quien envía y recibe
datos por parte de la HMI a través de un bus Serial, además del envío y recepción de datos a
través de un Bus I2C.

MicroControlador Pic 18F2550: Recibe y entrega datos a través del Bus I2C. Además de
generar más protocolos de comunicación para entregar la información suministrada por el
MicroControlador Master. El Slave genera dos protocolos serial, uno de ellos para la

comunicación con una mini impresora térmica y el otro par comunicarse con el ESP8266, por
otro lado genera una comunicación USB para comunicarse con una computadora.
PC: Recibe los datos a través del protocolo USB para después ser interpretados por un interfaz en
labview la cual es usada por los técnicos para obtener los datos de las pruebas en fabrica
ESP8266: Interpreta el bus de datos serial entregado por el PIC18F2550, genera un punto de
acceso para acceder a las credenciales Wi-Fi y además se encarga de enviar y recibir mensajería a
través del protocolo MQTT

IOT Hub: Servicio Azure que nos permite recibir y entregar datos subidos a través del protocolo
MQTT

Stream Analytics: Tras recibir los datos entregados por el dispositivo en el IOT Hub, Azure nos
ofrece un servicio el cual nos permite generar una tarea, la cual se ejecutara cada vez que llegue
un bus de datos. Esta tarea básicamente consiste en direccionar la información hacia la base de
datos

Servido Azure y Base de datos SQL: Para crear la base de datos en Azure es necesario contar
con un servidor web el cual nos permitirá almacenar la información entregada por el Stream
Analytics

Hosting Azure: Para publicar nuestro sitio web es necesario tener un hosting que albergue
nuestro aplicativo, en este caso azure nos ofrece un servicio de hosting para sitios web.

Aplicativo Web: Aquí se genera un interfaz visual que en conjunto con la aplicación PowerBI
obtenemos informes directamente de la base de datos y de la información contenida allí para que
el usuario final obtenga la información de una manera más sencilla y fácil de leer para que de esta
manera se puedan identificar posibles fallas o irregularidades en el equipo

ML: La aplicación de Machine Learning de Azure se alimenta de la Base de datos y genera un
modelo predictivo con respecto a la temperatura el cual posteriormente evaluar con los datos de
entra obteniendo así un porcentaje de correlación con respecto a la data real

3.3.Metodología OOSEM

También se implementa la metodología de diseño de modelos de sistemas y dentro de esta se
utilizó la metodología OOSEM que como su nombre lo indica OOSEM (Object-Oriented System
Engineering Method) nace de la programación orientada a objetos y está básicamente consiste en
un proceso de modelado de arriba abajo, para apoyar el análisis especificación diseño y
verificación de sistemas. (Calero, 2017)

3.3.1. Organización del Modelo

Se utilizó un diagrama de paquetes para estructura de mejor manera el proyecto

Figura 23. Estructura de paquetes. Autoría Propia
En esta organización se puede observar los subconjuntos de los cuales conformamos nuestro
modelo, como requerimientos, parámetros, estructura.

3.3.2. Requisitos

Se estructuran unos requisitos, esta es una de las etapas más importantes ya que depende de estos
requisitos la finalidad del proyecto. Para este proyecto se plantean los objetivos descritos ya que
es la finalidad a la cual queremos llegar.

Figura 24. Requisitos. Autoría Propia

A su vez es necesario identificar la forma en que se dará solución a dichos requerimientos, en
este caso se muestra las especificaciones de cada uno de los requerimientos.

Figura 25. Especificaciones. Autoría Propia

3.3.3. Estructura de la Autoclave

Una vez planteados los requerimientos y las especificaciones del mismo se debe de modelar el
prototipo para identificar de manera todo lo que rodea el equipo. En primera instancia se realiza
una descomposición estructural, es decir todo lo que interviene en la operación del equipo tanto
usuario como su diseño mecánico en general

Figura 26. Dominio de la Autoclave. Autoría Propia

Luego debemos de entender cada uno de sus subsistemas para de esta manera entender que
funcionalidad desempeña dentro del dispositivo

Figura 27. Subsistemas

El subsistema tarjeta de control se comunica otros subsistemas internos los cuales operan el
equipo de manera óptima. De la misma manera se aplica este concepto