La implementación de un enlace de comunicación en los sistemas de tiro Sius Ascor que permita la interpretación de datos y el transporte de los mismos por medio de tecnologías inalámbricas, supone inicialmente contemplar los medios tecnológicos presentes en el mercado. Realizando una evaluación previa de las alternativas disponibles para la construcción de un prototipo que permita la comunicación entre dispositivos por medios no guiados, se reconocen las prestaciones, ventajas y desventajas para así escoger la opción más adecuada. Una vez realizada la perspectiva de las tecnologías actuales se relata el procedimiento de diseño e implementación.
3.1 COMUNICACIÓN ENTRE LOS DISPOSITIVOS SIUS ASCOR 3.1.1 Comunicación entre controladores y blancos electrónicos
Los sistemas de tiro Sius Ascor se comunican principalmente basados en un estándar de comunicación llamado LonWorks el cual permite el dialogo entre sus dispositivos utilizando un protocolo llamado LonTalk. La arquitectura de red le permite manejar una topología de bus donde cada estación toma el dato que le corresponde (Véase figura 23). En cuanto a su protocolo de comunicación no está sujeto a buses físicos, en este sentido se podría comparar con el protocolo TCP/IP, ya que sus mensajes pueden transmitirse por cualquier soporte conocido (RF, Fibra, TCP/IP, RS-232, RS-485) permitiendo flexibilidad en escoger el medio de transmisión.
Figura 23.Red LonWorks en sistemas de tiro Sius Ascor
Fuente: (Manual Sius Ascor SA931, 2001)
Cada blanco de tiro utiliza un controlador que cumple la función de maestro dentro de la red, allí se toman los datos de impacto ya procesados para transmitir el valor a la pantalla de visualización donde se muestra la forma de la diana con el punto en el que ha impactado el proyectil.
Comunicación LonWorks con protocolo LonTAlk Controlador Blanco Electrónico Visualización de puntaje
50
El medio físico por el cual se comparten los datos es cable par trenzado permitiéndole tener una velocidad de transmisión de 78Kbps. La distancia máxima de transmisión de estos sistemas no está determinado por el medio o cable si no por la distancia a la cual se determinen las competencias (10m, 25m, 50m). Un resumen del estándar LonWorks según el medio físico se muestra en la tabla 6.
Tabla 6. Estándar LonWorks tabla resumen
MEDIO VELOCIDAD Nº DISPOSITIVOS DISTANCIA MAXIMA Par trenzado,
fibra óptica y link power.
78 Kbps 64 – 128
500 m hasta 2200m con doble bus e impedancias de carga en los extremos. Par trenzado
(Topología Bus)
1.25 Mbps 64 125m
Línea de Potencia 5,4 Kbps Varía en función del entorno.
Varía en función del entorno. LonWorks sobre
IP
Determinado por la red ip.
Determinado por la red ip.
Determinado por la red Fuente: (Echelon LonWorks, 2011)
En cuanto al envío de mensajes entre nodos, según el protocolo existe una jerarquía de direccionamiento que incluye una dirección de dominio, sub red y nodo. Cada nodo tiene un identificador de 48-bits único que se usa como dirección de red durante la instalación y configuración.
En una red LonWorks cada dispositivo debe cumplir con la existencia de dos componentes principales en su sistema electrónico. Dichos componentes son:
Transmisor LONWork (Transceivers): Estos dispositivos sirven de interface entre el chip Neuron y el medio físico. Dependiendo del medio físico la velocidad de transmisión y topología es distinta.
Circuito Integrado Neuron: Es el corazón de la tecnología LONWork. Contiene toda implementación del protocolo LonTalk.
En el caso de los blancos electrónicos de tiro, el chip Neuron y el transmisor se identifican en las tarjetas de adquisición que contiene cada tablero electrónico. (Ver figura 24)
51
Figura 24. Tarjeta de adquisición en tableros electrónicos de tiro.
Fuente: (Start Guide SA 931,Sius Ascor AG 2010)
El chip Neuron está compuesto de tres microprocesadores; dos de ellos encargados de establecer la comunicación dentro de la red y el tercero es encargado de ejecutar las instrucciones de control en el nodo. Esto con el fin de garantizar que independiente de la complejidad del programa, la respuesta de la red no se verá afectada. Adaptados los sistemas electrónicos de cada dispositivo, la estructura de una red basada en el estándar LonWorks puede incluir dispositivos adicionales como routers, puentes y repetidores (Echelon Corporation, estándar LonWorks, 2006, p.12).
3.1.2 Comunicación entre controladores y sistema de puntaje.
Para hablar del sistema de puntaje y los controladores debemos tomarlos como un conjunto en el cual se configuran los parámetros iniciales de competencia, se dan instrucciones hacia los blancos electrónicos y se reorganizan los datos ya procesados para ser visualizados. La parte más importante en esta comunicación es hacia el sistema de puntaje. El cual consta de una pantalla de 13 pulgadas en donde los datos son basados en el estándar de video VGA (Video Graphics Array).
VGA utiliza cables separados para transmitir las señales de tres componentes de color y señales de sincronización vertical y horizontal. La información del color se envía de manera separada mediante tres señales (una señal para el rojo, otra para el verde y otra para el azul) en lugar de formar parte de una única señal analógica. Modificando la amplitud de cada señal se obtienen los diferentes colores.
En los sistemas de tiro la pantalla proporciona al competidor y a su cuerpo técnico la posibilidad de observar su desempeño según la cantidad de disparos realizados. El medio físico de conexión hacia los controladores puede ser un cable VGA de 15 pines el cual puede medir de 20 a 25 metros en algunos casos (Véase figura 25), esto con el fin de permitir la movilidad de la pantalla cuando el conjunto de controladores debe situarse detrás de los competidores.
Transmisor Chip Neuron
52
Figura 25. Cable VGA para conexión de controlador a pantalla
Fuente: (El autor – Liga Colombiana de Tiro ,2014)
Actualmente, la conexión entre controlador y pantalla se ha modernizado permitiendo que ambos componentes sean portables sin ocupar tanto espacio (Véase Figura 26). Otros ajustes se han hecho a la tecnología de los sistemas de tiro que se ha permitido la integración de computadoras desktop para una visualización de los datos mucho más confortable.
Figura 26. Controlador y sistema de puntaje actual.
Fuente: (Manual de operación Sius Ascor SA941 ,2014)
3.2 EVALUACIÓN TECNOLÓGICA
Hay dos formas de ver cualquier diseño de sistemas de comunicación; por su arquitectura y su funcionalidad. Un vistazo hacia la arquitectura enfatiza las divisiones lógicas de un sistema y como son compatibles. El acercamiento hacia la funcionalidad hace énfasis en los componentes actuales además de sus interconexiones. En la actualidad, muchas tecnologías ofrecen la oportunidad de implementar redes inalámbricas a través de sus diferentes prestaciones. Algunas de ellas son de fácil acceso en el mercado y otras son desarrolladas para aplicaciones especiales.
Sistema de controladores Cable VGA
53
Según el posicionamiento de estándares Wireless (Ver figura 27), las tecnologías evaluadas para la implementación del sistema de comunicación corresponden a aplicaciones para redes de mediana distancia WPAN y WLAN.
Figura 27. Posicionamiento de Estándares Wireless.
Fuente: (Comunicaciones inalámbricas,2004.)
3.2.1 Tecnologías inalámbricas evaluadas
Bluetooth
Esta tecnología es una interfaz abierta que facilita la comunicación entre diferentes equipos informáticos y telefónicos, aprovechando la capacidad y la movilidad de los dispositivos inalámbricos, para la total supresión de los cables de conexión con el fin de adoptar así un único estándar de comunicación.
El hardware que compone un dispositivo bluetooth está conformado de dos partes; un controlador digital y un dispositivo de radio que se encarga de la modulación y transmisión de la señal. Estos dispositivos usan un transmisor de salto de frecuencia para evitar las interferencias y pérdidas de intensidad. Además debe usar un software encargado de controlar la conexión (Link Manager), el cual corre en un microprocesador dedicado. Los links managers se comunican mediante el protocolo LMP (Link Manager Protocol). Los bloques funcionales de un módulo de comunicación bluetooth se muestran en la figura 28.
54
Figura 28. Distintos bloques funcionales de un sistema bluetooth.
Fuente: (Bluetooth Tecnology WebSite ,2014)
Para la conformación de una red bluetooth esta tecnología utiliza el concepto de las picoredes WPAN, en el cual todos los elementos participantes de la red estan sincronizados al canal frecuency- hopping, utilizando el reloj del aparato maestro de la picored. Durante una sección de comunicación un elemento esclavo puede comportarse como maestro en un momento dado y viceversa.
Bluetooth es una tecnología que ofrece la posibilidad de comunicar dispositivos dentro de unos rangos de distancia que son aptos para la implementación de un sistema de comunicación inalámbrica en los sistemas de tiro SIUS Ascor. Sin embargo un resumen de las prestaciones de esta alternativa tecnológica puede verse en la tabla 7 con su evaluación respectiva teniendo en cuenta una ponderación de 1 a 5 y las necesidades a resolver.
Tabla 7. Características y calificación tecnología Bluetooth
BLUETOOTH
CARACTERÍSTICA CALIFICACIÓN
Banda frecuencia de operación: 2.4 y 2.485 GHz 5
Potencia de transmisión: 20dBm - 0dBm 3
Alcance de transmisión: 10 cm – 10 m 5
Velocidad de transmisión: 1MB/Seg - 3 MB/Seg 2
Cantidad de usuarios por red: 8 por piconet y hasta 10 piconet. 1 Costo por aplicación: $ 26.000 - $ 30.000 por módulo
de comunicación.
5 Fuente: (Transmisión de datos y redes de comunicaciones,2010).
En cuanto a la banda de frecuencia sobre la cual trabaja dicha tecnología resulta conveniente ya que se encuentra dentro de los valores de frecuencia alta VHF (véase figura 29) según la escala de bandas de comunicación por radio permitiendo mayor cantidad de datos.
55 Figura 29. Bandas de comunicación por radio
Fuente: (Transmisión de datos y redes de comunicaciones,2006).
Sin embargo, la velocidad de transmisión no resulta ser una ventaja puesto que los sistemas de tiro son rápidos en su procesamiento de datos, así como también en el envío y recepción de los mismos. A pesar de que es una tecnología de fácil acceso en el mercado, el ambiente de los campos de tiro puede ser un factor que limite sus buenas prestaciones, debido que al momento de integrar más dispositivos a la red, el número de estaciones posibles no alcanza a ser suficiente para el rango de usuarios que integran la red dentro de una competencia habitual.
Wi-Fi
Basado en el estándar IEEE 802, las redes Wi-Fi utilizan las ondas de radio para comunicar diferentes dispositivos. Según la variaciones de dicho estándar (802.11 b, 802.11g, 802.11n, 802.11 ac) es posible trabajar la transferencia de datos a diferente velocidad y frecuencia de banda siempre y cuando los dispositivos estén en capacidad de soportar las características a implementar. Un resumen de los estándares más utilizados se encuentra en la siguiente tabla:
Tabla 8. Estándares más utilizados.
Estándar Velocidad (Teórica) Velocidad (Practica) Banda Ancho de Banda Detalles Año 802.11 2 Mbps 1 Mbps 1997 802.11a 54 Mbps 22 Mbps 5,4 Ghz 1999 802.11b 11 Mbps 6 Mbps 2,4 Ghz 1999 802.11g 54 Mbps 22 Mbps 2,4 Ghz 20 MHz 2003
56 802.11n 600 Mbps 100 Mbps 2,4 Ghz y 5,4 Ghz 40 MHz Disponible en la mayoría de los dispositivos modernos. Puede configurarse para usar solo 20 MHz de ancho y así prevenir interferencias en una zona congestionada 2009 802.11ac 6.93 Gbps 100 Mbps 5,4 Ghz 80 o hasta 160 MHz
Nuevo estándar sin interferencia pero con menos alcance,
aunque hay tecnologías que lo amplían. Más rendimiento y otras ventajas. 2012 802.11ad 7.13 Gbps 2012
Fuente: (Redes inalámbricas en los países en desarrollo, 2008).
Uno de los retos a los que en la actualidad se enfrenta este estándar es la progresiva saturación del espectro radioeléctrico, causado por la masificación de usuarios. Sin embrago, Wifi esta esencialmente diseñado para conectar ordenadores a la red a distancias reducidas, cualquier uso de mayor alcance está expuesto a un excesivo riesgo de interferencias.
Los dispositivos de una red Wi-fi pueden catalogarse en dos clases: dispositivos de distribución o de red en los que comúnmente se encuentran routers, puntos de acceso, repetidores, etc, y dispositivos terminales los cuales consisten en tarjetas receptoras con una configuración que puede ser personalizada según las necesidades de aplicación.
Un módulo de comunicación basado en cualquier estándar Wi-fi requiere de una interfaz de usuario en donde se parametrizan las condiciones de comunicación y la habilitación de puertos de enlace. Esto para una aplicación en los sistemas de tiro no es un punto a favor, ya que siempre sería necesario el uso de un computador para la modificación de parámetros o instalación de hardware en nuevas estaciones de tiro. Por otra parte esto le quitaría autonomía al sistema y capacidad de integración.
Generalmente los módulos de comunicación en sus tarjetas electrónicas disponen de dos procesadores. El primero es un micro controlador con las características apropiadas para compartir datos dentro de la red, además de contener las pilas de protocolos TCP/IP, y el segundo encargado
57
del subsistema inalámbrico. En la siguiente imagen se muestra los bloques funcionales de los módulos.
Figura 30 – Bloques funcionales de un módulo Wi-fi
Fuente: (Redes Inalámbricas en los países en desarrollo ,2008)
Entendiendo las características del estándar se muestra el resumen en la siguiente tabla de las prestaciones para ser evaluadas teniendo en cuenta el mismo rango de ponderación como en el caso de la tecnología Bluetooth.
Tabla 9. Características y calificación tecnología Bluetooth
Wi-Fi
CARACTERÍSTICA CALIFICACIÓN
Banda frecuencia de operación: 2.4 GHz y 5.4 GHz 5
Potencia de transmisión: 15dBm - 20dBm 4
Alcance de transmisión: 2460 m – 3280.84 m 5
Velocidad de transmisión: 1MB/Seg - 100 MB/Seg 4
Cantidad de usuarios por red: 30 usuarios por modulo 4 Costo por aplicación: $ 120.000 - $ 160.000 por
módulo de comunicación.
2 Fuente: (Redes inalámbricas en los países en desarrollo, 2008).
Observando la tabla de características Wi-Fi esta posee prestaciones muy interesantes al momento de querer tomarlo como opción de desarrollo. Para el caso de los sistemas de tiro muchas de estas prestaciones pueden adaptarse lográndose una comunicación con buen rendimiento, pero la aplicación debe ajustarse de tal forma que no se desperdicie tanto recurso. En vista de la señal a transmitir, la banda de frecuencia de operación bajo la que trabaja el estándar puede servir, pero la cantidad de datos a enviar no requiere de una aplicación con tanta robustez.
En los campos de tiro los sistemas de puntaje no sobrepasan los 20 m en conexionado, es claro que con un enlace inalámbrico se logre transmitir a una mayor distancia pero teniendo en cuenta la
58
distancia de transmisión en la tabla anterior, se estaría sobredimensionando en el diseño de la aplicación a implementar.
Otro punto a tener en cuenta es la aparición de interferencias dentro de la red ya que Wi-Fi es una tecnología en la que sus prestaciones de fortalecen cuando el espacio es cerrado. Generalmente los campos de competencia suelen ser en espacio abierto, lo cual indica que se necesita un dispositivo de comunicación con el suficiente blindaje ante posibles interferencias. Más cuando en una posible renovación tecnológica se quiera incluir un mayor número de estaciones de tiro dentro de la red. ZigBee
Zigbee es un estándar de comunicación que define un conjunto de protocolos para el armado de redes de corta distancia y baja velocidad de datos. Esta tecnología es utilizada en múltiples aplicaciones como seguridad, lectura de instrumentos de servicios, sistemas de riego automático, control de iluminación, control de temperatura o simples aplicaciones como controles remotos. La razón inicial por la cual se dio la aparición de este estándar fue la necesidad de usar una conexión inalámbrica para controlar sensores y adquirir datos.
Existen numerosas soluciones propietarias usadas en domótica pero el gran inconveniente que tienen es la incompatibilidad entre sensores, controles y equipos de procesamiento de datos que obliga a hacer pasarelas (gateways) para interconectar dispositivos de diferentes marcas.
El estándar ZigBee fue diseñado con las siguientes especificaciones: Ultra bajo consumo que permita usar equipos a batería.
Bajo costo de dispositivos, instalación y mantenimiento de ellos. Alcance corto (típico menor a 50 metros).
Optimizado para ciclo efectivo de transmisión menor a 0.1 % .
ZigBee posee una arquitectura basada en el modelo OSI. El IEEE 802.15.4 que define las dos capas más bajas: la Capa Física y la Subcapa de Control de Acceso al Medio de la Capa de Enlace de Datos, la cual se encarga de aislar los detalles de las tecnologías físicas a la capa de control de acceso al medio. Estas capas son utilizadas por ZigBee para crear un marco de trabajo entre las aplicaciones. (Zigbee Alliance, 2010)
Un módulo de comunicación Zigbee puede componerse de dos partes esenciales, La placa y la antena. Básicamente la primera parte consiste en un transceptor de radio frecuencia de 2.4GHz de Freescale el MC13192, el cual es manejado por un microcontrolador de Freescale, este tiene disponible para el usuario entradas / salidas digitales y analógicas e interfaz I2C y UARTs. La segunda parte consta de la antena de comunicación que también es compatible con microcontroladores de distintos fabricantes. En la figura 31 se muestran los bloques funcionales de un módulo Zigbee.
59 Figura 31. Componentes de un módulo Zigbee.
Fuente: (Zigbee Alliance, 2010)
En base a los criterios de selección para la tecnología inalámbrica a implementar, se elaboró un cuadro con sus principales caracteristicas y su respectiva evaluación (Véase Tabla 10)
Tabla 10 – Tabla de características Zigbee
ZIGBEE
CARACTERÍSTICA CALIFICACIÓN
Banda frecuencia de operación: 868 MHz, 902-982 MHz, 2.4 GHz
5
Potencia de transmisión: 20dBm 4
Alcance de transmisión: 1m – 50 m 3
Velocidad de transmisión: 20 – 250 Kbps 2
Cantidad de usuarios por red: 65000 4
Costo por aplicación: $ 84.000 - $ 115.000 por módulo de comunicación.
3 Fuente: (Zigbee Alliance, 2010)
Los módulos Zigbee permiten flexibilidad ante distintas aplicaciones y a pesar de ser comúnmente usado en prototipos de comunicación, su punto en contra notable es la velocidad de transmisión, puesto que en los sistemas de tiro la precisión y la velocidad son características destacables. Por tal razón el dispositivo de comunicación que se integre a los sistemas de puntaje no debe sacrificar la funcionabilidad de los sistemas en general puesto que se estaría retrasando una tecnología a la cual se intenta actualizar con el desarrollo de la aplicación.
Comunicación por RF
La comunicación por medio de radiofrecuencias tiene lugar cuando una señal, en el rango de 30Khz a 300Ghz, se propaga de transmisor a receptor. Los módulos de RF pueden variar según la tasa de transferencia, lo cual determina el alcance teniendo en cuenta que a mayor distancia de transmisión, mayor consumo de corriente y en un sistema portátil esto representa una menor impedancia del dispositivo. Se debe entonces buscar un punto medio entre tasa de transferencia, alcance y consumo de corriente adecuado para el sistema.
Con módulos de radio frecuencia se pueden crear redes inalámbricas para transmitir información incluso de un edificio a otro. De hecho, muchas compañías ya las utilizan para agilizar sus procesos y eliminar las limitaciones y el peligro que representa el uso de cables en actividades industriales.
60
Por otra parte, las aplicaciones de RF, al igual que el resto de las tecnologías electrónicas, han venido experimentado una reducción de precios en favor de los usuarios, haciéndolas accesibles y rentables incluso para las pequeñas empresas. En la figura 32 se muestra los bloques funcionales de una comunicación basada en RF.
Figura 32. Diagrama de bloques del sistema RF.
Fuente: (Sistemas de radio frecuencia, 2008)
Teniendo en cuenta la comprensión sobre el funcionamiento de una comunicación por radiofrecuencia, podemos evaluar esta tecnología según sus prestaciones, en la tabla 11 se muestran las características más relevantes para el diseño y la ponderación dada.
Tabla 11 – Tabla de características Radiofrecuencia.
RADIO FRECUENCIA
CARACTERÍSTICA CALIFICACIÓN
Banda frecuencia de operación: 3 KHz – 300GHz 5
Potencia de transmisión: 0 dBm – 80 dBm 5
Alcance de transmisión: 1m – 60 Km en aplicaciones especiales
5
Velocidad de transmisión: 1Mbps – 11 Mbps 5
Cantidad de usuarios por red: 65000 4
Costo por aplicación: $ 30.000- $ 130.000 por módulo de comunicación.
4 Fuente: (El autor, 2014)
Como se puede observar en las características de la tabla anterior, la comunicación por RF ofrece un rango amplio de opciones en la mayoría de sus características. Comprendiendo que en base a esta tecnología se han implementado las anteriormente evaluadas, tomar la comunicación por RF en su concepto original ofrece mayores ventajas, puesto que al implementar los módulos de comunicación existe más libertad y personalización en el diseño.