3.11. Pruebas de comunicación mediante módulo GSM
3.11.5 Comunicación con módulo GSM parte 5
Este último sketch permite enviar un mensaje SMS con un número aleatorio generado en el programa, este número está comprendido entre 0 y 99.
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En la Figura 3.32 se observa nuevamente la conexión del módulo GSM con la red Telcel, posteriormente se ingresa el número celular y se muestra el número aleatorio resultante que contendrá el mensaje de texto.
De esta manera se demuestra la capacidad del módulo GSM en funciones básicas como enviar mensajes de texto y enlazar llamadas. De igual manera es posible recibir un mensaje de texto o una llamada y por medio de éste, pedir un dato o controlar un dispositivo, por ejemplo, prender un led.
En la Figura 3.33 se muestra una captura de pantalla del teléfono móvil en el cual se recibe el mensaje de texto con el número aleatorio obtenido.
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Aplicación del Sistema
Los prototipos desarrollados dentro de la robótica de exploración permiten realizar tareas en lugares que pueden resultar hostiles para el ser humano debido al entorno que presentan como: lugares estrechos, de condiciones ambientales extremas etc., además el prototipo robótico debe tener la capacidad de brindar información del entorno donde se encuentra. El robot propuesto en el presente trabajo puede utilizarse como un vehículo de exploración debido a las características que posee como son:
Recibir y ejecutar instrucciones de usuario.
Capacidad de introducirse en lugares confinados
Poseer una comunicación inalámbrica para mayor flexibilidad.
Determinar las características del entorno y darlas a conocer al usuario para una adecuada toma de decisiones.
Tener un movimiento continuo y la posibilidad de cambiar de dirección cuando el usuario así lo desee.
Se realizó un simulacro bajo condiciones controladas en una casa particular con el fin de demostrar una aplicación real. En este simulacro se presenta una fuga de gas LP en la casa, el robot es puesto a prueba de la siguiente manera:
1. Se enciende el robot para inicializar el sistema y la comunicación con el ordenador.
2. A través de una línea de vista directa del robot, se controla para que avance hacia el lugar donde se considera que está presente la fuga como se observa en la Figura 4.1.
3. Dentro de la habitación de cocina (Figura 4.2) se realiza la medición de la concentración de gas a través del sensor, ingresando el comando correspondiente y obteniendo los resultados de la Figura 4.3.
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Figura 4.1. Desplazamiento del robot al lugar de la fuga
Se obtiene una lectura de 157 PPM (Partículas por Millón) que nos indica un índice nulo de concentración de gas LP en ese lugar y no hay ningún riesgo de explosión. El índice de explosividad configurado para que el sistema emita una alarma debe ser mayor a 500 PPM, superando este valor tenemos un riesgo de explosión por acumulación de gas si se presentarse alguna fuente de ignición.
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Figura 4.3. Concentración de gas en la primera habitación.
4. Debido a que en el primer lugar monitoreado no se detectó presencia de gas LP, se dirige al robot explorador hacia el segundo lugar posible de la fuga (Figura 4.4).
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Al posicionar el robot en el lugar se monitorea la concentración de gas obteniendo los resultados de la Figura 4.5. La concentración de gas es mayor a 550 PPM indicando la existencia de un alto riesgo de explosión. Con la información recopilada se procede a realizar las acciones necesarias para contener la fuga antes de presentarse un problema mayor.
Figura 4.5. Concentración de gas en el lugar de la fuga.
Se omite el envío de mensaje SMS durante el proceso ya que en el ordenador podemos observar los datos obtenidos así como la alerta correspondiente. En base a los resultados obtenidos, el robot cumple con su objetivo y se procede a su apagado dando por terminado el simulacro.
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CONCLUSIONES Y
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CONCLUSIÓN
Es posible construir un sistema robótico de seguridad con capacidad de acceder a lugares confinados a fin de recopilar y transmitir datos del ambiente por medio de comunicación inalámbrica en redes WPAN y telefonía celular.
El propósito de este sistema de comunicación móvil es prestar servicios entre estaciones móviles y fijas, o entre dos estaciones móviles, garantizando una interacción continua entre el usuario y el sistema que proporciona información en tiempo real sobre las condiciones del ambiente para una adecuada toma de decisiones.
Al estar basado en el estándar IEEE 802.15.4 posee una gran flexibilidad de implementación en diversas topologías de red, así como un bajo consumo de potencia permitiendo una rápida transmisión de datos y mínima interferencia operando en la banda libre de los 2.4 GHz que emplea la tecnología Wi-Fi.
Los dos módulos Xbee empleados en el sistema en configuración punto a punto operan de manera eficiente hasta 20m de distancia entre obstáculos y 92m en un espacio libre de condiciones adecuadas, presentando interferencia y latencia a distancias mayores. La implementación del módulo GSM permite alcanzar mayores distancias al poseer la capacidad de comunicación celular para enviar y recibir mensajes SMS y realizar llamadas de voz con cualquier usuario de telefonía móvil o fija mientras el sistema se encuentre dentro del área de cobertura; esto permite la operación del sistema sin necesidad de mantenerse dentro de un área limitada, ya que las alarmas y notificaciones se reciben en cualquier lugar y hora manteniendo el sistema en reposo y monitoreo constante. Los sensores resultan ser eficientes para aplicaciones de tipo general permitiendo una gran flexibilidad en el establecimiento de umbrales de operación, ya que se puede configurar el sistema para emitir una alarma a partir de cualquier nivel de concentración de partículas de gas en el ambiente, grados de temperatura e incluso nivel de luminosidad. En este caso la alarma se activa únicamente al detectar una concentración de gas igual o superior a las 550 PPM que es suficiente para provocar una explosión si existe una fuente de ignición, esta notificación puede ser enviada vía SMS a cualquier dispositivo celular o directamente a la computadora.
Al existir distintos métodos de transmisión inalámbrica es necesario seleccionar el más adecuado para el sistema que se emplea con el fin de preservar la seguridad ambiental y por lo tanto salvaguardar la vida humana.
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RECOMENDACIONES
El sistema no pretende quitar el puesto a robots más sofisticados ya que no está diseñado para llevar a cabo operaciones que exijan elevadas potencias y complicados algoritmos. Está destinado a resolver tareas pequeñas como detectar o buscar elementos concretos, transportar piezas pequeñas y con ello vigilar y supervisar las condiciones del ambiente tomando datos para enviarlos de manera inalámbrica a la persona que lo manipula desde su computador.
Se considera que una medida primaria de protección preventiva contra una explosión no sólo es evitar la presencia de una fuente de ignición, sino prevenir la formación de una atmosfera potencialmente explosiva. Por lo cual se recomienda la adaptación de un sensor de mayor rendimiento como sensores infrarrojos que podrían ser usados para detectar fugas a mayor distancia y de igual forma cumplen con los requisitos de seguridad estandarizados y certificados para ello. Así mismo se puede adaptar una gran variedad de sensores para medir las variables ambientales que se adecuen a las necesidades de los operadores; así mismo mejorar los grados de libertad de movimiento del robot, anexando extremidades y/o ruedas para desplazamiento.
Por medio de una cámara digital de video se ayudaría al operador a manipular el sistema sin la necesidad de tenerlo en línea de vista directa, con la finalidad de librar obstáculos con mayor facilidad, a la vez que permite identificar otras condiciones presentes en el ambiente
Respetando el estándar IEEE 802.15.4 se puede mejorar la comunicación al sustituir los módulos Xbee por un modelo de la serie 2 que permiten mayor alcance de comunicación con un rango de distancia de aproximadamente1.5 Km.
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Características Físicas de Arduino Mega 2560 y
Compatibilidad de Shield’s
La longitud y amplitud máxima de la placa Mega2560 es de 4 y 2.1 pulgadas respectivamente, con el conector USB y la conexión de alimentación sobresaliendo de estas dimensiones. Tres agujeros para fijación con tornillos permiten colocar la placa en superficies y cajas.
El Mega está diseñado para ser compatible con la mayoría de Shield’s diseñados para el Arduino UNO, Diecimila o Duemilanove. Los pines digitales de 0 a 13 (y los pines VCC y GND adyacentes), las entradas analógicas de 0 a 5, los conectores de alimentación y lo conectores están todos ubicados en posiciones equivalentes.
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Resumen de Características de Arduino Mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje de Operación 5V
Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V Voltaje de entrada (límite) 6-20V
Pines Digitales I/O 54 (14 con salida PWM) Pines de entrada analógica 16
Intensidad de corriente directa por pin 40mA Intensidad de corriente en pin 3.3V 50mA
Memoria Flash 256KB (8KB para gestor bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 8KB
Velocidad de reloj 16MHz
Arduino recibió una Mención Honorífica en la sección Digital Communities de la edición del 2006 del Arts Electronics Prix. El equipo Arduino (Arduino team) está conformado por: Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, y David Mellis.
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Módulos Xbee Serie 1
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Características Físicas de los Módulos Xbee Serie 1
Figura A.2. Vista Superior del Xbee
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Figura A.4. Vista Inferior del Xbee
Figura A.5.Vista Lateral Frontal del Xbee
Xbee Explorer USB
La placa Xbee Explorer permite la conexión de los módulos directamente con la computadora por medio del puerto USB y facilita su configuración, funciona con todos los modelos de la serie 1 y 2.5.
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Figura A.6. Dimensiones de la placa Xbee USB
Características del Módulo GSM Cellular Shield SM5100B
Rango de Temperatura: -10-55°C (en operación), -40-85°C (almacenado)
Conexión: 60 pines
Alimentación: VBAT: 3.3V a 4.2V, 3.6V nominal
Consumo:
Off mode: <100uA. Sleepmode: <2.0mA.
Idle mode: <7.0mA (promedio).
Modo Comunicación: 350 mA (promedio, GSM).
Modo Comunicación: 2A (Pico típico durante TX, GSM).
Bandas de frecuencia: EGSM900, GSM850, DCS1800, PCS1900.
Poder de transmisión:
Clase 4 (2W) para EGSM900/GSM850. Clase 1 (1W) para DCS1800/PCS1900.
Tarjeta SIM soportada: 3V/1.8V SIM. (auto-reconocimiento).
Teclado 4x6 disponible.
Interfaz UART0 con control de flujo, hasta 460kbps.
Interfaz UART1 sin control de flujo, interface de dos vías, hasta 460kbps.
Interfaz LCD disponible, sobre SPI.
Dimensiones:
35.0 x 39.0 x 2.9mm.
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Figura A.7. Dimensiones de la placa GSM CellularShield
Características del Sensor de Temperatura TMP102
Empaque pequeño SOT563.
Precisión: 0.5°C (–25°C a +85°C).
Corriente:
o 10μA Activo (max.) o 1µA Cierre (max).
Rango de suministro: 1.4V a 3.6V.
Resolución: 12 Bits.
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Figura A.8. Sensor TMP 102
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Características del Sensor de Luminosidad TEMT 6000
• Adaptado a la capacidad de respuesta del ojo humano. • Amplio ángulo de media sensibilidad ϕ = ± 60°.
• Encapsulado estilo SMD en tecnología PCB.
• Apto para la soldadura de reflujo IR.
• Libre de plomo.
• Componente de acuerdo a la norma RoHS 2002/95/EC y WEEE 2002/96/EC
Figura A.10. Encapsulado TEMT 6000
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Características del Sensor de Gas LP MQ-6
Alta sensibilidad al GLP, iso-butano y propano.
Baja sensibilidad al alcohol y humo.
Respuesta rápida.
Estable y de larga duración.
Circuito de control simple.
Figura A.13. Dimensiones del sensor MQ-6
Ajuste de Sensibilidad
El valor de la resistencia para el sensorMQ-6 es diferente para varios tipos y concentraciones de gases. Para utilizar correctamente este componente el ajuste de sensibilidad es necesario. Se recomienda calibrar el detector para 1000 ppm de concentración de gas LP en el aire, utilizando un valor de resistencia de carga
(RL) cerca de 20KΩ (10KΩ a 47KΩ).
La estructura y configuración del sensor se muestra en la Figura A.14. Está compuesto por un microtubo cerámico, dióxido de estaño (SnO2) de capa sensible, el electrodo de medición y el calentador se fijan a una corteza hecha por una red de acero inoxidable y plástico. El calentador proporciona las condiciones
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necesarias de trabajo para el funcionamiento de los componentes Cuenta con 6 pines, 4 de ellos para la toma de señales y los otros 2 para proporcionar corriente de calefacción.
Figura A.14. Estructura y configuración del sensor MQ-6
Sensor Catalítico de Perla
Bajo ciertas circunstancias los gases y vapores inflamables se pueden oxidar mediante el oxígeno del aire para liberar calor de la reacción. Normalmente esto se consigue por un material catalizador especial y adecuadamente calentado, que aumenta ligeramente su temperatura por el calor de la reacción. Este aumento de temperatura es una medida para la concentración de gas.
Los llamados pellistores son perlas cerámicas minúsculas y muy porosas (diámetro aprox. 1 mm) rodeando una pequeña bobina de hilo de platino. Hay una corriente eléctrica fluyendo a través de la bobina de platino de tal manera que el pellistor se calienta a unos cientos de grados Celsius.
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Si la perla cerámica contiene un material catalizador adecuado, la temperatura del pellistor aumentara con la presencia de gas inflamable, y por consiguiente la resistencia de la bobina del hilo de platino aumentara. Este cambio en la resistencia con respecto a la resistencia en aire limpio se utiliza para la evaluación electrónica.
Figura A.15. Sensor Catalítico de Perla
Por medio del oxígeno del aire que es absorbido por el material poroso y activado por el catalizador, el metano gaseoso es oxidado en el pellistor caliente.
Para eliminar influencias por cambios de la temperatura ambiente, se utiliza un segundo pellistor, que es muy similar pero que no reacciona al gas, porque el pellistor no contiene el material catalizador o esta inhibido de cualquier otra manera. Integrando los dos pellistores en un circuito de puente Wheatstone tiene como resultado un sensor para la medición de concentración de gases inflamables, en gran medida independiente de la temperatura ambiente.
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Tecnología GSM
GSM es el sistema global radio móvil de segunda generación (Global Systems of Mobile Comunications). GSM al ser de segunda generación se puede abreviar simplemente como 2G. Después de esta tecnología surge la cdma-One que sólo evoluciona en la forma en que transmite paquetes ofreciendo de esta manera los, ya conocidos, servicios multimedia. En conjunto el cdma-One y la 2G dan lugar a la nueva tecnología 3G.
Los primeros trabajos con GSM los inició en 1982 un grupo dentro del Instituto Europeo de Normas de Comunicaciones (ETSI, European Telecommunications Standards Institute). Originalmente, este organismo se llamaba Groupe Sociale Mobile, lo que dio pie al acrónimo GSM.
Por la transmisión de datos y el tipo de datos que se va a transmitir conviene usar simplemente la 2G, pues cualquiera de las dos tecnologías siguientes quedarán muy sobradas. Es por eso que únicamente se enfocará a explicar en qué consiste GSM.
El método de acceso múltiple utilizado por GSM es el TDMA (acceso múltiple por división de tiempo) mientras que en cdma-One su propio nombre lo dice, trabaja con CDMA (Acceso múltiple por división de código). Al implementar distintos métodos la radio interfaz es diferente haciendo así, también, diferente al radio enlace.
En radio frecuencia existen distintos tipos de transmisión las más usadas para largas distancias, y según sea el objetivo a transmitir, son la comunicación satelital y la comunicación celular. Por ejemplo: en telefonía existe la telefonía celular y la satelital. La telefonía satelital en México es más usada para zona rural, que por el contrario, la celular en esas zonas no posee cobertura. Haciendo la diferencia que en comunicación satelital la región que es capaz de recibir esa señal se llama
“huella satelital” y la región que es capaz de percibir la señal celular se le llama
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GSM 900/DCS 1800: Cimientos de PCS 1900 (TDMA)
En Norteamérica, varios proveedores de servicios han escogido al PCS 1900 de acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA, Time Division Multiple Acces) como tecnología de segunda generación para las redes móviles-inalámbricas. PCS 1900 (TDMA) es muy similar a GSM 900/DCS 1800, y utiliza el mismo protocolo; opera en el espectro de 1900 MHz.
Estos sistemas móviles-inalámbricos de segunda generación emplean técnicas similares para establecer los canales físicos y lógicos en la interfaz de radio. Las diferencias principales son las frecuencias que se usa para los canales físicos, que se muestran en la parte inferior de la Figura B.1. Los canales lógicos (las slots de tiempo) son muy similares y se clasifican como canales de tráfico (TCH) o canales de control (CCH). Los canales físicos se designan con n, donde n es el ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number, número absoluto de canal radiofrecuencia).
El sistema GSM 900 emplea dos bandas de 25 MHz para el enlace ascendente y el enlace descendente. Dentro de ese espectro se asignan canales de 200 KHz. El enlace ascendente y el descendente están separados por un espaciado de 45 MHz. El ARFCN varía entre q y 124. La asignación de los canales de 100 KHz varía y depende de los patrones de tráfico y del tamaño de célula del sistema. El sistema DCS 1800 usa dos bandas de 75 MHz para el enlace ascendente y el descendente. Al igual que en GSM 900, se asignan canales de 200 KHz dentro de esas bandas. El enlace ascendente y el descendente están separados por un espaciado de 95 MHz. El ARFCN varía entre 512 y 885.
En PCS 1900 (TDMA), el sistema usa dos bandas de 60 MHz para el enlace ascendente y el enlace descendente. Al igual que los otros sistemas, PCS 1900 usa canales de 200 KHz con el enlace ascendente y el descendente separados por un espaciado de 80 MHz.
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Figura B.1. Comparación de Canales GSM 900, DSC 1800 y PSC 1900
SMS
Es un servicio de mensajes cortos. Es un sistema para enviar y recibir mensajes de texto para y desde teléfonos móviles. El texto puede estar compuesto de palabras o números o una combinación alfanumérica. SMS fue creado como una parte del estándar GSM fase 1. El primer mensaje corto, se cree que fue enviado en Diciembre de 1992 desde un ordenador personal (PC) a un teléfono móvil a través de la red GSM Vodafone del Reino Unido. Cada mensaje puede tener hasta 160 caracteres cuando se usa el alfabeto latino, y 70 caracteres si se usa otro alfabeto como el árabe o el chino.
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Los mensajes cortos no se envían directamente del remitente al receptor, sino que se envían a través de un centro de SMS. Los mensajes cortos se pueden enviar y recibir simultáneamente a la voz, datos. Esto es posible porque mientras que la voz y los datos asumen el control de un canal de radio dedicado durante la llamada, los mensajes cortos viajan sobre un canal dedicado a señalización independiente.
Para utilizar el servicio de mensajes cortos, los usuarios necesitan la suscripción y el hardware específico:
Una suscripción a una red de telefonía móvil que soporte SMS.
Un teléfono móvil que soporte SMS.
Un destino para enviar o recibir el mensaje, ya sea una máquina de fax, un PC, un terminal móvil o un buzón de e-mail.
Red de Área Personal
Conocida en inglés como Personal Area Network es una red de computadoras usada para la comunicación con otros dispositivos, incluyendo teléfonos y asistentes digitales personales, cercanos al individuo. Los dispositivos pueden o no pertenecer a éste individuo. El alcance de una red de área personal es en general de unos cuantos metros. Éstas redes pueden ser usadas para la comunicación entre mismos dispositivos de éste tipo (es decir, comunicación