Proyecto Tesis JLCA (Borrador 16) PDF

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería Área Académica de Computación y Electrónica Maestría en Ciencias en Computación Avanzada y Electrónica Sistema Integral de Sensores de Soluciones Aplicados a una Lengua Electrónica. Jorge Luis Cacacho Ávila D...

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería Área Académica de Computación y Electrónica Maestría en Ciencias en Computación Avanzada y Electrónica Sistema Integral de Sensores de Soluciones Aplicados a una Lengua Electrónica. Jorge Luis Cacacho Ávila Director: Dr. José Luis González-Vidal Codirector: Dr. Esteban Rueda Soriano 07 de febrero del 2022 Agradecimientos =============== ***A mi esposa:*** Por ***Por parte del Citis:*** Al Dr. José Luis González Vidal ***Por parte de CONACYT*** Este proyecto se llevó a cabo dentro de las instalaciones de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, en el Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería, como parte del área de Computación Avanzada y Electrónica. Fue financiado gracias al apoyo del Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías (CONACYT), para el proyecto: Sistema Integral de Sensores de Soluciones Aplicados a una Lengua Electrónica. Becas CONACyT \| Maestría en Ingeniería y Ciencia de Datos A mi esposa: Índice ====== [[Agradecimientos] 2](#agradecimientos) [[Índice] 3](#_Toc165240274) [[Índice Tablas] 5](#%C3%ADndice-tablas) [[Índice Ilustraciones] 5](#%C3%ADndice-ilustraciones) [[Índice Código] 6](#%C3%ADndice-c%C3%B3digo) [[Resumen] 7](#resumen) [[Introducción] 8](#introducci%C3%B3n) [[Planteamiento del problema] 9](#planteamiento-del-problema) [[Justificación] 10](#justificaci%C3%B3n) [[Hipótesis] 11](#hip%C3%B3tesis) [[Objetivo General] 12](#objetivo-general) [[Objetivos Específicos:] 12](#objetivos-espec%C3%ADficos) [[1.] [Marco Teórico] 13](#marco-te%C3%B3rico) [[1.1.] [Lenguas electrónicas:] 13](#lenguas-electr%C3%B3nicas) [[1.2.] [Sensores] 13](#sensores) [[1.3.] [Tratamiento de datos] 14](#tratamiento-de-datos) [[1.4.] [Técnicas electroquímicas de medida para sensores] 15](#t%C3%A9cnicas-electroqu%C3%ADmicas-de-medida-para-sensores) [[1.5.] [MOSFET] 16](#mosfet) [[1.6.] [Transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET)] 16](#transistor-de-efecto-de-campo-sensible-a-iones-isfet) [[1.7.] [Amplificadores Operacionales] 17](#amplificadores-operacionales) [[1.8.] [Convertidor Analógico/Digital] 17](#convertidor-anal%C3%B3gicodigital) [[1.9.] [Tarjeta para adquisición de datos.] 18](#tarjeta-para-adquisici%C3%B3n-de-datos.) [[1.9.1 Arduino UNO Rev3.] 18](#arduino-uno-rev3.) [[1.9.2 RaspBerry Pi 4] 19](#raspberry-pi-4) [[1.9.3 BeagleBone Black] 19](#beaglebone-black) [[1.9.4 Tabla Comparativa de las tarjetas electrónicas Arduino, RaspBerry Pi y BeagleBone.] 20](#tabla-comparativa-de-las-tarjetas-electr%C3%B3nicas-arduino-raspberry-pi-y-beaglebone.) [[1.10.] [Servidor] 21](#servidor) [[1.11.] [XAMPP] 21](#xampp) [[1.12.] [MySQL] 22](#mysql) [[2.] [Estado del Arte] 23](#estado-del-arte) [[3.] [Metodología de investigación] 25](#metodolog%C3%ADa-de-investigaci%C3%B3n) [[3.1.] [Enzima] 25](#enzima) [[3.2.] [Amplificador Operacional de Instrumentación] 26](#amplificador-operacional-de-instrumentaci%C3%B3n) [[3.3.] [Beaglebone Black] 27](#beaglebone-black-1) [[3.4.] [Desarrollo] 30](#desarrollo) [[3.4.1.] [Circuito de control de toma de muestras] 30](#circuito-de-control-de-toma-de-muestras) [[Programación] 33](#programaci%C3%B3n) [[3.5.] [Base de datos] 34](#base-de-datos) [[Estructura de la tabla login:] 36](#_Toc165240311) [[Estructura de tabla para la tabla muestra] 36](#_Toc165240312) [[Estructura de tabla para la tabla usuario] 36](#_Toc165240313) [[3.6.] [Página web] 37](#p%C3%A1gina-web) [[Aportación esperada] 45](#aportaci%C3%B3n-esperada) [[Conclusión] 46](#conclusi%C3%B3n) [[Discusión] 47](#discusi%C3%B3n) [[Trabajos Futuros] 48](#trabajos-futuros) [[Referencias] 49](#_Toc165240319) [[Anexo Códigos] 52](#anexo-c%C3%B3digos) Índice Tablas ============= [[Tabla 1 Tabla comparativa de Tarjetas] 20](#_Toc165240449) [[Tabla 2 Código de leds del circuito de control] 32](#_Toc165240450) [[Para el almacenamiento de las muestras que se reciben, se generó una tabla especial la cual registrara el valor de la muestra, así como el tipo de muestra que recibe, una vez almacenada, se asigna a un usuario previamente registrado para enlazar las muestras. El diseño de las tablas 3 Mysql tabla login, tabla 4 Mysql tabla muestra y tabla 5 Mysql tabla usuario, se desglosa a continuación especificando cada uno de los campos:] 35](#_Toc165240451) [[Tabla 3 Mysql tabla login] 36](#_Toc165240452) [[Tabla 4 Mysql tabla muestra] 36](#_Toc165240453) [[Tabla 5 Mysql tabla usuario] 36](#_Toc165240454) [[Tabla 6 Niveles de sustancias químicas en el cuerpo] 40](#_Toc165240455) Índice Ilustraciones ==================== [[Ilustración 1 Representación MOSFET e ISFET] 16](#_Toc165240473) [[Ilustración 2 Diagrama OPAMP] 17](#_Toc165240474) [[Ilustración 9 Representación de la comparación de señales en convertidor A/D] 18](#_Toc165240475) [[Ilustración 3 Placa Arduino UNO] 19](#_Toc165240476) [[Ilustración 4 Placa Raspberry Pi 4] 19](#_Toc165240477) [[Ilustración 5 Placa BeagleBone Black] 20](#_Toc165240478) [[Ilustración 6 Amplificador AD620] 26](#_Toc165240479) [[Ilustración 7 Multímetros.] 27](#_Toc165240480) [[Ilustración 8 Fuente de alimentación TENMA modelo 72-2080.] 27](#_Toc165240481) [[Ilustración 9 Representación de la comparación de señales en convertidor A/D] 28](#_Toc165240482) [[Ilustración 11 Diagrama electrónico del convertidor A/D] 29](#_Toc165240483) [[Ilustración 12 Diagrama esquemático del control de toma de muestras en NI Multisim®.] 31](#_Toc165240484) [[Ilustración 13 Protoboard control de toma de muestras] 32](#_Toc165240485) [[Ilustración 14 Código fuente dentro de BB AI] 33](#_Toc165240486) [[Ilustración 15 Pruebas con potenciómetro] 34](#_Toc165240487) [[Ilustración 16 Ventana XAMPP] 35](#_Toc165240488) [[Ilustración 17 Ventana de phpMyAdmin] 35](#_Toc165240489) [[Ilustración 18 Ventana de Registro] 37](#_Toc165240490) [[Ilustración 19 Ventana de Login] 38](#_Toc165240491) [[Ilustración 20 Página principal] 38](#_Toc165240492) [[Ilustración 21 Menú superior] 39](#_Toc165240493) [[Ilustración 22 Menú lateral] 39](#_Toc165240494) [[Ilustración 23 Página de última muestra] 40](#_Toc165240495) [[Ilustración 24 Filtro de selección] 41](#_Toc165240496) [[Ilustración 25 Página de histórico] 41](#_Toc165240497) [[Ilustración 26 Página histórico en gráfica] 42](#_Toc165240498) [[Ilustración 27 Registro nuevo paciente] 43](#_Toc165240499) [[Ilustración 28 Lista de pacientes] 44](#_Toc165240500) Índice Código ============= [[Código 1 Programa en Python para BeagleBone] 52](#_Toc165241162) [[Código 2 Programa en HTML y PHP - Cabecera] 54](#_Toc165241163) [[Código 3 Programa en HTML y PHP - Menú] 56](#_Toc165241164) [[Código 4 Programa HTML y PHP - Pie de página] 57](#_Toc165241165) [[Código 5 Programa PHP para conexión con MySQL] 61](#_Toc165241166) [[Código 6 Página de Login] 62](#_Toc165241167) [[Código 7 Código registro nuevo usuario] 64](#_Toc165241168) [[Código 8 Página principal] 68](#_Toc165241169) [[Código 9 Código buscar pacientes registrados] 69](#_Toc165241170) [[Código 10 Código página último registro por paciente] 73](#_Toc165241171) [[Código 11 Código página histórico por paciente] 77](#_Toc165241172) [[Código 12 Código de página para mostrar histórico en graficas] 83](#_Toc165241173) Resumen ======= Para este proyecto se busca la implementación de una lengua electrónica, este tipo de dispositivos en la actualidad, son herramientas que permiten detectar y medir concentración en los componentes químicos de un líquido, esto permite a la lengua electrónica ser una herramienta en diferentes campos, ya que estas permiten generar una reacción eléctrica al entrar en contacto con un componente líquido, esta señal se basa en la concentración del componente. Estos dispositivos son usados en diversos casos, en donde se busca detectar o diferenciar líquidos, como por ejemplo la clasificación de líquidos como el café o el vino, esto con la finalidad de detectar el lugar de origen o la forma en la que se elaboraron estos, además de este ejemplo también tienen otros usos, como en el área médica donde se usa para medir los niveles de diversas sustancias en el cuerpo humano. En este caso se busca hacer uso de una lengua electrónica la cual es capaz de detectar los niveles de colesterol, triglicéridos y glucosa, con ayuda de las enzimas especiales, las cuales son mutuamente excluyentes, esto permite que reaccionen únicamente al entrar en contacto con las sustancias que deseamos detectar. Con apoyo de un circuito electrónico que recibirá señales eléctricas provenientes de los transistores, los cuales hacen de sensores, estos generan una señal que al ser procesada por medios electrónicos será digitalizada para poder observar sus resultados en una página web. En esta información se podrá consultar dentro de la página web, gracias a sus respectivos accesos autorizados por una contraseña, asegurando así la confidencialidad y resguardo de la información personal del paciente o del usuario. La información que se muestra tiene diversas presentaciones. El resultado de este proyecto es tener un sistema electrónico que nos pueda detectar los niveles de glucosa, colesterol y triglicéridos de una forma fácil. En esta etapa del proyecto se sustituye la sangre por una solución. El poder tener esta información en una base de datos dentro de la web, facilita el monitoreo en tiempo real de las personas, desde cualquier dispositivo con acceso a internet. Introducción ============ En la actualidad el desarrollo de diversos dispositivos que ayuden al ser humano a conocer los diversos niveles de químicos en el cuerpo humano, como por ejemplo el colesterol, se ha convertido en una actividad de importancia para la salud, ya que estos son usados como herramientas para monitorear estos niveles y tomar medidas para mejorar la calidad de vida de las personas. Para este proyecto de investigación, se busca desarrollar un sistema que ocupa los beneficios de la reacción química que se genera al mezclar el colesterol, los triglicéridos y la glucosa, con sus respectivas enzimas, esta reacción es interpretada por un sensor el cual mide la concentración de estas sustancias, usando el funcionamiento de transistores ISFET (Transistor de efecto campo sensible a iones), esta reacción es una señal muy pequeña, la cual se debe ser amplificada para poder interpretarse de manera más eficaz, posteriormente se envía a la Beaglebone, la cual, entre sus diferentes capacidades, puede convertir la señal analógica a una señal digital. Esto se debe a que esta tarjeta tiene un convertidor Analógico/Digital de manera interna. Esta información representa los niveles de concentración del colesterol, triglicéridos y glucosa, estos datos pueden ser almacenados en la tarjeta SD que posee la Beaglebone, sí esta no tiene una conexión a internet en el momento o en caso de poseer la conexión alámbrica, los datos pasarán a ser almacenados en una Base de datos, previamente elaborada en el sistema de gestión de base de datos MySQL, dichos datos serán desplegados en una página web que mostrará el valor numérico más reciente en forma numérica o un histórico de valores en forma gráfica. Las lenguas electrónicas son biosensores capaces de reconocer diferentes sustancias líquidas, al realizar una reacción química en la sustancia activa por medio de una enzima, esta reacción genera una liberación de iones que generan una señal eléctrica analógica en el ISFET cambiando sus valores eléctricos, los cuales pueden ser medidos o interpretados de diferentes formas. Planteamiento del problema ========================== En la sociedad actual existen diversas enfermedades que ponen en riesgo la salud de las personas, un ejemplo de estas es la Diabetes, este tipo de enfermedades pueden ser prevenidas de diversas formas, como por ejemplo controlando la alimentación y no ingerir en exceso ciertos alimentos que elevan los niveles de sustancias que componen el cuerpo humano, el aumento de estos niveles pueden provocar diversas reacciones en el cuerpo que afectan la salud como por ejemplo, la falla de algún órgano o afectar el sistema inmune, como consecuencia de estas reacciones se desarrollan enfermedades. Para prevenir todo eso, es primordial el tener un control adecuado de la salud, por lo que es importante el uso de diversos aparatos electrónicos, que ayudan a recopilar niveles de diversas sustancias químicas como el colesterol o los triglicéridos, esto con la finalidad de prevenir enfermedades. Actualmente con el incremento de casos en ciertas enfermedades, la importancia de la actualización y mejora de estos dispositivos es más notoria, por lo que la búsqueda de desarrollar e implementar dispositivos que reaccionen de manera más eficaz, con mayor exactitud y en el menor tiempo posible es prioritaria. Los equipos existentes permiten la toma de muestras y generan un resultado en pantalla, el cual es mostrado por un periodo corto, una vez el equipo pasa a un estado de reposo la información es eliminada, para poder obtener nuevamente los resultados se debe realizar nuevamente la toma de muestras. Este proceso se debe repetir cada vez que se quiera consultar los niveles, ya que no se almacena la información y solo es visible para las personas junto al dispositivo, por lo que, para llevar a cabo una revisión o diagnóstico por algún profesional, este proceso se debe hacer en presencia de este o llevar los resultados si la prueba se realizó en otro lugar, los cuales ya después de un lapso de tiempo pueden no ser precisos. Para esto se buscan opciones para que la información pueda ser alcanzable en el menor tiempo posible y desde cualquier lugar, para lo que se necesita almacenar la información en un lugar de fácil acceso como una nube, esta no es una práctica común en estos dispositivos, por lo que un dispositivo capaz de almacenar esta información de forma local o en la red, es de suma importancia ya que permite al usuario el poder acceder a la información en cualquier momento desde cualquier dispositivo electrónico con acceso a internet, para poder observar los datos almacenados dentro de la base de datos desplegados en una página web \[1\]. Poder visualizar esta información permite mantener un monitoreo en desde cualquier parte del mundo, con actualización en un corto periodo, mejorando así los tiempos de diagnóstico o de respuesta a diversos cambios en los niveles de glucosa, colesterol y triglicéridos. Justificación ============= En el área médica es importante el monitoreo de diversos niveles químicos en el cuerpo, ya que la falta de una alimentación adecuada genera que estos niveles tengan valores altos, lo cual afecta la salud y genera enfermedades. Por lo que es importante el chequeo constante de estos niveles, en especial los niveles de glucosa, colesterol y triglicéridos, ya que estos son los principales indicadores de las enfermedades que más afectan a la sociedad hoy en día. Actualmente la forma de revisar estos niveles es por medio de estudios clínicos en laboratorios especializados u ocupando pequeños dispositivos que nos entregan en pantalla el nivel de concentración que hay en nuestra sangre. Esta práctica a pesar de que nos permite el monitoreo, es una práctica que conlleva tiempo o registros manuales de los resultados. Por lo que es importante poder almacenar los resultados para poder llevar un mejor control de nuestra salud. El apoyo de recursos web, es importante en esta área, ya que permite guardar esta información en espacios disponibles en servidores, los cuales permiten el acceso remoto a esta información desde dispositivos móviles en cualquier momento. Este proyecto busca crear un dispositivo que permita una cuantificación de los niveles de glucosa, colesterol y triglicéridos, que sea confiable y permita el almacenamiento web, lo que mejorará la forma de almacenar la información, así como el acceso a esta información desde dispositivos móviles. Hipótesis ========= Para este proyecto se busca implementar una lengua electrónica que facilite la recopilación de información sobre los niveles en el cuerpo humano, permitiendo procesar esta información. Este dispositivo será capaz de analizar 3 muestras diferentes en un pequeño periodo de tiempo y generar valores que pueden ser interpretados fácilmente, permitiendo almacenar esta información de forma fácil y eficaz. Esto generará un monitoreo más adecuado, al tener la información generada dentro de una base de datos almacenada en a la red, lo que permite además poder acceder a esta información desde cualquier dispositivo conectado a internet, todo esto dentro de un único dispositivo. Objetivo General ================ Desarrollar un sistema electrónico-digital para el análisis una muestra colocada en un biosensor sobre los niveles de triglicéridos, colesterol y glucosa para su posterior envió a un servidor web. Objetivos Específicos: {#objetivos-específicos.ListParagraph} ---------------------- 1. Revisión bibliográfica para estudio del estado del arte de lenguas electrónicas, transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET) y tarjetas electrónicas. 2. Estudio de las tarjetas electrónicas para procesamiento de datos, para determinación de la más adecuada. 3. Desarrollo del sistema electrónico para medición de colesterol, triglicéridos y glucosa. 4. Desarrollo de algoritmo con MySQL para la adquisición de datos proporcionado por biosensores. 5. Desarrollo de algoritmo para enviar datos al sistema desarrollado con MySQL. 6. Elaboración de página web y su conexión al sistema MySQL. Marco Teórico ============= Lenguas electrónicas: --------------------- Las lenguas electrónicas son dispositivos que simulan de forma artificial el comportamiento de una lengua humana, por medio de sensores químicos que operan con electrodos, a los cuales se les deposita una enzima para detectar una solución; este proceso junto con el análisis de las muestras clasifica estos valores para obtener ciertos parámetros fisicoquímicos \[2\] \[3\]. Para llevar a cabo este proceso, se debe contar con un conjunto de sensores que detecten diferentes rangos de sustancias químicas, una placa que pueda adquirir los datos y procesarlos por medio de un algoritmo estudiado adecuadamente para procesar esta información vía software, este procesamiento se lleva a cabo por redes neuronales artificiales o por métodos estadísticos, dando como resultado un conjunto de datos con valores específicos \[1\]. Realizando una revisión bibliográfica en temas relacionados, encontramos lenguas electrónicas que se usan para diversas finalidades, como el estudio elaborado por la Universidad de Valladolid donde se investigó una lengua capaz de analizar los productos lácteos \[4\], esto nos permite entender y analizar diversas formas de catalogar y la información obtenida por la lengua usando sensores. Sensores -------- Un sensor es un dispositivo con la capacidad de detectar un cambio físico en el entorno, generando una señal medible proporcional al cambio efectuado, esta señal por lo regular es eléctrica. Para esta finalidad el sensor consta de 3 partes, la primera es un receptor el cual recoge la información del cambio físico, la segunda parte es un transductor encargado de transformar la señal en una de nuestro interés y la tercera parte en un amplificador, el cual genera un cambio en la señal para que sea más fácil notar los cambios generados \[5\]. Para este proyecto se usaron sensores electroquímicos construidos por el laboratorio de electroquímica del Área Académica de Química de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Estos sensores fueron diseñados para detectar la concentración de sustancias que se analizan con ayuda de las sustancias antes mencionadas. El Biosensores un dispositivo que nos permite el análisis e identificación de un elemento biológico o biomimético, al entrar en contacto el elemento de reconocimiento biológico y un analito, se genera variación de una o varias propiedades fisicoquímicas, la cual entre ellas se encuentra la transferencia de electrones, esta transferencia se detecta gracias a un transductor, el cual cumple la función de biosensor. Los biosensores se clasifican en diferentes grupos basándose en su función: +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **Tipo de interacción** | **Forma de interacción** | +===================================+===================================+ | \*Biocatalítica. | \*Directa.\ | | | \*Indirecta. | | \*Bioafinidad | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **Elemento de reconocimiento** | **Sistema de transducción** | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | \*Enzima | \*Electroquímico. | | | | | \*Orgánulo, tejido o célula. | \*Óptico. | | | | | \*Receptor biológico. | \*Piezoeléctrico. | | | | | \*Anticuerpo. | \*Termométrico. | | | | | \*Ácidos nucleicos. | \*Nanomecánico. | | | | | \*PIM, PNA, aptámero. | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ Para escoger adecuadamente un biosensor se debe tomar en cuenta el tipo de elemento de reconocimiento que se estudiada ya que esto afecta las variaciones fisicoquímicas que ocurrirán. Es deseable que los biosensores cuenten con las siguientes características: \[8\] - Alta sensibilidad. - Alta selectividad. - Alta fiabilidad. - Tiempo de vida largo. - Bajo costo. - Tiempo de análisis corto. - Manejo sencillo. - Portátiles. - Automatizables. Tratamiento de datos -------------------- Para en análisis de la información obtenida por una lengua electrónica, se usan procedimientos matemáticos avanzados con el fin de reconocer patrones y procesar la información de forma adecuada, para esto existen varios métodos como lo son las Redes Neuronales Artificiales (ANN), los Análisis de Componentes Principales (PCA) y la Regresión de mínimos cuadrados parciales (PLS) \[3\] \[9\]. Estos métodos son diferentes a la hora de analizar la información y su uso se recomienda basándose en el tipo de lengua electrónica que se implementara. Basadas en redes neuronales, los cuales realizan algoritmos matemáticos potentes capaces de imitar el proceso de aprendizaje del cerebro humano. Al realizar la combinación de las matemáticas y estos sistemas de medida, se logra imitar un sentido humano. \[3\] Es una técnica de nombre análisis por componentes principales, en la que los datos se proyectan a un espacio de menor dimensión que el original, una de las principales características es que la estructura de correlación de las variables se conserva \[9\] \[10\]. Técnica de análisis multivariable de nombre regresión de mínimos cuadrados, esta técnica tiene como función reducir las variables a un conjunto de componentes más reducido que no tiene correlación entre sí, de esta manera se realiza una regresión de mínimos cuadrados sobre los datos \[9\]. Técnicas electroquímicas de medida para sensores ------------------------------------------------ Existen diversos tipos de lenguas electrónicas, las cuales se diferencian por la forma en la que se analizan los cambios en esta para presentar un resultado \[11\]. 1. Impedimetría. Esta técnica se basa en los cambios en la impedancia en la señal de partida, se analizan las frecuencias de conductividad \[12\]. 2. Voltametría. A diferencia de la técnica anterior, en ésta se basa midiendo la diferencia entre la corriente de un electrodo de referencia y un electrodo de trabajo, en el electrodo de trabajo se produce una reacción de oxidación-reducción. \[13\]. 3. Potenciometría Para esta técnica se tiene que mantener una corriente en cero, ya que al generar un cambio en el potencial eléctrico que se tiene en la superficie del sensor cuando se introduce una disolución con iones presentes \[12\]. 4. Amperometría Esta técnica se maneja basándose en una relación corriente-concentración, esto es por medio de reacciones químicas que permiten el paso de corriente, gracias a sus electrodos. \[4\] MOSFET ------ Los MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Metal Óxido Semiconductor) son la evolución de los transistores JFET, dependiendo de su fabricación y canal, se dividen en dos: NMOS o PMOS \[2\], estos son componentes de 3 terminales, que permiten controlar la corriente que circula entre 2 de sus terminales, esta función permite usarse para varios fines como lo son desde un dispositivo de encendido apagado, hasta el funcionamiento de un microprocesador. Este dispositivo tiene 3 terminales los cuales son: a. Fuente (Source S) b. Drenaje (Drain D) c. Compuerta (Gate G) Transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) ------------------------------------------------------ Este tipo de sensores son normalmente utilizados para determinar especies químicas, estos sensores son una modificación a los transistores conocidos como MOSFET (Transistores de efecto de Campo de Metal Oxido Semiconductor) ya que carecen de la terminal Compuerta y se usan para medir concentraciones de iones en una solución \[2\]. En la ilustración 1 se muestran un MOSFET y un ISFET.  []{#_Toc165240473.anchor}Ilustración 1 Representación MOSFET e ISFET Amplificadores Operacionales ---------------------------- Los amplificadores operacionales son una de las herramientas más usadas en la electrónica actual, ya que posee un bajo costo y es muy fácil de usar, es común mente llamado "opamp", en la ilustración 2 se puede observar el símbolo de un opamp \[14\] \[15\]. Es un dispositivo muy usado actualmente, ya que, por su facilidad de adaptación y variabilidad de usos, se puede agregar para diversos circuitos como lo son: a. Amplificador b. Amplificador Inversor c. Detector de voltaje d. Interruptor e. Comparador f. Sumador g. Convertidor Analógico/Digital h. Amplificador de instrumentación []{#_Toc165240474.anchor}Ilustración 2 Diagrama OPAMP Convertidor Analógico/Digital ----------------------------- Circuito electrónico capaz de convertir una señal eléctrica analógica (voltaje o corriente), en una señal digital, esta conversión se puede lograr de diversas formas, volviendo una variación de voltaje en un valor digital binario que puede ser interpretado o convertido a decimal para ser interpretado en una computadora \[16\]. Para llevar a cabo esta conversión existen diferentes formas como lo son: a. Convertidor A/D flash de dos bits b. Convertidor A/D mediante una rampa de una sola pendiente c. Convertidor A/D de doble pendiente d. Convertidor A/D de red de escalera e. Convertidor A/D por aproximaciones sucesivas El convertidor A/D por aproximaciones sucesivas trabaja comparando la señal de entrada con un rango establecido, el rango dentro del convertidor, se divide en 2 rangos iguales, y se compara la señal de entrada con estos, si la señal de entrada se encuentra dentro del rango de valores más altos, se genera un bit 1, si se encuentra dentro del rango inferior se genera un bit 0, una vez encontrado el rango en el que está la señal de entrada, este rango se divide nuevamente y se compara \[17\].  []{#_Toc165240475.anchor}Ilustración 3 Representación de la comparación de señales en convertidor A/D Tarjeta para adquisición de datos. ---------------------------------- Actualmente existen diversas placas electrónicas con diferentes capacidades que, se usan para el desarrollo de proyectos que involucran a la electrónica junto con la programación, gracias a estas tarjetas se pueden elaborar una infinidad de proyectos que de otra forma requerirían un gran trabajo de diseño y amplios conocimientos de electrónica, para elaborar los circuitos electrónicos que realizarían la función, sin embargo, con estas tarjetas esos proyectos se pueden desarrollar con mayor facilidad y ahorrando tiempo. ### 1.9.1 Arduino UNO Rev3. Tarjeta electrónica de hardware libre, que usa un microcontrolador ATmega328P reprogramable y una serie de terminales (pines) que permiten conexiones con diversos actuadores y sensores, ya que en la placa se tienen diferentes pines E/S, mostrada en la ilustración 4. Arduino posee un entorno de programación multiplataforma, el cual se puede instalar en diversos sistemas operativos y su lenguaje de programación estaba basado en C++ \[18\]. []{#_Toc165240476.anchor}Ilustración 4 Placa Arduino UNO ### 1.9.2 RaspBerry Pi 4 Es una tarjeta electrónica muy versátil y, por sus características, técnicamente es una microcomputadora de tamaño compacto, del tamaño similar a Arduino (ilustración 5), posee un puerto HDMI para poder conectar a un monitor, además de puertos USB para conectar diversos periféricos. Además de poseer diversos puertos es posible la instalación de diversos sistemas operativos en una memoria tipo MicroSD, por lo que al ejecutar el sistema permite usar lenguajes de programación como Scratch o Python \[19\].  []{#_Toc165240477.anchor}Ilustración 5 Placa Raspberry Pi 4 ### 1.9.3 BeagleBone Black Tarjeta de microcomputadora de hardware libre producida por Texas Instruments® (ilustración 6), esta placa permite correr sistemas Linux, Minix FreeBSD, OpenBSD o Symbian, cuenta con entradas analógicas, salida de video, entrada de tarjeta SD, puerto Micro USB, conector de alimentación de 5V, así como puerto USB y 92 terminales entre los cuales están pines entrada analógica, digital, salida digital, puertos PWM, terminales de alimentación de 3.3V y 5V \[20\]. []{#_Toc165240478.anchor}Ilustración 6 Placa BeagleBone Black ### 1.9.4 Tabla Comparativa de las tarjetas electrónicas Arduino, RaspBerry Pi y BeagleBone. Mediante un análisis comparativo de las diversas tarjetas que se pueden usar para la captura de datos, se analizaron las características físicas de estas, pensando en cual podría brindar mayores beneficios, por lo que se obtuvo la tabla 1 comparativa analizando sus características principales \[21\] \[22\]. []{#_Toc165240449.anchor}Tabla 1 Tabla comparativa de Tarjetas **Arduino Uno Rev3** **Raspberry Pi 4** **BeagleBone** ------------------------------ ---------------------------------------------------------- ------------------------------ ------------------------------------------------------------- **Procesador** ATMega328P (Microcontrolador). ARM11. Corteza-A8 ARM®. **Velocidad del procesador** 16 MHz. 700 MHz. 1 GHz. **RAM** 2 kb. 256 Mb. 512 Gb. **Terminales Analógicas** 6. N/A. 7 (1.8 V). **Terminales Digitales** 14 (6 PWM). 8. 26 (3.3 V) (6 PWM). **Memoria** 32 KB Flash (0,5 para bootloader), 2KB RAM y 1KB EEPROM. Ranura para tarjeta microSD. MMC integrado (eMMC) de 4 GB y ranura para tarjeta microSD. **Dev IDE** Arduino tool. IDLE, Scratch, Linux. Python, Scratch, Squeak, Linux. **Red** N/A. Ethernet 10/100. Ethernet 10/100 **Video** N/A. HDMI. microHDMI, complementos de capa. **Audio** N/A. HDMI. microHDMI, complementos de capa. Servidor -------- En el área de la tecnología existen diferentes usos para las computadoras, uno de estos surge al tener que conectarse entre ellas para mejorar resultados y disminuir tiempo en los procesos, surge la necesidad de estandarizar el proceso de comunicación entre las computadoras, para esto se genera una relación conocida como Cliente-Servidor, la cual ayuda a los diferentes dispositivos a tener una comunicación adecuada y responder las peticiones de equipo a equipo \[1\]. Para esto se necesita una computadora o dispositivo que cumpla la función de Servidor, el cual es capaz de atender las peticiones de un cliente, estas pueden ser solamente dar respuesta, hasta él envió de información, los servidores más comunes son: a. Servidor de Base de datos. b. Servidor de archivos. c. Servidor de correo. d. Servidor de impresión. e. Servidor web. f. Servidor de juego. g. Servidor de aplicaciones. Estos son los usos más utilizados actualmente para los servidores, siendo los servidores de base de datos los más frecuentes, ya que permiten el almacenamiento de información relacionada a una entidad, ya sea una persona o un objeto, además de almacenar todo tipo de información relacionada con esta entidad, gracias a esto se puede tener un respaldo de esta información en uno o más servidores y, tener acceso a esta información desde cualquier dispositivo con permisos como cliente. XAMPP ----- Apache un servidor web, si no un software que se ejecuta en un servidor. Su trabajo es establecer una conexión entre un servidor y los navegadores de los visitantes del sitio web (Firefox, Google Chrome, Safari, etc.) mientras envían archivos entre ellos (estructura cliente-servidor). Apache es un software multiplataforma, por lo cual funciona tanto en servidores Unix como en Windows. Apache es altamente personalizable, ya que tiene una estructura basada en módulos. Los módulos les permiten a los administradores del servidor activar y desactivar funcionalidades adicionales. Apache tiene módulos de seguridad, almacenamiento en caché, reescritura de URL, autentificación de contraseña y más. También puedes ajustar tus propias configuraciones del servidor a través de un archivo llamado *htaccess* que es un archivo de configuración de Apache compatible con todos los planes de Hostinger. \[23\] MySQL ----- MySQL es un sistema de gestión de bases de datos relacional desarrollado bajo licencia dual GPL/Licencia comercial por Oracle Corporation, está considerada como la base datos fuente abierta (open source) más popular del mundo y una de las más populares en general junto a Oracle y Microsoft SQL Server, sobre todo para entornos de desarrollo web 17. MySQL fue escrito en C y C++ y destaca por su gran adaptación a diferentes entornos de desarrollo, permitiendo su interactuación con los lenguajes de programación más utilizados como PHP, Perl y Java y su integración en distintos sistemas operativo. Características MySQL: 1. Velocidad. MySQL es rápido. 2. Facilidad de uso. Es un sistema de base de datos de alto rendimiento, pero relativamente simple y es mucho menos complejo de configurar y administrar que sistemas más grandes. 3. Costo. Es gratuito. 4. Capacidad de gestión de lenguajes de consulta. MySQL comprende SQL, el lenguaje elegido para todos los sistemas de bases de datos modernos. 5. Capacidad. Pueden conectarse muchos clientes simultáneamente al servidor. Los clientes pueden utilizar varias bases de datos simultáneamente. Además, está disponible una amplia variedad de interfaces de programación para lenguajes como C, Perl, Java, PHP y Python. 6. Conectividad y seguridad. MySQL está completamente preparado para el trabajo en red y las bases de datos pueden ser accedidas desde cualquier lugar de Internet. Dispone de control de acceso. 7. Portabilidad. MySQL se puede utilizar en una gran cantidad de sistemas Unix diferentes, así como bajo Microsoft Windows. 8. Distribución abierta. Puede obtener y modificar el código fuente de MySQL\[23\]. Estado del Arte =============== Existen diversos estudios y desarrollos enfocados al uso de las lenguas electrónicas, ya que éstas son una herramienta muy útil para en análisis y detección de cambios de concentración de sustancias químicas. Estos estudios son muy diversos en utilidades, desde su uso para el análisis de calidad de algún alimento, la identificación del tipo de sustancias, hasta la medición de concentración de una sustancia \[25\]. Las lenguas electrónicas poseen diversos usos en la actualidad con la finalidad de apoyar a la humanidad en el análisis de sustancias químicas, por lo que podremos dar una larga serie de ejemplos de sus aplicaciones como lo son: el desarrollo hecho por la Universidad de Valladolid realizo una investigación para el desarrollo de una lengua electrónica para el análisis de productos lácteos. Esto con la finalidad de ayudar a áreas industriales para control de calidad de sus productos, este tipo de investigaciones producen dispositivos que ayudan a las industrias a revolucionar los métodos de control de calidad y así las empresas logran mejorar enormemente sus productos, al llevar un análisis más detallado de las sustancias y concentraciones que existen en sus productos \[4\]. El análisis de la concentración de sustancias químicas es muy importante para el área médica, no solamente hablando de las que se encuentran dentro del cuerpo, sino también de las que se encuentran en nuestro entorno como es el caso del desarrollo hecho por el Grupo de investigación GIMENO, el cual, elaboró un proyecto de Lengua Electrónica que se aplicaría en el control de calidad de aguas potables y residuales \[26\], el cual recibió el nombre de TONGUE4wat, y fue financiado por el ministerio de economía y competitividad de la unión Europea. A pesar que las lenguas electrónicas son utilizadas en la actualidad para apoyar la medicina, no son su único uso en el mundo, el análisis de concentración de las sustancias químicas se usan también para el análisis de un producto para así lograr su clasificación, como lo marca un artículo elaborado en Colombia que por medio de una lengua electrónica se busca hacer un catador de café \[27\], en la cual desarrollo una lengua electrónica que permite detectar la diferencia entre diversos cafés que se encuentran en las diversas regiones que se encuentran en el país. Este no es el único caso donde una Universidad, una empresa o un país busca usar las lenguas electrónicas para analizar algún alimento que se elabore en su comunidad y se busque clasificar, como ejemplo se encuentra en Brasil donde se elaboró una lengua capaz de diferenciar vinos, así como investigadores de España que desarrollaron una lengua electrónica con los mismos fines \[28\]. En ambos casos los desarrollos se centraron en vinos, aunque de igual forma se puede centrar en otras bebidas con alcohol como lo es el caso de la Universidad de Colombia donde el desarrollo fue para bebidas alcohólicas a base de miel de abejas \[29\]. El uso comercial de las lenguas actualmente es bastante común alrededor del mundo como es el caso de la lengua desarrollada en España por investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona, la cal es capaz de distinguir entre variedades y marcas de cerveza, logrando un 82% de porcentaje de acierto, por otro lado, este uso comercial no solo es en productos con alcohol, también encontramos casos en los que la lengua electrónica se usa para analizar otros alimentos como es el caso de la leche este análisis se publicó en una revista chilena donde se analiza la leche basándose en tecnología PSoC y Android \[30\]. En la actualidad los estudios hechos basándose en lenguas comerciales o en estudios generados por universidades, generan amplios desarrollos y mejoras en las lenguas electrónicas, ya que cada aportación genera mejoras en la forma en las que estás analizan o diferencian las diversas sustancias que deben detectar. La lengua electrónica suele cambiar con el tiempo y ser mejorada, como es el caso de la lengua desarrollada por el Instituto Farmacéutico de Barboa, la cual fue desarrollada con fines pediátricos, para detectar sabores amargos y desagradables en medicamentos, esta fue basada en dos lenguas comerciales que se encontraban en el mercado, las cuales son la ASTREE de Francia y la SA402B de Japón \[31\]. Este tipo de investigaciones permiten un mayor control en los niveles químicos de los pacientes, por sus respuestas rápidas en dispositivos cómodos, accesibles y no invasivos, esto permite mejorar los tiempos de reacción para diagnosticar o tratar una enfermedad como la diabetes. 3. Metodología de investigación ============================ 1. Enzima ====== Para el desarrollo de este proyecto se llevó a cabo un análisis de las enzimas, que son mutuamente excluyentes con la glucosa, el colesterol y los triglicéridos. Las Enzimas son proteínas que tienen diferentes propiedades, para este proyecto nos enfocaremos en la capacidad que poseen de catalizar con una sustancia, estas enzimas son capaces de ser extremadamente selectivas y reaccionar con sustancias en específico. Como primera enzima se estudió la glucosa oxidada la posee la siguiente reacción: \ [*Glucosa* + *O*~2~ + GO~**x**~ → *ácido* *glucónico*+ *H*~2~*O*~2~]{.math.display}\ La glucosa oxidasa (GOx) es del grupo de enzimas oxidorreductasas \[32\] que, al entrar en contacto con la glucosa se realiza una reacción química y genera peróxido de hidrógeno (H~2~O~2~) \[33\], de esta firma el sensor produce una corriente eléctrica, esta corriente es directamente proporcional a la concentración de glucosa que se encuentra en la muestra. Para la enzima que se usa como catalizador del colesterol, tiene como nombre colesterol oxidasa, la cual requiere la presencia de oxígeno (O~2~) y agua (H~2~O) para reaccionar, este conjunto de elementos genera la siguiente reacción química: \ [*Colesterol* + *O*~2~ + *H*~2~*O* + CO~**x**~ → *Coles* − 4 − *en* − 3 − *ona*+ *H*~2~*O*~2~]{.math.display}\ Este sensor reacciona de manera similar al de la glucosa, ya que al entrar en contacto con el peróxido de hidrógeno genera una corriente eléctrica, la cual es de igual forma directamente proporcional a la concentración del colesterol. \[17\] Pasando a la siguiente enzima que se analizó, tiene como nombre lipasa, esta enzima actúa sobre los triglicéridos por medio de hidrólisis dando la siguiente reacción química \[34\]: \ [*Triglicéridos* + *H*~2~*O* + Lipasa → *Glicerol*+ *Acidos* *Grasos*]{.math.display}\ El estudio de estas enzimas es importante ya que los sensores que se usan en el proyecto reaccionan a las concentraciones del colesterol, los triglicéridos y a la glucosa, en este caso el sensor reacciona al Glicerol. Amplificador Operacional de Instrumentación ------------------------------------------- Una vez obtenida la señal del sensor, se puede observar que esta señal es muy pequeña, por lo que para poder interpretarla, es necesario realizar una amplificación de la misma, para lo que se seleccionó un amplificador operacional de instrumentación, el modelo seleccionado es el AD620 (ilustración 7), el cual es un amplificador de alta precisión y bajo costo, que usa una resistencia externa para establecer el factor de amplificación, este dispositivo puede recibir una señal entre 100 uV \~ 300 mV, tiene una salida máxima de ±10V, posee un rango de amplificación ajustable de 1.5 \~ 1000. \[34\]  []{#_Toc165240479.anchor}Ilustración 7 Amplificador AD620 Para poder trabajar con este dispositivo se llevaron a cabo diversas pruebas con ayuda de una fuente de alimentación TENMA® modelo 72-2080 y multímetros Agilent® Fluke® 87-III, ya que este tipo de componentes se deben calibrar y ajustar a los valores que se requieren, para su correcto funcionamiento y lograr que la señal de salida sea óptima para las necesidades del proyecto. []{#_Toc165240480.anchor}Ilustración 8 Multímetros.  []{#_Toc165240481.anchor}Ilustración 9 Fuente de alimentación TENMA modelo 72-2080. Una vez adquirida la señal de salida del amplificador, se obtiene una señal la cual entra en un rango más adecuado para su interpretación e ingreso dentro del convertidor analógico/digital. Beaglebone Black ---------------- Una vez amplificada la señal se ingresa en una tarjeta Beaglebone, como esta placa cuenta con 7 entradas analógicas las cuales toleran hasta 1.8 V, estas entradas están conectadas a un convertidor analógico/digital de aproximaciones sucesivas, el cual nos permite interpretar la señal eléctrica que ingresa y transformarla en un valor numérico, con el cual podemos trabajar. El convertidor de la Beaglebone realiza este proceso 8 veces acercando la señal del convertidor lo más posible a nuestra señal de entrada, generando un valor de 8 bits, siendo el bit 7 el más significativo y el bit 0 el menos significativo. Esta serie de bits se pueden convertir en un valor numérico con el que podemos trabajar. []{#_Toc165240482.anchor}Ilustración 9 Representación de la comparación de señales en convertidor A/D Este proceso electrónico se lleva a cabo por medio la electrónica interna de la Beaglebone, empezando desde un circuito de nombre Lógica SAR, el cual es el encargado de determinar y dividir el rango de la señal con la que se compara nuestra señal de entrada, este circuito genera una señal digital, que a su vez pasa a un convertidor digital analógico, esto se debe a que las señales que necesitamos comprar son señales analógicas, una vez que la señal que sale del convertidor D/A y la señal de entrada son comparadas, pasan nuevamente al circuito de la lógica SAR para determinar el siguiente rango a determinar.  []{#_Toc165240483.anchor}Ilustración 10 Diagrama electrónico del convertidor A/D Desarrollo ---------- Circuito de control de toma de muestras --------------------------------------- Para poder mantener un control sobre la toma de muestras se diseñó un pequeño control en un protoboard, como inicio se diseñó el control en el software de diseño electrónico NI Multisim® 14.2, este software nos permite elaborar diseños electrónicos en los cuales podemos generar diagramas esquemáticos de circuitos electrónicos y realizar la simulación de como trabajarán los componentes, antes de realizarlos de manera física, en la ilustración 11 se puede observar el diseño esquemático del circuitos de control y, funciona de la siguiente manera, el control consta de 5 Leds que indican el estado del proceso en el que se encuentra: 1. El primer led de color rojo indica un estado de espera. 2. El segundo led de color verde, se enciente al presionar el primer botón, este led indica el inicio del proceso de captura de señal, este da un lapso de 10 segundos para que el usuario ingrese el sensor dentro de la muestra y la BeagleBoard capture la señal del amplificador, esto es para recibir la muestra de colesterol, al terminar el tiempo se procesa la información recibida y se hace un intento de envió del resultado a la base de datos, en caso de no tener conexión a internet, realiza un almacenamiento en memoria, al finalizar se apaga el segundo Led. 3. El tercer led se enciende al usar el Botón número 2, el cual hace un proceso similar al punto anterior, pero este se usa para la muestra de triglicéridos. 4. El cuarto led se enciende al usar el Botón número 3, repitiendo el proceso para la muestra de Glucosa. 5. El quinto led se enciende al usar el Botón número 4, este ocupa si al realizar un proceso anterior, no se contaba con conexión a internet, al seleccionar esta opción se realiza un proceso de envío de información almacenada en memoria a la Base de datos. []{#_Toc165240484.anchor}Ilustración 11 Diagrama esquemático del control de toma de muestras en NI Multisim®. Una vez realizadas las pruebas del funcionamiento del circuito de control de la toma de muestras, se realiza el prototipo en una protoboard, esta proto consta de 5 leds los cuales nos indica el estado en el que se encuentra el programa dentro de la Beaglebone Black, también cuenta con 5 botones, los cuales activan las diferentes partes del programa y nos permite mantener un control sobre la toma de muestra de nuestro proyecto. En la ilustración 12 se muestra el prototipo en la protoboard, además, en la tabla 2 podemos observar los diferentes estados y funciones de los componentes.  []{#_Toc165240485.anchor}Ilustración 12 Protoboard control de toma de muestras []{#_Toc165240450.anchor}Tabla 2 Código de leds del circuito de control LED Indicador Botón Actividad ---------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------- ------------------------------------------------------------------------------------------- Rojo. En espera de presionar algún botón. Botón 1. Activa la toma de muestra del Colesterol. Verde 1. Se enciende por 10 segundos para la toma de muestra del Colesterol. Botón 2. Activa la toma de muestra de los Triglicéridos. Verde 2. Se enciende por 10 segundos para la toma de muestra de los Triglicéridos. Botón 3. Activa la toma de muestra de la Glucosa. Verde 3. Se enciende por 10 segundos para la toma de muestra de la Glucosa. Botón 4. Activa la función de subir a la nube los datos almacenados dentro de la Beaglebone Black. Verde 4. Indica que la función de subir a la nube los datos almacenados dentro de la Beaglebone Black esta activa. Botón 5. Cierra el programa de toma de muestra. ### Programación La tarjeta Beaglebone Black, tiene la capacidad de soportar un Sistema Operativo Embebido, lo cual permite tener un entorno de trabajo programable, por lo que en diferentes lenguajes de programación podemos elaborar rutinas que dan la capacidad de activar diferentes entradas, leer su contenido y procesarlo, para este proyecto se instaló una versión embebida del Sistema Operativo Debian, que pertenece a la distribución de Linux, bajo este Sistema Operativo, se programó a rutina de captura de información en Python. Estás rutinas permiten activar las entradas analógicas de la Beaglebone y leer las diferentes señales que pueden entrar por esta. []{#_Toc165240486.anchor}Ilustración 13 Código fuente dentro de BB AI En el periodo de prueba, se realizaron ejercicios donde con ayuda de un potenciómetro (ilustración 14), se comprobó la precisión del convertidor analógico/digital, el cual arrojo en pantalla el valor de la señal eléctrica que entraba en la BB AI y se comparó con la señal medido por medio de un multímetro.  []{#_Toc165240487.anchor}Ilustración 14 Pruebas con potenciómetro Esta rutina se complementa agregando en el programa, una función la cual nos permite almacenar esta información, con ayuda de una fórmula matemática, se transforma en un valor que será interpretado como la medición de concentración del colesterol, los triglicéridos y la glucosa. Para esto se analizó los rangos de valores, que se pueden presentar en el cuerpo humano. Estos niveles ayudan a Una vez obtenida esta información, se agrega una función más, la cual nos permite almacenar esta información en una Base de datos, en la cual se irá almacenando. Base de datos ------------- Para el almacenamiento web de este proyecto, se desarrolló una base de datos en MySQL, la cual es un gestor de base de datos, licenciado por Oracle, que permite tener un servidor local en el cual se puede almacenar una base de datos y registrar los diversos valores que salen de la lengua electrónica. Para lograr este almacenamiento se usó la plataforma XAMPP, la cual permite generar un espacio de almacenamiento web, en el cual podemos almacenar tanto páginas web como bases de datos, en la ilustración 15 se puede observar la ventana de XAMPP. []{#_Toc165240488.anchor}Ilustración 15 Ventana XAMPP Este almacenamiento genera diversas ventajas, como que se pueda tener esta información en una nube dentro de la web, gracias a esto se puede acceder a esta información desde diversos dispositivos siempre y cuando tengan acceso a internet. Para el controlar estos accesos dentro de la base de datos se generó una tabla, en la opción phpMyAdmin mostrada en la ilustración 16 donde se podrán registrar los datos del proyecto, una vez registrados se podrá acceder a la información de diversas muestras que estén ligadas a este registro.  []{#_Toc165240489.anchor}Ilustración 16 Ventana de phpMyAdmin []{#_Toc165240451.anchor}Para el almacenamiento de las muestras que se reciben, se generó una tabla especial la cual registrara el valor de la muestra, así como el tipo de muestra que recibe, una vez almacenada, se asigna a un usuario previamente registrado para enlazar las muestras. El diseño de las tablas 3 Mysql tabla login, tabla 4 Mysql tabla muestra y tabla 5 Mysql tabla usuario, se desglosa a continuación especificando cada uno de los campos: []{#_Toc165240311.anchor}Estructura de la tabla login: []{#_Toc165240452.anchor}Tabla 3 Mysql tabla login Columna Tipo Nulo Predeterminado Comentarios ----------- ------------- ------ ---------------- ----------------------------- Id\_login int(11) No Identificador de Login Usuario varchar(10) No Nombre de usuario de Login Clave varchar(8) No Contraseña del Login Correo varchar(30) Sí NULL Correo del usuario en Login []{#_Toc165240312.anchor}Estructura de tabla para la tabla muestra []{#_Toc165240453.anchor}Tabla 4 Mysql tabla muestra Columna Tipo Nulo Predeterminado Comentarios -------------- ----------- ------ ---------------------- ------------------------------------------ Id\_Muestra int(11) No Identificador de tabla muestra Id\_Usuario int(11) No identificador foraneo tabla muestra TipoMuestra int(11) No Tipo de muestra que se almacena ValorMuestra int(11) No Valor de la muestra convertido a digital Fecha timestamp No current\_timestamp() Fecha de toma de muestra []{#_Toc165240313.anchor}Estructura de tabla para la tabla usuario []{#_Toc165240454.anchor}Tabla 5 Mysql tabla usuario Columna Tipo Nulo Predeterminado Comentarios ------------- ------------- ------ ---------------- ---------------------------------- Id\_Usuario int(11) No Identificador tabla usuario Id\_login int(11) No Nombre varchar(15) No nombre real del usuario ApellidoP varchar(15) No apellido paterno del usuario ApellidoM varchar(15) No Apellido materno del usuario Fecha date Sí NULL Fecha de nacimiento de usuario Direccion varchar(50) No Calle de vivienda del usuario Colonia varchar(50) No Colonia donde vive el usuario Estado varchar(50) No Estado donde vive el usuario Telefono varchar(14) Sí NULL Teléfono de contacto del usuario Correo varchar(50) Sí NULL Página web ---------- Posteriormente, se desarrolló de una página web a la cual se tiene acceso con un registro previo en la base de datos del sistema, por lo que se debe llenar el formulario de registro de la ilustración 17, el cual valida que sea introducida la información requerida, así como una confirmación de contraseña para poder almacenar esta información y así poder realizar el login. []{#_Toc165240490.anchor}Ilustración 17 Ventana de Registro Para que la información de acceso será válida, se debe estar registrado en la base de datos del sistema, por lo que se debe registrar llenando el formulario de registro de la ilustración 19, el cual valida que sea introducida la información requerida, así como una confirmación de contraseña para poder almacenar esta información y así poder realizar el login. Una vez registrado el usuario se muestra una ventana de acceso (login) se muestra en la ilustración 18, que permita llevar a cabo una visualización de la información, para poder acceder a esta información es necesario completar los datos en un formulario de login colocando un correo y contraseña.  []{#_Toc165240491.anchor}Ilustración 18 Ventana de Login Una vez se accede al sistema se muestra una página de inicio (ilustración 19), la cual genera un menú del lado izquierdo, otro menú en la parte superior de la página, y como cuerpo de la página se muestra los créditos de la persona que desarrollo el proyecto. []{#_Toc165240492.anchor}Ilustración 19 Página principal La ilustración 20 muestra que, la página web tiene una barra lateral la cual se compone de un primer icono de 3 barras laterales, es icono sirve para esconder la barra lateral, seguido por un botón que dice "Registro Paciente" el cual lleva a un formulario de registro de sub usuario, la opción "Lista de Pacientes", el tercer botón muestra una lista de sub usuarios y por último el botón de \"Salir".  []{#_Toc165240493.anchor}Ilustración 20 Menú superior En la parte izquierda se despliega un menú (ilustración 21), en donde para empezar viene un primer logo con el texto "Lengua electrónica", la cual es un link a esta misma página principal, como segunda opción viene el nombre de usuario quien inicio sección. La última parte del menú da las opciones para poder ver la información, la opción que dice "Valor actual" muestra los últimos valores registrados por sub usuario, quien puede ser el paciente o un médico; la tabla de valores mostrará el historial registrado por sub usuario y por último la opción gráfica muestra igualmente el histórico, pero de forma gráfica. []{#_Toc165240494.anchor}Ilustración 21 Menú lateral Si se selecciona en el menú la opción de valor actual, se muestra una casilla que tiene una lista desplegable, la cual se conecta a la base de datos y nos da una lista de pacientes o sub usuarios registrados al usuario principal que inicio sesión; en caso de no haber registros a nombre del paciente se muestra una leyenda que dice no se encuentran valores registrados, en caso contrario mostrará los últimos valores almacenados de colesterol, triglicéridos y glucosa (ilustración 22), registrados a nombre del paciente, se puede cambiar de paciente, seleccionando en la lista desplegable y dándole clic en el botón de consultar.  []{#_Toc165240495.anchor}Ilustración 22 Página de última muestra Bajo el botón se puede encontrar una referencia de colores, los cuales nos indican los colores que se mostraran dependiendo del nivel de la sustancia química que se muestra, por medio de la tabla 6, se puede observar los niveles que se pueden presentar durante el análisis y en el rango en el que se pueden encontrar. []{#_Toc165240455.anchor}Tabla 6 Niveles de sustancias químicas en el cuerpo **Normal** **Medio** **Alto** --------------- ----------------- ------------------ --------------- Colesterol \< 200 mg/dl 200 -- 239 mg/dl 240 mg/dl \< Triglicéridos \< 150 mg/dl 151 -- 199 mg/dl 200 mg/dl \< Glucosa 90 -- 120 mg/dl 120 a 160 mg/dl 160-240 mg/dl Para el caso de la ventana "Tabla de valores", se muestra una ventana similar a la anterior (ilustración 23), con la diferencia es que además de poder seleccionar al paciente que se desea observar su histórico, nos da la opción de escoger 1 de 4 radio botón que aparecen, para seleccionar la forma en la que se mostrara la información, si se selecciona el primer radio botón se mostrara el histórico de todas las muestras, si se selecciona el segundo radio botón la página mostrara el histórico solamente de las muestras de colesterol, el tercer radio botón mostrara las muestras de triglicéridos y el ultimo radio botón mostrara las muestras de glucosa. []{#_Toc165240496.anchor}Ilustración 23 Filtro de selección Una vez seleccionado el paciente y el tipo de información que se desea mostrar, se presiona el botón para desplegar la información que se desea, para este caso de muestra la opción glucosa (ilustración 24).  []{#_Toc165240497.anchor}Ilustración 24 Página de histórico La última opción del menú desplegable es la opción de "Gráfica" mostrada en la ilustración 25, con la cual podemos observar la misma información que se muestra en la página anterior, con la diferencia que se muestra de forma gráfica para facilitar su observación e interpretación, esto una vez seleccionado el paciente y la muestra que deseemos observar. Esta gráfica además de mostrar los cambios que se han efectuado en el tiempo, muestra 2 líneas que muestran cuando se pasa de un rango normal a un rango medio o alto, el primer rango muestra una línea amarrilla y el segundo una línea roja. []{#_Toc165240498.anchor}Ilustración 25 Página histórico en gráfica Regresando al menú superior, la primera opción que se da es la de registrar un nuevo paciente (ilustración 26), esto quiere decir que un usuario registrado puede dar de alta y llevar el histórico de diferentes personas, esto facilitará el trabajo del personal dedicado a la salud, ya que permitirá llevar el control de sus pacientes.  []{#_Toc165240499.anchor}Ilustración 26 Registro nuevo paciente La siguiente opción del menú es la opción de "Lista de pacientes" (Ilustración 27), nos permite desplegar una lista de todos los pacientes registrados bajo el régimen del usuario principal, esta tabla nos despliega los datos básicos del paciente, así como dos botones de opción, en el cual el primero te permite modificar los datos del paciente seleccionado, y el segundo elimina por completo el registro del paciente, así como los registros de sus muestras almacenadas en la base de datos. []{#_Toc165240500.anchor}Ilustración 27 Lista de pacientes La última opción del menú superior es la opción de "Salir" la cual es un log out al sistema y regresa a la página de inicio de sesión. Como se puede observar, el sistema tiene la capacidad de adquirir la señal eléctrica amplificarla, codificarla y transformarla en un valor digital, el cual puede ser mostrado en cualquier dispositivo conectado a internet, con el apoyo de una página web y una base de datos en la nube, con esto se concluye el proyecto para habilitar el biosensor que registra los niveles de colesterol, triglicéridos y glucosa. Aportación esperada =================== Al elaborar esta investigación, se busca generar un dispositivo capaz de interpretar de los niveles de concentración de glucosa, colesterol y triglicéridos encontrados en el cuerpo y almacenarlos dentro de una nube, lo que permitirá crear un expediente virtual, el cual puede ser enlazado con el desarrollo de otros dispositivos que complementen información relacionada con la salud. Este expediente virtual es importante ya que da acceso a información sobre la salud de pacientes que puedan padecer ciertas enfermedades, y el personal enfocado en la salud, podría mejorar sus tiempos de reacción en tratamientos o detección de enfermedades, al tener un dispositivo que permite actualizar esta información en tiempo real, sin necesidad de traslados o tiempos de espera de laboratorios. Conclusión ========== En el presente estudio se ha explorado el desarrollo de una lengua electrónica capaz de detectar niveles de colesterol, triglicéridos y glucosa, así como su análisis y despliegue de información en una página web, lo que representan un avance en el campo de la tecnología. A lo largo de este proyecto, se han realizado experimentos exhaustivos para probar la viabilidad y la precisión de esta herramienta, y se han obtenido varios hallazgos importantes: Precisión: Los resultados de nuestros experimentos demuestran que este proyecto presenta una lengua electrónica que permite un análisis minucioso en la detección de niveles de colesterol, triglicéridos y glucosa en muestras químicas. Esto se logra gracias a que es posible calibrar el dispositivo de recepción que toma señal eléctrica que emite el sensor, logrando amplificar adecuadamente la señal para su correcta conversión a digital. Eficiencia: La lengua electrónica muestra una capacidad para realizar mediciones de forma rápida y segura, lo que la convierte en una herramienta prometedora, además de contar con sistemas de monitoreo continuo de colesterol, triglicéridos y glucosa. Desafíos: A pesar de los resultados prometedores, existen desafíos técnicos que deben abordarse antes de que la lengua electrónica pueda ser implementada a pruebas clínicas. Es necesario continuar investigando y refinando esta tecnología, así como explorar formas de mejorar su estabilidad, portabilidad y accesibilidad. En resumen, este estudio ha demostrado el potencial de la lengua electrónica como una herramienta para la detección de colesterol, triglicéridos y glucosa. Si se superan los desafíos técnicos y se lleva a cabo una implementación exitosa, esta tecnología podría tener un impacto significativo en el monitoreo de las sustancias antes mencionadas. Este proyecto es un ejemplo de cómo el trabajo conjunto de diferentes ciencias como la química, la electrónica y la computación, dan como resultado un dispositivo que puede ayudar a la sociedad para mejorar su calidad de vida, así como generar las bases para trabajos futuros que buscan el mismo fin. Discusión ========= A lo largo de este proyecto, se desarrolló un análisis de cómo trabajan las enzimas que reaccionan a la colesterol, triglicéridos y glucosa, con la finalidad de entender como funcionarían al entrar en contacto con la sangre humana. Para este proyecto no se realizaron pruebas de sangre ya que para este tipo de análisis de requiere tanto equipo especializado como apoyo de una persona capacitada en ambientes clínicos para la toma correcta de muestras y análisis de estas sustancias. También se realizó un análisis de los trabajos existentes referente a las lenguas electrónicas, lo que permitió un entendimiento de los usos y trabajos realizados alrededor del mundo. Esto permitió entender las variantes de lenguas electrónicas que existen, así como su relación con los sensores usados en diferentes casos. Una vez analizados los casos, se entendió que es importante el proceso de control y caracterización de los sensores, por lo que se desarrollaron diferentes módulos para transformar, controlar e interpretar los valores arrojados por los sensores, esto con el fin de lograr una adquisición de datos controlada, y así ser enviada y almacenada a una Base de datos en MySQL. Una vez logrado el almacenamiento en un servidor, esta información puede ser consultada numéricamente o gráficamente, para su interpretación y análisis. Trabajos Futuros ================ En la actualidad la tecnología está en constante cambio y actualización, por lo que este proyecto abre las puertas a diversos proyectos en busca de agregar, cambiar o actualizar este dispositivo, algunos ejemplos serian: 1. Incrementar los usos, al ser un dispositivo que permite el agregar sensores y la calibración de este, es posible incrementar el número de sustancias que es capaz de cuantificar, así como de mostrar resultados en la página web. 2. Reducción de tamaño, al ser un proyecto basado en un sistema de código abierto, es posible buscar un dispositivo que posea características similares para el procesamiento de este código, pero de un menor tamaño, lo que permitiría una reducción de su tamaño. 3. Elaborar un dispositivo más manejable e independiente, al usar un dispositivo comercial como la BeagleBoard, se pueden agregar distintos periféricos de esta familia de procesadores e incrementar sus capacidades, como por ejemplo pantallas o sensores. Este proyecto permite el crecimiento y mejora de este dispositivo para adentrarse en una etapa más avanzada, logrando un dispositivo que se actualice y mejore a las necesidades de una sociedad. Referencias =========== -- -- -- -- \[1\] O. Tovar Tovar, «Desarrollo de Software de aplicación para despliegue de información de una lengua electrónica. Tesis. Ing. Elec.,» Tesis Ing. en Electrónica y Telelecomunicaciones, UAEH., Pachuca, Hidalgo, México, 2021.\[2\] J. M. Samperio Contreras, «Diseño de un biosensor basado en Transistores ISFET, para su aplicación en una lengua electrónica. Tesis. Lic. Ing. Elec.,» Tesis Ing. en Electrónica y Telelecomunicaciones, UAEH., Pachuca, Hidalgo, México, 2020.\[3\] M. Del Valle, «Sensor Arrays and Electronic Tongue Systems,» *International Journal of Electrochemistry,* vol. 2012, p. 11, 2012. \[4\] Á. Gonzáles López, Desarrollo de una Lengua Electrónica Impedimétrica para el Análisis de Productos Lácteos, Valladolid, 2021. \[5\] R. Pallás-Areny y J. G. Webster, Sensors and Signal Conditioning, Canada: Wiley-Interscience, 2012. \[6\] M. G.-V. C. A. Hernández-Cruz y J. L. 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Anexo Códigos ============= Lectura de señal y control: []{#_Toc165241162.anchor}Código 1 Programa en Python para BeagleBone +-----------------------------------------------------------------------+ | import Adafruit\_BBIO.GPIO as GPIO | | | | import Adafruit\_BBIO.ADC as ADC | | | | ADC.setup() | | | | from time import sleep | | | | from datetime import datetime | | | | ledR=\"P9\_12\" | | | | ledG1=\"P9\_11\" | | | | ledG2=\"P9\_13\" | | | | ledG3=\"P9\_15\" | | | | ledA=\"P9\_17\" | | | | bot1=\"P9\_23\" | | | | bot2=\"P9\_24\" | | | | bot3=\"P9\_27\" | | | | bot4=\"P9\_41\" | | | | entA=\"P9\_39\" | | | | GPIO.setup(bot1,GPIO.IN) | | | | GPIO.setup(bot2,GPIO.IN) | | | | GPIO.setup(bot3,GPIO.IN) | | | | GPIO.setup(bot4,GPIO.IN) | | | | GPIO.setup(ledR,GPIO.OUT) | | | | GPIO.setup(ledG1,GPIO.OUT) | | | | GPIO.setup(ledG2,GPIO.OUT) | | | | GPIO.setup(ledG3,GPIO.OUT) | | | | GPIO.setup(ledA,GPIO.OUT) | | | | var=0.0 | | | | val=0.0 | | | | GPIO.output(ledR,GPIO.HIGH) | | | | GPIO.output(ledG1,GPIO.LOW) | | | | GPIO.output(ledG2,GPIO.LOW) | | | | GPIO.output(ledG3,GPIO.LOW) | | | | GPIO.output(ledA,GPIO.LOW) | | | | while(1): | | | | if GPIO.input(bot1): | | | | print \"Boton 1 precionado\" | | | | GPIO.output(ledR,GPIO.LOW) | | | | GPIO.output(ledG1,GPIO.HIGH) | | | | cont=0 | | | | while cont\