Escuela Superior de Ingenier
í
a Mec
á
nica y El
é
ctrica
Unidad Zacatenco
Sistema Para La Generación De Estadística Del Aforo
Vehicular Mediante Sensores Magneto-Resistivos
Inalámbricos
Tesis
Que para obtener el grado de
Ingeniero en Control y Automatización
Presentan:
Erick Iván Soria Báez
José Antonio López Maldonado
Asesor Técnico: Dr. Alejandro Tonatiu Velázquez Sánchez
Asesor Metodológico: Ing. Luis Arturo Benítez Velázquez
México D.F.
Julio 2015
2
Contenido
Índice De Ilustraciones ... 5
Resumen ... 8
Abstract ... 10
Introducción ... 11
Objetivo ... 13
Objetivos específicos ... 13
Planteamiento Del Problema ... 14
Justificación ... 15
Capítulo I ... 17
Estado del Arte ... 17
1.1 Sistemas Comerciales ... 18
1.1.1 Manguera Neumática ... 18
1.1.2 Lazos inductivos ... 19
1.1.3 Sensores piezoeléctricos. ... 19
1.2 Empresas ... 20
1.2.1 Empresa VialSign ... 20
1.2.2 Empresa ModuTram ... 22
1.3 Proyectos y Artículos Científicos ... 23
1.3.1 Vehicle Detection Using AMR sensor ... 23
1.3.2 A Wireless Sensor Network For Traffic Surveillance. ... 24
1.4 Principio De Funcionamiento De Los Sensores Magnéticos ... 26
Capítulo II. ... 29
Marco Teórico. ... 29
2. 1 Entorno de desarrollo. ... 29
2.1.1 Fundamentos de software. ... 29
2.1.2 Entorno LabVIEW ... 29
2.1.3 Desarrollo de un VI ... 30
2.1.4 Paletas ... 33
3
2.2.1 Arduino ... 40
2.3 Fundamentos electromagnéticos ... 42
2.3.1 Campo magnético ... 42
2.3.2 Campo eléctrico ... 43
2.4 Sensores Utilizados ... 43
2.4.1 Sensores magnéticos (Magnetómetros) ... 43
2.4.2 Sensor Ultrasónico ... 44
2.5 Celda Solar ... 46
2.6 ZigBee ... 47
2.6.1 Clasificación De Redes ... 48
2.6.2 Tipos de nodos ZigBee ... 51
2.6.3 Topologías ZigBee ... 52
Capítulo III ... 56
Desarrollo... 56
3.1 Dispositivos. ... 56
3.1.1 Sensor Ping ... 56
3.1.2 Sensor Magnético HMC5883L ... 59
3.1.3 Explorador Xbee Sparkfun ... 61
Desarrollo De Programación ... 62
3.2 Sensor Ping ... 62
3.2.1 Programación Sensor Ping. ... 64
3.2.2 Resultados Monitor Serial Sensor Ping. ... 65
3.3 Sensor Magnético. ... 66
3.3.1 Programación Sensor Magnético. ... 67
3.3.2 Resultados Monitor Serial Sensor Magnético. ... 70
3.4 Condiciones e Integración Sensores Ping y Magnético. ... 71
3.4.1 Medida De Carriles Para Condición Sensor Ultrasónico. ... 71
3.4.2 Programación De Integración De Sensores. ... 73
3.4.3 Resultados Monitor Serial Clasificación Vehicular. ... 78
3.5 Módulos Xbee ... 80
4
3.5.2 Modo API ... 80
3.5.3 Software De Programación. ... 80
3.5.4 Series 1 y 2 ... 81
3.6 Software De Programación X-CTU ... 82
3.6.1 Configuración Xbee S2 ... 84
4 Labview. ... 94
4.1 Desarrollo De Bloques Interfaz Labview ... 94
5 Alimentación Del Sistema. ... 102
5.1 Celda Solar ... 102
5.2 Batería Recargable ... 102
Capitulo IV ... 104
Análisis De Resultados. ... 104
Zigbee vs. Bluetooth ... 104
Resultados Experimentales: ... 106
Capítulo V ... 111
Análisis De Costos. ... 111
Sistema de Conteo y Clasificación de Vehículos de TimeMark. ... 111
Sistema Propuesto Por Sensores Magnéticos Y Ultrasónicos. ... 113
Conclusiones ... 115
Referencias ... 117
5
Índice De Ilustraciones
ILUSTRACIÓN 1. MANGUERA NEUMÁTICA ... 18
ILUSTRACIÓN 2. LAZOS INDUCTIVOS ... 19
ILUSTRACIÓN 3. LAZOS INDUCTIVOS ... 20
ILUSTRACIÓN 4.VIALSIGN SEÑALANDO TU CAMINO ... 21
ILUSTRACIÓN 5. CONTROL SEMÁFOROS E INSTITUCIONES DE EMERGENCIA ... 21
ILUSTRACIÓN 6.LOGOTIPO MODUTRAM ... 22
ILUSTRACIÓN 7.PUENTE WHEATSTONE ... 24
ILUSTRACIÓN 8.MEDICIÓN AFORO VEHICULAR ... 24
ILUSTRACIÓN 9.TECNOLOGÍAS PARA LA MEDICIÓN DE TRÁFICO VEHICULAR ... 25
ILUSTRACIÓN 10.FUNCIONAMIENTO SENSOR MAGNÉTICO ... 26
ILUSTRACIÓN 11.INTERFERENCIA DE UN VEHÍCULO ... 26
ILUSTRACIÓN 12.CLASIFICACIÓN DE VEHÍCULOS ... 27
ILUSTRACIÓN 13.PANEL FRONTAL LABVIEW ... 31
ILUSTRACIÓN 14.DIAGRAMA DE BLOQUES ... 32
ILUSTRACIÓN 15.PALETA DE HERRAMIENTAS ... 33
ILUSTRACIÓN 16.PALETA DE CONTROLES ... 35
ILUSTRACIÓN 17.PALETA DE FUNCIONES ... 37
ILUSTRACIÓN 18.TARJETA ARDUINO UNO [12] ... 40
ILUSTRACIÓN 19.SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN (IDE). ... 41
ILUSTRACIÓN 20.ALIMENTACIÓN ARDUINO UNO [12] ... 41
ILUSTRACIÓN 21.CAMPO MAGNETICO ... 42
ILUSTRACIÓN 22.SENSOR MAGNETICO DE 3EJES ... 44
ILUSTRACIÓN 23.FUNCIONAMIENTO DE ONDAS ULTRASÓNICAS [18] ... 45
ILUSTRACIÓN 24.FUNCIONAMIENTO CELDA SOLAR. ... 46
ILUSTRACIÓN 25.EFECTO FOTOVOLTAICO CELDA SOLAR. ... 47
ILUSTRACIÓN 26.CLASIFICACION DE REDES ... 48
ILUSTRACIÓN 27.TOPOLOGÍAS DE RED ZIGBEE ... 51
ILUSTRACIÓN 28.TOPOLOGIA ESTRELLA,ARBOL Y MALLA ... 52
ILUSTRACIÓN 29.TOPOLOGIA ARBOL ... 54
ILUSTRACIÓN 30.SENSOR PING ... 56
ILUSTRACIÓN 31.FUNCIONAMIENTO SENSOR PING. ... 57
ILUSTRACIÓN 32.CONEXIÓN BÁSICA SENSOR PING. ... 57
ILUSTRACIÓN 33.SENSOR MAGNÉTICO HMC5883L. ... 59
ILUSTRACIÓN 34.EXPLORER XBEE. ... 61
ILUSTRACIÓN 35.DIAGRAMA FLUJO SENSOR PING. ... 62
ILUSTRACIÓN 36.PROGRAMACIÓN SENSOR PING. ... 64
ILUSTRACIÓN 37.DATOS MONITOR SERIAL SENSOR PING. ... 65
6
ILUSTRACIÓN 39.PROGRAMACIÓN SENSOR MAGNÉTICO.1PARTE ... 67
ILUSTRACIÓN 40.PROGRAMACIÓN SENSOR MAGNÉTICO.2PARTE... 68
ILUSTRACIÓN 41.PROGRAMACIÓN SENSOR MAGNÉTICO.3PARTE... 69
ILUSTRACIÓN 42.DATOS MONITOR SERIAL SENSOR MAGNÉTICO. ... 70
ILUSTRACIÓN 43.DIAGRAMA DE FLUJO INTEGRACIÓN SENSORES... 72
ILUSTRACIÓN 44.PROGRAMACIÓN DE INTEGRACIÓN DE SENSORES YCLASIFICACIÓN VEHICULAR PARTE 1. ... 73
ILUSTRACIÓN 45.PROGRAMACIÓN DE INTEGRACIÓN DE SENSORES YCLASIFICACIÓN VEHICULAR PARTE 2. ... 74
ILUSTRACIÓN 46.PROGRAMACIÓN DE INTEGRACIÓN DE SENSORES YCLASIFICACIÓN VEHICULAR PARTE 3. ... 75
ILUSTRACIÓN 47.PROGRAMACIÓN DE INTEGRACIÓN DE SENSORES YCLASIFICACIÓN VEHICULAR PARTE 4. ... 76
ILUSTRACIÓN 48.PROGRAMACIÓN DE INTEGRACIÓN DE SENSORES YCLASIFICACIÓN VEHICULAR PARTE 5. ... 77
ILUSTRACIÓN 49.RESULTADOS MONITOR SERIAL SIN DETECCIÓN SIN CLASIFICACIÓN VEHICULAR. ... 78
ILUSTRACIÓN 50.RESULTADOS MONITOR SERIAL SIN DETECCIÓN CON CLASIFICACIÓN VEHICULAR. ... 79
ILUSTRACIÓN 51.X-CTU PRESENTACIÓN PRINCIPAL. ... 82
ILUSTRACIÓN 52.TIPOS DE CONFIGURACIÓN XBEE. ... 83
ILUSTRACIÓN 53.SELECCIÓN DISCOVER DEVICES XBEE... 84
ILUSTRACIÓN 54.SELECCIÓN PUERTOS XBEE. ... 85
ILUSTRACIÓN 55.SELECCIÓN PARÁMETROS XBEE. ... 86
ILUSTRACIÓN 56.BÚSQUEDA DISPOSITIVOS XBEE. ... 87
ILUSTRACIÓN 57.SELECCIÓN DISPOSITIVOS XBEE. ... 88
ILUSTRACIÓN 58.CONFIGURACIÓN XBEE COMO COORDINADOR. ... 89
ILUSTRACIÓN 59.PARÁMETROS XBEE COORDINADOR. ... 90
ILUSTRACIÓN 60.APLICACIÓN DE 2PARTE DE CONFIGURACIÓN COORDINADOR. ... 91
ILUSTRACIÓN 61.ACTUALIZACIÓN DE FIRMWARE COORDINADOR... 92
ILUSTRACIÓN 62.MAC XBEE S2. ... 93
ILUSTRACIÓN 63.APLICACIÓN FINAL CONFIGURACIÓN XBEE COORDINADOR. ... 93
ILUSTRACIÓN 64.VENTANA CONFIGURACIÓN VISAPUERTO SERIAL. ... 94
ILUSTRACIÓN 65.DIAGRAMA A BLOQUES COMUNICACIÓN SERIAL. ... 95
ILUSTRACIÓN 66.CONFIGURACIÓN INICIO DE SESIÓN VISA. ... 95
ILUSTRACIÓN 67.DIAGRAMA A BLOQUES INICIO SESIÓN VISA. ... 95
ILUSTRACIÓN 68.CONFIGURACIÓN LECTURA PUERTO SERIAL VISA. ... 96
ILUSTRACIÓN 69.DIAGRAMA A BLOQUES LECTURA VISA. ... 96
ILUSTRACIÓN 70.LECTURA DE CONTEO MEDIANTE VISA. ... 97
ILUSTRACIÓN 71.CONFIGURACIÓN PARA VISUALIZACIÓN DE CADENAS DE BITS. ... 97
ILUSTRACIÓN 72.DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LECTURA Y VISUALIZACIÓN DE BITS. ... 97
ILUSTRACIÓN 73.DIAGRAMA DE BLOQUES PARA VISUALIZACIÓN DE CARACTERES. ... 98
ILUSTRACIÓN 74.DIAGRAMA DE BLOQUES PARA VISUALIZACIÓN DE CARACTERES Y CIERRE DE SESION. ... 99
ILUSTRACIÓN 75.DIAGRAMA A BLOQUES PARA VISUALIZACIÓN DE PANEL FRONTAL. ... 100
ILUSTRACIÓN 76.PANEL FRONTAL. ... 101
ILUSTRACIÓN 77.CELDA SOLAR. ... 102
ILUSTRACIÓN 78.BATERÍA RECARGABLE. ... 102
7
ILUSTRACIÓN 80.COMPARATIVA ZIGBEE Y BLUETHOOT. ... 105
ILUSTRACIÓN 81.RESULTADOS SENSOR MAGNÉTICO. ... 106
ILUSTRACIÓN 82.RESULTADOS SENSOR ULTRASÓNICO. ... 106
ILUSTRACIÓN 83.RESULTADOS SENSORES ACOPLADOS. ... 107
ILUSTRACIÓN 84.VERIFICACIÓN DE COMUNICACIÓN XBEE. ... 108
ILUSTRACIÓN 85.PANEL FRONTAL CON CLASIFICACIÓN VEHICULAR. ... 109
ILUSTRACIÓN 86.CONFIGURACIÓN ARDUINO 1. ... 120
ILUSTRACIÓN 87.CIRCUITO ESQUEMÁTICO TARJETA... 121
ILUSTRACIÓN 88.LAYOUT TARJETA. ... 121
ILUSTRACIÓN 89.DISEÑO CASE 1. ... 122
ILUSTRACIÓN 90.DISEÑO CASE 2. ... 122
8
Resumen
Actualmente el tráfico en las carreteras es un aspecto importante de nuestra sociedad, pues está presente en la vida diaria. Desafortunadamente conlleva a impactos negativos en la vida del ser humano y su medio ambiente, por lo que es de gran importancia mejorar el flujo de vehículos en las vías de comunicación de nuestra sociedad.
Durante las últimas décadas el número de vehículos en las carreteras ha aumentado de manera exponencial. Este aumento de la movilidad se ha traducido en un aumento de la congestión del tráfico, la contaminación y los accidentes.
Este sistema proporcionará la estimación de parámetros de tráfico a bajo costo y de forma eficiente, por lo que la recolección y evaluación de los datos vehiculares se hará por medio una red de sensores magnéticos inalámbricos, con la que se determinará el número de vehículos que circulan por un punto en un determinado tiempo, tipo de vehículos, número de ejes, dirección de desplazamiento y velocidad.
Para el desarrollo de este proyecto se implementará la siguiente metodología:
1. Estudio y análisis del estado de la técnica para la detección y clasificación de vehículos,
2. Identificación y diseño de sensores inalámbricos para la detección vehicular; en esta etapa se realizará el diseño del hardware y software para la implementación de una red de sensores inalámbricos,
3. Caracterización y simulación de la red de sensores inalámbricos.
9
El objetivo de este proyecto es la implementación de un sistema para la clasificación y detección de aforo vehicular, con la finalidad de analizar y estudiar opciones en el control de tráfico, a fin de reducir el tiempo de tránsito y los efectos negativos en el medio ambiente.
Este sistema deberá proporciona una estimación de los parámetros de tráfico a bajo costo y de forma eficiente, por lo que la recolección y evaluación de los datos vehiculares se hará por medio una red de sensores magnéticos inalámbricos.
10
Abstract
Actuallity the traffic on the roads is an important aspect of our society, as it is present in daily life. Unfortunately leads to negative impacts on human life and its environment, so it is very important to improve the flow of vehicles on the roads in our society.
During the last decades the number of vehicles on the roads has increased exponentially. This increased mobility has resulted in increased congestion, pollution and accidents.
11
Introducción
Actualmente los accidentes de tráfico son una de las principales causas de muerte en México [1]. Esto se debe a que en la mayoría de las ocasiones se tienen descuidos tanto de conductores de automóviles como transeúntes. Durante los últimos años, se está trabajando mucho en aumentar la seguridad para ambos y la fiabilidad de los vehículos así como el uso de otros dispositivos que facilitan la conducción.
En los períodos de vacaciones normalmente podemos ver muchas campañas de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT) intentando sensibilizar a la gente sobre el problema de conducir indebidamente y sus consecuencias.
Cuando estamos conduciendo, una de las informaciones más importantes que nos pueden dar, es cómo se encuentra el tráfico en una determinada vía o carretera. Y por otro lado a la Secretaria de Comunicaciones y Transportes le interesa recolectar datos sobre el volumen de tráfico en las carreteras.
Con este proyecto, se intenta conseguir una aplicación capaz de lograr el control y conteo de vehículos en una determinada vía, mediante sensores magneto-resistivos. Este será el objetivo principal, sin embargo a pesar de que el número de vehículos es una valiosa información, podemos obtener información muy importante como puede ser la velocidad de cada vehículo, así como distancias entre los vehículos, ampliando de esta manera las aplicaciones del proyecto.
12
13
Objetivo
Desarrollar un sistema para el control vehicular que sustituya los dispositivos empleados actualmente, como son tubos neumáticos y piezoeléctricos, asimismo proporcionar información y elaborar estadísticas del aforo vehicular.
Objetivos específicos
Realizar el conteo vehicular mediante sensores ultrasónico y magnético. Diseñar la tarjeta electrónica que lleve a cabo el acondicionamiento de
las señales de los sensores.
Desarrollar la comunicación entre módulos de control mediante
protocolo zig-bee, permitiendo el flujo de información y de esta manera lograr que la cobertura sea más amplia.
14
Planteamiento Del Problema
En el 2012 el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) público que la cifra de vehículos en la Ciudad De México era de 8, 803, 301. [2]
De acuerdo a esta cantidad, los capitalinos pierden de dos a cuatro horas diarias en traslados, debido al congestionamiento vial, lo cual impacta en gastos del ingreso mensual, pues invierten casi 43% del salario en medios de transporte, con datos obtenidos en la Asociación Mexicana de Transporte y Movilidad (AMTM).
Algunos estados en México enfrentan problemas debido al crecimiento continuo de vehículos, como en la ciudad de México, que es un centro de alta actividad económica, esto provoca que la población tienda a desplazarse en la ciudad, por lo tanto la población necesita un medio de transporte no solo personal, sino también para los productos que producen y consumen.
Por otro lado durante las últimas décadas el número de vehículos en las carreteras ha aumentado de manera exponencial. Este aumento de la movilidad se ha traducido en un aumento de la congestión del tráfico, la contaminación y los accidentes [3].
15
Justificación
En la actualidad, los sistemas implementados de medición de tráfico vehicular son por medio de mangueras neumáticas y sensores piezoeléctricos. Estos sistemas no determinan con precisión qué tipo de vehículos circulan, además necesitan un mantenimiento frecuente y remplazo de accesorios. Son sistemas de alto costo y de difícil montaje.
Por tal motivo se requieren dispositivos que no estén en contacto físico con los automóviles y no requieran mantenimiento frecuente.
De manera general, las ventajas que presentan estos tipos de sistemas basados en sensores magneto-resistivos, son las siguientes:
1. Solución más económica en el uso de sensores.
2. Mantenimiento menos costoso.
3. Reconfigurable mediante software.
En este apartado se describen las investigaciones realizadas a nivel nacional e internacional así como instituciones educativas acerca de sistemas de aforo vehicular.
CAPITULO I.
17
Capítulo I
Estado del Arte
El uso de sistemas de monitoreo y control de tráfico en carreteras actualmente, es uno de los principales puntos de trabajo para detectar posibles congestionamientos de tráfico además de servir de ayuda a otros proyectos relacionados con la estadística de aforo vehicular.
Actualmente, en México existe una cantidad limitada de empresas dedicadas al registro de estadística vehicular [4]. Los sistemas actuales de conteo de vehículos son de alto costo y de mayor dificultad para implementación, ya que suelen ser sensores colocados debajo del pavimento como son los sensores piezoeléctricos.
18
1.1 Sistemas Comerciales
Existen diversas técnicas y procedimientos para poder realizar el conteo y la clasificación de vehículos mediante sensores inalámbricos o introducidos en el pavimento, este último tiene usos más extendidos, aunque está en declive con el paso del tiempo y el avance de la tecnología.
Dependiendo del tipo de aplicación, de la cantidad de tráfico y de la precisión que se requiera, se utilizará un tipo de sensor u otro. Las técnicas más utilizadas son [5]:
1.1.1 Manguera Neumática
Son sensores de eje que detectan el paso del vehículo debido al cambio de presión que se genera. Pueden contar y clasificar, pero sólo para uso temporal y con tránsitos fluidos. Cuando la manguera atraviesa varios carriles debe estar protegida en los carriles en los que no se esté realizando la medida. También es importante cuidar bien la fijación de la manguera a la calzada para evitar que los vehículos la rompan o la arrastren.
19
1.1.2 Lazos inductivos
No son sensores de tipo eje. Se pueden utilizar en forma temporal o permanente, siendo esta ultima la más normal. Detectan el paso del vehículo por variación de la masa magnética sobre el lazo. No detectan con detalle el eje, de modo que no pueden diferenciar el eje doble o el eje triple de un eje sencillo. Son económicos. Permiten clasificar vehículos, pero sin precisar exactamente el número de ejes.
Ilustración 2. Lazos Inductivos
1.1.3 Sensores piezoeléctricos.
20
Detectan el paso del vehículo en base a la carga eléctrica que se genera en el material piezoeléctrico cuando es pisado por una rueda. Su campo de aplicación va desde 1 Km/h hasta 180 Km/h.
Ilustración 3. Lazos inductivos
1.2 Empresas
Empresas que se dedican al control y registro de aforo vehicular así como los objetivos y características de cada empresa que sirven como apoyo para la elaboración de esta tesis, las empresas son:
1.2.1 Empresa VialSign
21
a su paso. Su uso ha logrado reducir enormemente el índice de accidentes en los que se ven involucrados vehículos de emergencia. [6]
Los principales Objetivos de la empresa son:
Reducir los índices de accidente en hasta un 70%.
Mejora los tiempos de respuesta hasta en un 20%.
Elimina conflictos de prioridad; concede el derecho de paso sobre una
base "primero llegado, primero servido".
Restringe el acceso a usuarios autorizados sólo a través de un sistema
de codificación.
Contribuye a reducir la contaminación ambiental al reducir las paradas
de los automotores.
Minimiza la interrupción de flujo del tráfico con rango de activación ajustable para tiempos de ciclo óptimo.
Ilustración 4. VialSign Señalando tu camino
22
1.2.2 Empresa ModuTram
El sistema de control automatizado desarrollado por ModuTram puede ser incorporado totalmente o parcialmente en sistemas de transporte para ampliar y mejorar su funcionalidad [7]. Específicamente, el sistema de control de ModuTram proporciona las siguientes funciones innovadoras:
Flujo de tráfico: El sistema de control regula con precisión la velocidad y el desplazamiento de cada vehículo para que los vehículos pueden viajar sobre las vías principales a velocidad alta manteniendo separaciones de apenas 4 segundos entre un vehículo y el que lo sigue. Sincronización del tráfico vehicular en redes viales interconectadas: El
sistema de control lo regula con precisión de la secuencia de paso de vehículos por los entronques en las vías sin que se formen embotellamientos. Con esto cualquier vehículo pueda llegar de cualquier estación a cualquier otra, lo que reduce sus tiempos de viaje y potenciando la utilidad de la red.
Agrupación inteligente de pasajeros que van a los mismos destinos, y viajes directos a destino: Cuando las estaciones están ubicadas en carriles secundarios, el sistema de control automáticamente programa los viajes para que los vehículos no tengan que detenerse en cada estación a lo largo de una ruta, sino solamente en las estaciones seleccionadas por los pasajeros. Con esto se optimiza el uso de recursos y de tiempo.
23
1.3 Proyectos y Artículos Científicos
Los siguientes artículos académicos publicados, constituyeron un buen punto de partida para la realización del proyecto. No obstante, para el desarrollo de éste, no se ha seguido ningún artículo determinado, si no que se han tomado ideas y detalles de diversos artículos.
1.3.1 Vehicle Detection Using AMR sensor
Honeywell [8]
Este artículo presenta el comportamiento y algunas características de los sensores magneto-resistivos, del cual existen dos tipos, AMR Y GMR.
Los sensores AMR (Anisotropic Magneto-Resistive) son sensores direccionales y proporcionan sólo una respuesta de amplitud a los campos magnéticos en su eje sensible. Mediante la combinación de sensores AMR, en dos o tres ejes es posible la medición de los campos magnéticos que pasan a través de los sensores con excelente linealidad.
Los sensores GMR (Giant Magneto-Resistive) pueden también ser usados para el censado de campo magnético bajo, pero tienen una amplia sensibilidad a amplitudes con poca linealidad para detección de vehículos.
Sensores GMR deben tener una cerca un campo de polarización magnética, ya sea de un imán permanente o solenoide para obtener linealidad mejorada.
24
Los elementos resistivos están hechos de películas delgadas y tiene alrededor de 1000 ohmios de resistencia, pero cada elemento corresponde con precisión dentro de 1 ohm unos de otros cuando no hay campos magnéticos son presente.
Ilustración 7. Puente Wheatstone
1.3.2 A Wireless Sensor Network For Traffic Surveillance.
Este artículo menciona acerca de la medición del aforo vehicular y algunos aspectos importantes a considerar, ayuda a generar estadísticas y tener un mejor manejo del aforo vehicular.
25
Tecnologías Para La Medición De Tráfico Vehicular.
[9]
El lazo inductivo es de los dispositivos más utilizados en los últimos años, pero es poco recomendable cerrar carriles para cortar secciones de pavimento, por lo que algunas alternativas son sensores basados en campos magnéticos.
Ilustración 9. Tecnologías Para La Medición De Tráfico Vehicular
Redes de sensores magnéticos inalámbricos
Algunas características de los nodos de sensores magnéticos son:
• Dete ta vehí ulos o u a io e el a po ag éti o de la tie a.
• T ansmitir datos al punto de acceso por radio.
• Informes de puntos de acceso a la señal del mando.
26
1.4 Principio De Funcionamiento De Los Sensores Magnéticos
El sensor magnético hace la lectura de una entrada constante, que es el campo magnético de la tierra, cuando un vehículo interfiere dentro de esta lectura el campo magnético se ve afectado debido a que este contiene materiales ferrosos.
Ilustración 10. Funcionamiento Sensor Magnético
La interferencia del vehículo se representa gráficamente de la siguiente manera:
27
Algunos sistemas que ya han sido implementados tienen la función de contar el número de ejes de los vehículos, esto para determinar la clasificación de los vehículos que circulan. Como se muestra en la ilustración 12.
En este capítulo se presenta la teoría acerca de los Sensores ultrasónicos,
Sensores magnéticos, fundamentos electromagnéticos, entorno de desarrollo
Labview, entorno de programación, topologías de red y entorno Zigbee.
CAPITULO II
29
Capítulo II.
Marco Teórico.
2. 1 Entorno de desarrollo.
2.1.1 Fundamentos de software.
En este apartado se detalla el software más importante que ha sido utilizado en el desarrollo de este proyecto, con la finalidad de que el usuario pueda ejecutarlo sin dificultades, los programas más importantes son los siguientes:
Diseño de interfaz: Labview.
Creación de código de programación.
Cabe mencionar que para llevar a cabo esta aplicación a nivel industrial o comercial, es necesaria la adquisición de sus licencias [10].
2.1.2 Entorno LabVIEW
LabVIEW proporciona una programación gráfica para aplicaciones que involucran adquisición, control, análisis y presentación de datos. Las ventajas que proporciona LabVIEW y fueron útiles para realizar este proyecto son las siguientes:
Reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10
veces, ya que es muy intuitivo y fácil de aprender.
Dota de gran flexibilidad al sistema, permitiendo cambios y
actualizaciones tanto del hardware como del software.
30
Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición, análisis y presentación de datos.
El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima
velocidad de ejecución posible.
Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.
LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones, similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o BASIC. Sin embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un importante aspecto, ya que los lenguajes de programación de estos se basan en líneas de texto para crear el código fuente del programa, mientras que LabVIEW emplea la programación gráfica para crear programas basados en diagramas de bloques.
LabVIEW posee extensas librerías de funciones y subrutinas. Además de funciones básicas de todo lenguaje de programación, también incluye librerías específicas para la adquisición de datos, control de instrumentación VXI, GPIB y comunicación serie, análisis presentación y guardado de datos.
2.1.3 Desarrollo de un VI
Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos Virtuales (VI´s), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento real. Sin embargo son análogos a las funciones creadas con los lenguajes de programación convencionales. Los VIs tienen una parte interactiva con el usuario y otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes de otros VI´s.
31
Panel Frontal:
Un panel frontal está formado por una serie de botones, pulsadores, potenciómetros, gráficos, entre otros. Cada uno de ellos puede estar definido como un control o un indicador.
Los primeros sirven para introducir parámetros al VI, mientras que los indicadores se emplean para mostrar los resultados producidos, ya sean datos adquiridos o resultados de alguna operación.
Ilustración 13. Panel Frontal Labview
Diagrama de bloques
32
Todos los indicadores y controles ubicados en el panel frontal están representados por un terminal de conexión en el diagrama de bloques tal como si se tuviera un tablero de control de una máquina, donde por el frente se ven los indicadores y por el lado posterior se aprecian todos los cables y terminales de conexión.
Ilustración 14. Diagrama De Bloques
El diagrama de bloques se construye conectando los distintos objetos entre sí, como si de un circuito se tratara. Los cables unen terminales de entrada y salida con los objetos correspondientes, y por ellos fluyen los datos.
33
2.1.4 Paletas
Las paletas de LabVIEW proporcionan las herramientas que se requieren para crear y modificar tanto el panel frontal como el diagrama de bloques. Existen las siguientes paletas:
Paleta de herramientas
Se emplea tanto en el panel frontal como en el diagrama de bloques. Contiene las herramientas necesarias para editar y depurar los objetos tanto del panel frontal como del diagrama de bloques.
34
Las opciones que presenta esta paleta son las siguientes:
Símbolo Nombre Función
Operating tool Cambia el valor de los controles.
Positioning tool Desplaza, cambia de tamaño y selecciona los objetos.
Labeling tool Edita texto y crea etiquetas.
Wiring tool Une los objetos en el diagrama de bloques.
Object Pop-up Menu tool
Abre el menú desplegable de un objeto.
Scroll tool Desplaza la pantalla sin necesidad de emplear las barras de desplazamiento.
Breakpoint tool Fija puntos de interrupción de la ejecución del programa en VI´s, funciones y estructuras.
Probe tool Crea puntos de prueba en los cables, en los que se puede visualizar el valor del dato que fluya por dicho cable en cada instante.
Color Copy tool Copia el color para después establecerlo mediante la siguiente herramienta.
35
Paleta de controles
Se utiliza únicamente en el panel frontal. Contiene todos los controles e indicadores que se emplearán para crear la interfaz del VI con el usuario. [11]
36
El menú Controls de la ventana correspondiente al panel frontal contiene las siguientes opciones:
Símbolo Nombre Función
Numeric Para la introducción y visualización de cantidades numéricas.
Boolean Para la entrada y visualización de valores booleanos.
String & Table Para la entrada y visualización de texto.
List & Ring Para visualizar y/o seleccionar una lista de opciones.
Array & Cluster Para agrupar elementos.
Graph Para representar gráficamente los datos.
Path & RefNum Para gestión de archivos.
Decorations Para introducir decoraciones en el panel frontal
User Controls Para elegir un control creado por el propio usuario.
ActiveX Para transferir datos y programas de unas aplicaciones a otras dentro de Windows.
37
Paleta de funciones
Ilustración 17. Paleta De funciones
38
Símbolo Nombre Función
Structures Muestra las estructuras de control del programa, junto con las variables locales y globales.
Numeric Muestra funciones aritméticas y constantes numéricas.
Boolean Muestra funciones y constantes lógicas.
String Muestra funciones para manipular cadenas de caracteres, así como constantes de caracteres.
Array Contiene funciones útiles para procesar datos en forma de vectores, así como constantes de vectores.
Cluster Contiene funciones útiles para procesar datos procedentes de gráficas y destinados a ser representados en ellas.
Comparison Muestra funciones que sirven para comparar números, valores booleanos o cadenas de caracteres.
Time & Dialog Contiene funciones para trabajar con cuadros de diálogo, introducir contadores y retardos, etc.
File I/O Muestra funciones para operar con ficheros.
Communication Muestra diversas funciones que sirven para comunicar varios ordenadores entre sí.
Instrument I/O Facilita la comunicación con instrumentos periféricos que siguen la norma ANSI/IEEE 488.2-1987, y el control del puerto serie.
Data Acquisition Contiene a su vez un submenú donde puede elegirse entre distintas librerías de la adquisición de datos.
Analysis Contiene un submenú en el que se puede elegir entre una amplia gama de funciones matemáticas de análisis
39 Advanced Contiene diversos submenús que permiten el control de
ayuda de los VIs, manipulación de datos.
Instrument drivers En él se muestran los drivers disponibles de distintos instrumentos.
User Libraries Muestra las librerías definidas por el usuario.
Aplication control Contiene varias funciones que regulan el funcionamiento de la propia aplicación en ejecución.
40
2.2 Software de programación
2.2.1 ArduinoLas tarjetas arduino son ordenadores en tamaño más reducido con los que puedes leer información desde diferentes sensores, como también controlar luces, motores entre otros dispositivos. [12]
Ilustración 18. Tarjeta Arduino Uno [12]
La tarjeta arduino es una plataforma de hardware de código abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación Processing. [13] Es un dispositivo que conecta el mundo físico con el mundo virtual, o al mundo analógico con el digital.
Sus creadores son el zaragozano David Cuartielles, ingeniero electrónico y docente de la Universidad de Mälmo, Suecia y Massimo Banzi, italiano, diseñador y desarrollador Web. El proyecto fue concebido en Italia en el año 2005.
Como arduino, no tiene pantalla ni teclado, se necesita un programa externo ya sea en otro tipo de ordenador que contenga lo anterior mencionado para poder escribir y descargar los programas realizados a la placa arduino. Éste
software se llama arduino IDE. Donde IDE sig ifi a I teg ated Develop e t
E vi o e t E to o de Desa ollo I teg ado , es u té i o o ú pa a
41
Una vez creado el programa (código) lo descargas a través de la plataforma IDE, y por consecuencia el programa una vez descargado se ejecutará en la placa (tarjeta).
Ilustración 19. Software De Programación (IDE).
Arduino necesita estar conectado al ordenador a través del cable USB para cargar un programa. El cable USB sirve también para suministrar energía a la placa, pero también se puede alimentarla usando una fuente de energía externa, como una batería o un transformador apropiado.
42
2.3 Fundamentos electromagnéticos
El electromagnetismo trata las relaciones entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos. Entender estas relaciones nos permite comprender cómo funcionan las máquinas eléctricas como motores, generadores o transformadores [14].
2.3.1 Campo magnético
Se trata de un campo que ejerce fuerzas magnéticas sobre los materiales. Al igual que el campo eléctrico también es un campo vectorial, pero que no produce ningún efecto sobre cargas en reposo. Sin embargo el campo magnético tiene influencia sobre cargas eléctricas en movimiento [15].
Si una carga en movimiento atraviesa un campo magnético, la misma sufre la acción de una fuerza magnética. Esta fuerza no modifica el módulo de la velocidad pero sí la trayectoria. Sobre un conductor por el cual circula electricidad y que se encuentra en un campo también aparece una fuerza magnética.
El campo magnético está presente en imanes. Por otro lado, una corriente eléctrica también genera un campo magnético.
43
2.3.2 Campo eléctrico
El origen de los campos magnéticos en las corrientes eléctricas manifiestan la siguie te e p esió : u a o ie te ás fue te esulta e u a po ás
fue te . E to es un campo eléctrico existe aunque no haya corriente. Cuando hay corriente, la magnitud del campo magnético cambiará con el consumo de potencia, pero la fuerza del campo eléctrico quedará igual [15].
2.4 Sensores Utilizados
Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.
Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. [16]
2.4.1 Sensores magnéticos (Magnetómetros)
Estos sensores pueden detectar metales magnéticos y lo pueden hacer a una profundidad mucho mayor que los detectores de metal convencionales, son capaces de detectar objetos grandes, tales como automóviles. [17]
44
Ilustración 22. Sensor Magnetico De 3 Ejes
Tipos
Los magnetómetros se pueden dividir en dos tipos básicos:
Magnetómetros escalares: miden la fuerza total del campo magnético a
la que están sometidos, pero no su dirección.
Magnetómetros vectoriales: tienen la capacidad de medir el
componente del campo magnético en una dirección particular, en relación con la orientación del dispositivo.
2.4.2 Sensor Ultrasónico
Principio Ultrasónico: El sensor ultrasónico emite cíclicamente un impulso
acústico de alta frecuencia y corta duración. Este impulso se propaga a la velocidad del sonido por el aire. Al encontrar un objeto, es reflejado y vuelve como eco al sensor ultrasónico. Este último calcula internamente la distancia hacia el objeto, basado en el tiempo transcurrido entre la emisión de la señal acústica y la recepción de la señal de eco.
45
Los sistemas de detección por ultrasonido ofrecen mediciones de distancia sin contacto con una precisión de 1mm as través del polvo, el humo y el vapor, en zonas de mucho ruido y con todo tipo de material, formas y colores, con una detección desde 100mm hasta 10000mm. Son de alta fiabilidad y no tienen problemas de contaminación.
Estos funcionan activando un transductor acústico con impulsos de tensión, provocando que el transductor vibre ultrasónicamente.
Estas oscilaciones están dirigidas hacia un objeto y midiendo el tiempo que tarda el eco en regresar al transductor, la distancia puede ser calculada.
El ruido ambiente no afecta el funcionamiento ya que la frecuencia de operación está muy por encima del de la frecuencia del sonido ambiente.
Criterios de aplicación:
El máximo rango de sensibilidad depende de diversos factores como son la forma del objeto/objetivo, la superficie del mismo, la inclinación respecto al eje del haz emitido, las propiedades de reflexión y las condiciones ambientales [19].
46
2.5 Celda Solar
Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química [20].
La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de la foto voltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.
Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n.
Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos.
47 Ilustración 25. Efecto fotovoltaico Celda Solar.
La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por:
El tipo y el área del material La intensidad de la luz del sol
La longitud de onda de la luz del sol
2.6 ZigBee
ZigBee es un estándar que define un conjunto de protocolos para el armado de redes inalámbricas de corta distancia y baja velocidad de datos.
Opera en las bandas de 868 MHz, 915 MHz y 2.4 GHz y puede transferir datos hasta 250Kbps.
Desarrolla un protocolo que adopta al estándar IEEE 802.15.4 La idea de usar una conexión inalámbrica para controlar sensores y adquirir datos tiene muchos años. Existen numerosas soluciones propietarias usadas en diferentes aplicaciones por ejemplo industriales 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.
48
2.6.1 Clasificación De Redes
En la ilustración 26 se observa un conjunto de estándares de redes inalámbricas clasificados según los ejes: velocidad de datos y alcance o cobertura.
Ilustración 26. Clasificacion De Redes
De acuerdo a su cobertura las redes inalámbricas se clasifican en:
WPAN: Redes inalámbricas de área personal
WLAN: Redes inalámbricas de área local
WMAN: Redes inalámbricas de área metropolitana
WWAN: Redes inalámbricas de área geográfica
La finalidad de una interface que opera bajo IEEE 802.11 es brindar conexión a Internet inalámbrica.
Una vez que un dispositivo WLAN se une a la red, se lo trata como a cualquier dispositivo cableado.
49
necesidad de infraestructura. Del cual su región esférica de 10 m de radio es la que rodea al dispositivo.
Las redes WPAN se las divide a su vez en redes de alta, media y baja velocidad. IEEE802.15.3 es un ejemplo de red de alta velocidad que puede ser usada por ejemplo para transmitir video desde una cámara a un TV cercano.
Bluetooth es un ejemplo de estándar de media velocidad. Puede ser usado para transmisión de música de alta calidad desde un equipo de audio a auriculares inalámbricos. También se emplea para conectar teclados, ratones y otros periféricos a computadoras.
ZigBee con una velocidad de datos máxima de 250 kbps, es considerada una red personal inalámbrica de baja velocidad.
Características generales:
Entre las características más importantes se pueden mencionar:
Puede trabajar en las bandas de 2.4GHz así como en la de 868/915MHz.
Tasa de transmisión de hasta 250 kbps en 2.4 GHz, 40kbps en 915MHz y 20
kbps en 868 MHz.
Produce alto rendimiento y baja latencia para dispositivos de bajo ciclo de trabajo, muy adecuado esto para sensores y controles.
Baja potencia. Ideal para equipos a batería.
64 bits de direccionamiento
16 bits para identificar redes que determina un total de 65536 redes.
Permite el uso de ranuras de tiempo (time slots) para posibilitar aplicaciones de baja latencia.
Rango: hasta 50 m (valor típico, depende del ambiente).
50
Alcance corto (0 a 50 metros).
Tipos de tráfico
Las aplicaciones en ZigBee en cuanto a su tráfico puede clasificarse en 3 tipos:
a) Datos periódicos (continuo): La aplicación define una tasa de datos. Es un caso típico de sensores en donde por ejemplo un sensor necesita transmitir la temperatura cada 10 segundos.
b) Datos intermitentes (por eventos): En este caso la aplicación junto a otros estímulos externos al dispositivo definen la tasa de datos. Por ejemplo en un sistema domótico, los interruptores de luces transmiten solo ante un cambio de posición. Mientras tanto están desconectados (comúnmente denominado en modo dormir) y consumiendo una energía de batería mínima.
c) Datos periódicos con comunicación garantizada (GTS) (Guaranteed time slot): Hay aplicaciones de baja latencia que requieren comunicación libre de competencia por el canal. GTS es un método de calidad de servicio.
Tipos de dispositivos
El estándar 802.15.4 define 2 tipos de dispositivos con el objeto de minimizar el costo del sistema:
a) FFD (Full Function Device): son dispositivos capaces de funcionar en cualquier topología, pueden ser coordinadores o coordinadores de red. Este tipo de dispositivo puede dialogar con cualquier otro.
51
En la ilustración 27 se muestran distintas topologías de red.
Ilustración 27. Topologías De Red ZigBee
ZigBee requiere para sus redes que haya al menos 1 dispositivo de función completa (FFD) para que actúe como coordinador de red pero los nodos finales de la estrella pueden ser de función reducida para poder reducir costos.
2.6.2 Tipos de nodos ZigBee
El estándar especifica 3 tipos de nodos que pueden estar en una red: coordinador, ruteador y dispositivo final.
Coordinador Es obligatorio la presencia de uno y solo un nodo coordinador dentro de la red. Actúa como nodo raíz en la topología árbol y es responsable de:
Arranque de la red.
Configuración de los parámetros de red.
Admisión de nodos a la red.
Asignación de direcciones de red.
Coordinador: requiere de un dispositivo de función completa (FFD) ya que necesita más potencia de cómputo. También es importante que la fuente de alimentación sea permanente y segura ya que este dispositivo nunca entrará
52
Ruteador: Es un nodo de tipo FFD pero que no es el coordinador. La utilidad de éstos es para extender la cobertura de la red y para aumentar la confiabilidad con la creación de rutas adicionales de datos.
Dispositivo final: Estos nodos se comunican con un nodo ruteador o un nodo coordinador. Estos nodos tienen menos potencia de cómputo y usualmente son alimentados a batería. Son dispositivos de funcionalidad reducida (RFD) según el estándar IEEE 802.15.4.
2.6.3 Topologías ZigBee
Debido al poco alcance de cada nodo, frecuentemente un paquete debe ser retransmitido varias veces por intermedio de ruteadores. Lo destacable es que el ruteo en cualquier topología usada se hace en la capa de red y entonces no es necesaria ninguna programación adicional en la capa de aplicación.
En la ilustración 28 las topologías estrella, árbol y malla.
Ilustración 28. Topologia Estrella,Arbol y Malla Topología estrella
Es la más sencilla. Corresponde a la topología estrella de la IEEE 802.15.4.
Características:
Un coordinador con uno o varios nodos hijos.
El rango de la red está limitado al rango de transmisión del coordinador.
53
El coordinador es el único nodo que hace ruteo de paquetes. Es un caso especial de la topología árbol. Es un árbol con profundidad máxima 1.
Topología árbol
Características:
Los nodos ruteadores pueden tener nodos hijos.
Hay comunicación directa solo a través de la relación padre-hijo.
Ruteo jerárquico con un único camino posible entre 2 nodos.
Relación padre-hijo
Los ruteadores y dispositivos finales se asocian con nodos presentes en la red. El nodo hijo es el que recientemente ha entrado en la red. El nodo padre es el nodo que le ha dado al hijo acceso a la red.
Propiedades de la relación padre-hijo:
Solo pueden ser padres el nodo coordinador o los nodos ruteadores.
En cada momento el nodo hijo tiene solo un padre.
Un hijo puede cambiar de padre.
Cuando se configura la red se deben indicar los siguientes parámetros:
1. Número máximo de hijos directos: Es la máxima cantidad de ramas que puede tener cada nodo.
2. Máxima profundidad de la red: Es la profundidad del árbol
3. Direccionamiento de nodos: Cada nodo que entra a una red recibe una dirección de 16 bits. Esta dirección se usa en comunicaciones a nivel red.
54
En la ilustración 29 se ve un ejemplo de numeración para un árbol. Lo interesante es que cada ruteador sabe cómo encaminar cada mensaje hacia un destino Z comparando su propia dirección con la del destino. Esto elimina el problema de ruteo.
Ilustración 29. Topologia Arbol
Topología malla
Es una extensión de la topología de comunicación entre pares (peer to peer).
Características:
Los nodos ruteadores pueden tener nodos hijos.
Hay comunicación directa entre dos nodos FFD siempre que estén separados
a una distancia menor al rango de transmisión entre ellos.
Los nodos terminales solo pueden intercambiar datos con sus respectivos
nodos padres.
Es posible el ruteo dinámico.
En este capítulo se explica el desarrollo para la configuración de los sensores
PING y Magnético HMC5883L, así como la configuración e integración de los
módulos Xbee Serie 2 y la interfaz de Labview.
CAPITULO III
56
Capítulo III
Desarrollo
3.1 Dispositivos.
3.1.1 Sensor Ping
El sensor PING de distancia por ultrasonidos es un sensor con un módulo todo-en-uno para medir con precisión distancias entre sí y los objetos cercanos. El alcance efectivo es de aproximadamente 1 pulgada a 10 pies (2 centímetros a 3 metros). El sensor PING sólo consume potencia modesta, y es ideal para su uso en robots móviles, sistemas de seguridad, y cualquier otra aplicación para la detección de objetos cercanos, o midiendo su distancia del sensor.
Ilustración 30. Sensor Ping
57
Funcionamiento:
Ilustración 31. Funcionamiento Sensor Ping.
Cableado Básico:
58
Grados de apertura:
Características:
1. Alimentación 5 VDC.
2. Comunicación pulso TTL Positivo.
3. Dimensiones: 0.81 x 1.8 x 0.6 in (22 x 46 x 16 mm).
4. Corriente de alimentación 30mA.
5. Rango 2cm a 3m.
59
Beneficios:
1. Alta Velocidad de respuesta
2. Bajo consumo.
3. Fácil montaje.
4. Distancia de detección alta.
5. Tamaño Reducido.
3.1.2 Sensor Magnético HMC5883L
Honeywell HMC5883L es un módulo de montaje superficial, multi-chip diseñado para de bajo campo de detección magnética con una interfaz digital para aplicaciones tales como aplicaciones bajo costo y magnetometría. El HMC5883L incluye lo último de alta resolución de la serie HMC118X de sensores magneto-resistivos más un componente que contiene la amplificación, los conductores automáticos de la correa de des magnetización, cancelación compensados, y un ADC de 12 bits que permite 1 ° a 2 ° brújula partida precisión. El bus serie I2C permite una interfaz fácil. El HMC5883L es de una superficie 3.0x3.0x0.9mm de montaje de 16 pines en el chip sin plomo.
Ilustración 33. Sensor Magnético HMC5883L.
60
El HMC5883L utiliza la tecnología de Honeywell anisotrópico (diferentes propiedades en diferentes ejes) Magnetorresistivo (AMR) que ofrece ventajas sobre otros tecnologías de sensores magnéticos. Los sensores anisotrópico son direccionales que cuentan con precisión en el eje de sensibilidad y linealidad.
La construcción de estado sólido de estos sensores son con muy baja sensibilidad en el eje transversal está diseñado para medir la dirección y la magnitud de los campos magnéticos de la Tierra, desde mili gauss a 8 gauss.
Los sensores magnéticos de Honeywell están entre los de más bajo campo, sensibles y confiables en la industria.
Características:
1. Sensor de 3 ejes Magneto-Resistivos en una superficie de 3.0x3.0x0.9. 2. ADC de 12 bits.
3. Resolución de campo magnético de 5 mili-gauss a 8 gauss.
4. Bajo voltaje de operación (2.16 a 3.6 volts) y una corriente de consumo de 100 Micro Amperes.
5. Interfaz digital I2C.
6. Rango de velocidad máxima de salida de 160Hz.
Beneficios:
1. Pequeño tamaño en los productos de integración.
2. Tipo de interfaz de comunicación.
3. Diseñado para alto volumen.
4. Costo Reducido.
5. Fácil de Montar.
6. Precisión de 1 a 2 grados.
7. Permite bajo costo de funcionalidad después de ensamblar.
61
3.1.3 Explorador Xbee Sparkfun
Se trata de montar a la unidad base de serie para la línea de XBee. Esta unidad funciona con todos los módulos XBee incluyendo la Serie 1 y la Serie 2, versión estándar y Pro. Conectar la unidad en el Explorador de XBee, conectar un cable mini USB, y se tiene acceso directo a los pines de serie y de programación de la unidad XBee [23].
El punto culminante de esta placa es un convertidor de USB a Serial FT231X. Esto es lo que traduce los datos entre el ordenador y el XBee. Contiene un botón de reinicio, y un regulador de voltaje para suministrar el XBee con más potencia.
Cuenta con pines para soldar para hacer más extendido el uso de pines del xbee.
62
Desarrollo De Programación
3.2 Sensor Ping
Se utiliza el IDE del programa Arduino para la creación del código del sensor ultrasónico, y así verificar que se encuentra funcionando correctamente.
Diagrama De Flujo Solución Del Programa Sensor Ping:
Inicio Fin DECLARACION DE LIBRERIA DECLARACON DE VARIABLES INICIALIZACION DE SENSOR PING CONFIGURACIO N DE PINES
CONFIGURACIO N DE COMUNICACIO N ARRANQUE DE DATOS SENSOR PING MEDICION EN CENTIMETROS IMPRESIÓN DE RESULTADO CONDICION DE MEDICION SI NO
63
Solución Código Sensor Ping.
Significado Botones Barra De Herramientas:
Verificar si tu programa va a funcionar.
Cargar el programa a la placa de Arduino.
Crear un programa nuevo.
Abrir un programa.
Guardar el programa en el disco duro del ordenador.
(En la parte derecha de la barra de herramientas se encuentra el
Monitor Serial) abre una ventana de comunicación con la placa Arduino.
64
3.2.1 Programación Sensor Ping.
Se realiza la programación en el IDE y se hacen las correspondientes pruebas.
65
3.2.2 Resultados Monitor Serial Sensor Ping.
Se muestra los valores por monitor serial donde se verifica que se encuentra en correcto funcionamiento y correcta medición.
66
3.3 Sensor Magnético.
Se utiliza el IDE del programa Arduino para la creación del código del sensor magnético, y así verificar que se encuentra funcionando correctamente.
Diagrama De Flujo Solución Del Programa Sensor Magnético:
Inicio Fin DECLARACION DE LIBRERIAS DECLARACON DE VARIABLES INICIALIZACION DE EJES X,Y,Z CONFIGURACIO N DE PINES Y CONSTANTES CONFIGURACIO N DE COMUNICACIO N ARRANQUE DE DATOS SENSOR MAGNETICO MEDICION EJES X,Y,Z IMPRESIÓN DE RESULTADO CONDICION DE MEDICION SI NO
67
3.3.1 Programación Sensor Magnético.
Se realiza la programación en el IDE y se hacen las correspondientes pruebas.
68
Programación Sensor Magnético Parte 2.
69
Programacion Sensor Magnetico Parte 3.
70
3.3.2 Resultados Monitor Serial Sensor Magnético.
Se muestra los valores por monitor serial donde se verifica que se encuentra en correcto funcionamiento y correcta medición.
71
3.4 Condiciones e Integración Sensores Ping y Magnético.
3.4.1 Medida De Carriles Para Condición Sensor Ultrasónico.
Para las determinaciones de las condiciones del sensor ultrasónico para la zona de detección se especifica la medida de los carriles a continuación:
La secretaria de comunicaciones y transporte especifica que el ancho de carril es de 3.4 a 3.7 m los cuales representan el balance más apropiado entre seguridad y eficiencia del flujo vehicular [23].
Se ha demostrado que anchos de carril menores de 3 metros contribuyen a generar accidentes multi-vehiculares.
Estudios han demostrado las ventajas en seguridad derivadas de la ampliación de carriles. Por ejemplo, en donde ampliaciones de carril de 2.7 a 3.4 m y de 3 a 3.7 m en carreteras, generaron reducciones en la incidencia de accidentes con heridos graves de 22%.
También los estudios de la secretaria de comunicaciones y transporte reporta resultados acerca de la cantidad de ampliación, a diferencia del ancho final de carril, fue el factor primordial que afectó la disminución de la frecuencia de los accidentes relacionados con el ancho de carril (tales como los choques frontales o las salidas del camino). Las reducciones porcentuales obtenidas fueron:
• Para una ampliación de carril de 0.3 m: 12 % de reducción
• Para una ampliación de carril de 0.6 m: 23 % de reducción
• Para una ampliación de carril de 0.9 m: 32 % de reducción
72
Para la integración de los sensores se generan condiciones donde primero actúa el sensor magnético como detección de vehículos y una vez cumplida la condición activa el sensor ultrasónico que es el que va a contar los ejes de los automóviles para poder hacer la clasificación.
Diagrama De Flujo Solución Integración De Sensores.
Inicio Fin DECLARACION DE LIBRERIAS DECLARACON DE VARIABLES INICIALIZACION DE SENSOR MAGNETICO CONFIGURACIO N DE PINES
CONFIGURACIO N DE COMUNICACIO N ARRANQUE DE DATOS SENSOR MAGNETICO LECTURA DE SENSOR PING CONDICION DE MEDICION SI NO INICIALIZACION DE SENSOR ULTRASONICO CONDICION DE MEDICION SI NO SELECCIÓN DE CLASIFICACION VEHICULAR IMPRESIÓN DE CLASIFICACION VEHICULAR MONITOR SERIAL
ENVIO DE DATOS A OTRA AREA
73
3.4.2 Programación De Integración De Sensores.
Se realiza la programación en el IDE y se hacen las correspondientes pruebas.
Programación De Integración De Sensores Y Clasificación Vehicular Parte 1.
74
Programación De Integración De Sensores Y Clasificación Vehicular Parte 2.
75
Programación De Integración De Sensores Y Clasificación Vehicular Parte 3.
76
Programación De Integración De Sensores Y Clasificación Vehicular Parte 4.
77
Programación De Integración De Sensores Y Clasificación Vehicular Parte 5.
78
3.4.3 Resultados Monitor Serial Clasificación Vehicular.
Resultados Monitor Serial Sin Detección Sin Clasificación Vehicular.
Se muestra los valores por monitor serial donde se verifica que se encuentra en correcto funcionamiento y correcta medición.
En el resultado con detección se refiere que una vez que detecto el sensor magnético un vehículo hace la suma de ejes para posteriormente hacer la clasificación vehicular.
79
Resultados Monitor Serial Sin Detección Con Clasificación Vehicular.
En el resultado sin detección se refiere que una vez que dejo de detectar el sensor magnético a un vehículo hace la configuración para la clasificación vehicular.
80
3.5 Módulos Xbee
Los módulos Xbee proveen 2 formas de comunicación:
AT: Transmisión serial transparente
API: provee muchas ventajas.
3.5.1 Modo AT
Esta el modo de transmisión serial transparente (Modo AT), en el cual la comunicación se asemeja a lo que sería una transmisión a través de un puerto serial, ya que el dispositivo se encarga de crear la trama y el dato que llegue al pin Tx será enviado de forma inalámbrica, por lo cual se considera como el modo más sencillo para utilizar estos nodos, su principal desventaja es que para enviar información a distintos nodos es necesario entrar constantemente al modo configuración para cambiar la dirección de destino.
3.5.2 Modo API
Modo API, para este caso un microcontrolador externo se debe encargar de crear una trama especifica al tipo de información que se va a enviar, este modo es recomendado para redes muy grandes donde no se puede perder tiempo entrando y saliendo del modo configuración de los dispositivos. Para redes con topología en Malla este es el modo a utilizar.
3.5.3 Software De Programación.
Los módulos Xbee son configurados desde el PC utilizando el programa X-CTU, Moltosenso o Cool Terms entre otros. Moltosenso y Cool Terms permite trabajar en múltiples plataformas, mientras que X-CTU solo trabaja en Windows.
Los Xbee pueden comunicarse en arquitecturas punto a punto, punto a multi punto.
81
Características:
Buen Alcance: hasta 300ft (100 mts) en línea vista para los módulos Xbee y hasta 1 milla (1.6 Km) para los módulos Xbee Pro.
9 entradas/salidas con entradas analógicas y digitales.
Bajo consumo <50mA cuando están en funcionamiento y <10uA cuando
están en modo sleep. Interfaz serial.
65,000 direcciones para cada uno de los 16 canales disponibles. Se pueden tener muchos de estos dispositivos en una misma red.
Fáciles de integrar.
3.5.4 Series 1 y 2
La serie 1 es utilizada en redes punto a punto y punto a multipunto. Los módulos de la serie 2 están diseñados para ser utilizados en aplicaciones que requieren repetidores. Ambos módulos pueden ser utilizados en los modos AT y API.
En este caso se utilizara el Xbee Serie 2.
Características Xbee serie 2:
250kbps máxima velocidad de datos
2mW de salida (+3 dBm)
120m rango línea abierta, 40 metros en interiores
6 pines de 10bits para entrada ADC
82
3.6 Software De Programación X-CTU
Software de configuración para XBee. Permite que la comunicación con XBee sea muy fácil, y proporciona una interfaz agradable para modificar todos los ajustes del módulo. Ofrece una exploración de la red Wi-Fi y la interfaz de conexión para hacer la conexión entre las redes [22].
El programa funciona para configurar los módulos como Router o Coordinador y verificar que la comunicación se encuentre correcta.
Ilustración 51. X-Ctu Presentación Principal.
Coordinador (administrador de la red).
83
Router (enrutador).
• “e aso ia o el oo di ado de la ed o o ot o oute )igBee. • Puede a tua o o oo di ado .
• Es el e a gado del enrutamiento de saltos múltiples de los mensajes.
Dispositivo final (End device)
• Ele e to ási o de la ed.
• No ealiza ta eas de e uta ie to.
84
3.6.1 Configuración Xbee S2
Mediante la utilización del software XCTU y las tarjetas Xbee Explorer Dongle, se realiza la configuración de los módulos Xbee.
Se busca los módulos Xbee, seleccionar Discover Devices y a continuación se mostrara los puertos COM donde se encuentran conectados los módulos Xbee.
85
Se seleccionan los puertos COM en donde se encuentran conectados los módulos Xbee y para continuar seleccionar Next.
86
Se configura los parámetros del puerto serie, para facilitar dicha configuración se conservan los valores pre-establecidos y finalmente se selecciona Finish.
87
XCTU buscara los módulos Xbee conectados a los puertos COM previamente seleccionados.
88
Posteriormente encontrados, se agregan a la lista, para esto es necesario seleccionar en Add elected devices.
89
Posteriormente agregados se selecciona el primer módulo Xbee, para acceder a su configuración. Para el primer caso se configura como coordinador.
90
Dentro de la ventana de configuraciones se observa que existen muchos parámetros a configurar pero los esenciales para crear una red son: ID (todos los Xbee deben compartir el mismo identificador), DH y DL.
91
En este caso se configura el primer XBee como coordinador modo AT, seleccionar en Update firmware y posteriormente saldrá una ventana en la que se selecciona la familia, la función (Coordinador) y la versión de nuestro módulo Xbee. Posteriormente seleccionado todo lo anterior seleccionar Update para aplicar cambios.
