Implementación de un sistema de cicloparqueaderos con tecnología NFC

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(1)IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE CICLOPARQUEADEROS CON TECNOLOGIA NFC. Proyecto de grado Modalidad: Monografía. ANDRÉS CAMILO LÓPEZ GARCÍA JHOAN MANUEL MURILLO YARA. DIRIGIDO POR: PH.D, MSC. ROBERTO FERRO ESCOBAR. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2018.

(2) IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE CICLOPARQUEADEROS CON TECNOLOGIA NFC. ANDRÉS CAMILO LÓPEZ GARCÍA 20121005064 JHOAN MANUEL MURILLO YARA 20111005011 Trabajo de grado para optar al título de: Ingeniero Electrónico. DIRIGIDO POR: PH.D, MSC. ROBERTO FERRO ESCOBAR. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2018. 2.

(3) CONTENIDO Contenido ...................................................................................................................................................... 3 INTRODUCCION ........................................................................................................................................ 5 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................. 6. 2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO .................................................................................................. 7. 3. 4. 2.1. Justificación Social: ...................................................................................................................... 7. 2.2. Justificación Investigativa: ............................................................................................................ 7. 2.3. Justificación Ambiental: ............................................................................................................... 7. OBJETIVOS DEL PROYECTO .......................................................................................................... 8 3.1. Objetivo Principal: ........................................................................................................................ 8. 3.2. Objetivos Específicos:................................................................................................................... 8. MARCO TEÓRICO.............................................................................................................................. 9 4.1. Tecnología NFC ............................................................................................................................ 9 Introducción .......................................................................................................................... 9 Desarrollo y Evolución ....................................................................................................... 11 Tipos o Formas de Comunicación....................................................................................... 12 Seguridad ............................................................................................................................ 13. 4.2. Ciclo parqueaderos...................................................................................................................... 14 Introducción ........................................................................................................................ 14 Modelos de Estacionamientos ............................................................................................. 15. 4.3. Software de Aplicación ............................................................................................................... 18 Base de Datos ...................................................................................................................... 18 Servidor ............................................................................................................................... 24 Cliente ................................................................................................................................. 25. 4.4. Hardware ..................................................................................................................................... 26 Módulos de desarrollo......................................................................................................... 26 Sistema de potencia y actuadores........................................................................................ 29. 5. 6. ANTECEDENTES ............................................................................................................................. 34 5.1. Tecnología NFC .......................................................................................................................... 34. 5.2. Grupo de Investigación L.I.D.E.R .............................................................................................. 34. 5.3. Ciclo parqueaderos...................................................................................................................... 35. 5.3.1. BIGLOO ............................................................................................................................. 35. 5.3.2. BICEBERG ......................................................................................................................... 36. DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA ....................................................................................... 37. 3.

(4) 6.1. ESTUDIO ................................................................................................................................... 37. 6.1.1. BIKED APP ESTRUCTURA – BOGOTA, COLOMBIA ................................................. 37. 6.1.2. BICIBOX ESPAÑA ............................................................................................................ 38. 6.1.3. BIKEDISPENSER – HOLANDA ...................................................................................... 39. 6.1.4. CICLO PARQUEADERO JAPÓNES ................................................................................ 40. 6.1.5. BIKE TOWER .................................................................................................................... 42. 6.1.6. QATAR VERTICAL .......................................................................................................... 43. 6.1.7. BICIMAD ........................................................................................................................... 44. 6.1.8. Bicicleta como Mercancía ................................................................................................... 45. 6.2. SELECCIÓN............................................................................................................................... 49 Recopilación de Datos ........................................................................................................ 49 Selección de Criterios ......................................................................................................... 50 Modelado y análisis 3D....................................................................................................... 56 Dimensiones de Bicicletas .................................................................................................. 57. 6.3. DISEÑO ...................................................................................................................................... 59 Diseño Mecánico................................................................................................................. 59 Diseño Electrónico .............................................................................................................. 61 Diseño de Software ............................................................................................................. 63. 6.4. IMPLEMENTACION ................................................................................................................. 71 Implementación de Software .............................................................................................. 71 Implementación Mecánica .................................................................................................. 86 Implementacion Electronica ............................................................................................... 92. 7. 8. 9. ANALISIS DE LOS RESULTADOS................................................................................................. 94 7.1. Análisis Mecánico ....................................................................................................................... 94. 7.2. Análisis Electrónico .................................................................................................................... 94. 7.3. Análisis de Software ................................................................................................................... 95. ANEXOS ............................................................................................................................................ 96 8.1. Costos Aproximados de Implementación Real ........................................................................... 96. 8.2. Videos en el Repositorio de la Red RITA................................................................................... 99. 8.3. Repositorio Algoritmos ............................................................................................................... 99. CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 100. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................... 101. 4.

(5) INTRODUCCION La definición de Smart Cities es un tema que cada vez toma más fuerza y poder en los temas de sostenibilidad y calidad de vida. El crecimiento demográfico de las ciudades de América Latina ha afectado estos dos aspectos, al principio se planteó como un problema, pero este problema trajo con él la evolución en el ámbito de gobernanza y la toma de decisiones, uso eficiente de los recursos naturales y el nacimiento de las ciudades inteligentes (relación de tecnología y eficiencia en el uso de los recursos naturales). El uso de la bicicleta en Bogotá cada vez es mayor “En Bogotá se calcula que se llegará a 2 millones de viajes en bicicleta en los próximos 10 años. Hoy en día se hacen 500 mil” [1], debido a los problemas de movilización (comodidad, tiempo de viaje, seguridad, etc.), a la conciencia ciudadana y compasión con el medio ambiente, ya muchas personas son conscientes del daño que se le está causando al planeta con los altos índices de contaminación. “Ante la declaratoria de alerta roja en Medellín por los altos niveles de contaminación del aire, en especial en su zona céntrica, la pregunta que ha salido a flote ahora es si Bogotá va por el mismo camino, dado que también presenta un incremento de su parque automotor, carros chimenea y concentración de partículas contaminantes [2] “ este es un párrafo de El Tiempo el cual advierte a Bogotá con la alerta roja en Medellín. Viendo la bicicleta como una gran opción de ayuda para el desarrollo sostenible y teniendo en cuenta el auge que han tomado las ciudades inteligentes, se están desarrollando los ciclo parqueaderos inteligentes que se basan en el almacenamiento de las bicicletas ofreciendo la seguridad de estas, apoyados en dispositivos electrónicos para el reconocimiento de personas y evitar el fraude o robo de bicicletas por la suplantación de personas. Estos dispositivos han sido equipos de biometría huella dactilar, uso de teclados para la identificación mediante claves privadas, tecnologías de identificación por radiofrecuencia (RFID), basadas en el uso de etiquetas (tarjetas que usa cada persona para realizar la identificación) y lectores (ubicados en cada ciclo parqueadero para verificar que la etiqueta sea válida). RFID es el proceso en el cual objetos son identificados de manera única usando ondas de radio y NFC es una tecnología especializada dentro de la familia de tecnologías RFID. El sistema de comunicación NFC tiene ciertas ventajas de seguridad, por ejemplo, el alcance de la etiqueta con el lector es de máximo 20 cm, aunque en la práctica es de aproximadamente 8 cm, esto es una gran ventaja porque es casi imposible la interferencia de un tercero en el intercambio de la información. Otra ventaja es su transmisión de información casi inmediata, su tasa de transferencia es de 424 kbit/s. En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se ha venido presentando un problema de infraestructura y falta de espacio para el almacenamiento de las bicicletas de los estudiantes, profesores y funcionarios de esta. Al brindar la posibilidad de poder implementar un modelo de ciclo parqueadero automatizado existe la posibilidad de mejorar opciones para almacenar una bicicleta y mejorar la seguridad de esta al ser respaldada por la tecnología NFC, pues cada etiqueta es única, agilidad en el proceso de registrarla, pues como se explicó anteriormente el intercambio de información entre etiqueta y lector es casi inmediata.. 5.

(6) 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la actualidad hay un aumento en el uso de sistemas alternativos de transporte como el uso de bicicletas, ciclomotores y motos eléctricas en la ciudad de Bogotá, debido a factores como la movilidad y el cambio climático. En la sede de ingeniería de la Universidad Francisco José de Caldas se evidencia un problema de organización, almacenamiento y seguridad en los ciclo-parqueaderos. La Universidad se ha encontrado con un problema de infraestructura considerable en cuanto a sus ciclo-parqueaderos, ya que no está preparada para recibir la cantidad de bicicletas que se presenta. Se han buscado soluciones para este problema con solicitudes de los usuarios para financiar más cicloparqueaderos, pero sin ninguna respuesta. En cuanto a la seguridad se ha puesto vigilancia, pero esto no asegura la tranquilidad dado que el volumen de bicicletas es muy grande. En cuanto al espacio, se encuentran al aire libre con un espacio reducido ya que la sede de ingeniería se encuentra en una zona reducida en el centro de la ciudad. NFC (Near Field Comunication) o en español, Comunicación de Campo Cercano, consiste en comunicación inalámbrica de datos la cual puede transferir información de forma rápida y segura. Ha tenido una gran acogida para los pagos de servicios de transporte masivo como Transmilenio y el SITP, en los sistemas de pagos a través de celulares [2], conexión inmediata de dispositivos móviles [1] e inclusive como accesos para edificios y conjuntos. La Universidad Francisco José de Caldas implementó este tipo de tecnología en los identificadores más recientes de la comunidad educativa en la Facultad de Ingeniería para el uso en el sistema de transporte Transmilenio y SITP. La idea es el acoplamiento de este sistema de comunicación para resolver los problemas de seguridad, almacenamiento e ingreso de las bicicletas usadas por comunidad educativa. Actualmente el registro de los usuarios se hace mediante documentación escrita, lo cual genera un retraso de tiempo en horas pico. El sistema NFC como explicamos anteriormente permite el intercambio de información casi inmediata lo cual agiliza el procedimiento de registro y almacenamiento de las bicicletas. Nuestra pregunta a solucionar será: ¿Cómo se puede mejorar el registro, almacenamiento y seguridad de los usuarios en los cicloparqueaderos usando la tecnología de comunicación de campo cercano (NFC) en la Sede de ingeniería de la Universidad Francisco José de Caldas?. 6.

(7) 2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO. 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL: Debido a problemas en el aspecto de la movilidad, espacio, ambiente y uso de recursos, en las ciudades debido a la congestión y la contaminación vehicular (Comercio, Movilidad En Bicicleta En Bogotá Año 2009, 2017), se ha optado por formas alternativas de transporte, entre ellos la bicicleta, la cual puede ofrecer muchos beneficios, desde tipo ambiental, hasta tipo económico y de salud. La justificación social es fomentar el uso de la bicicleta como alternativa de transporte mostrando los posibles beneficios de viajar en un medio de transporte más sustentable y mejorar la movilidad de la comunidad educativa.. 2.2 JUSTIFICACIÓN INVESTIGATIVA: La identificación personal se modifica a medida que la tecnología lo permite. La tecnología NFC ha sido acogida en países altamente desarrollados para el acceso inmediato y seguro de cada individuo a un respectivo lugar. En ciudades como Bogotá se ha implementado de forma masiva en el pago de servicios de Transporte Masivo como Transmilenio y el SITP y Empresas como Sony las usan para la identificación y conexión de dispositivos móviles y accesorios de forma inmediata (Tiempo, 2017). Esta Tecnología Ha mostrado que tiene gran potencial no solo de implementación, sino de acoplamiento, escalabilidad y seguridad en el mercado.. 2.3 JUSTIFICACIÓN AMBIENTAL: El uso de las bicicletas es tendencia por muchos de sus beneficios, entre ellos el beneficio ambiental ya que montar en bicicleta ahorra 1,5 kg de CO2 por cada 5km recorridos. Poder ofrecer una alternativa de solución a este problema que se presenta, además de ofrecer un gran incentivo para que la universidad sea un lugar que fomente el desarrollo sustentable es la mayor justificación a realizar este proyecto (Comercio, Movilidad En Bicicleta En Bogotá Año 2009, 2017).. 7.

(8) 3 OBJETIVOS DEL PROYECTO. 3.1 OBJETIVO PRINCIPAL: Solucionar un problema de organización del ciclo parqueadero (robos, identificación, almacenamiento, organización, etc.) mediante el uso de la tecnología NFC, implementando un sistema de ciclo parqueaderos, creando un método de ingreso y almacenamiento de las bicicletas. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: . Realizar un estudio acerca de los sistemas de ciclo parqueaderos ya implementados observando cuidadosamente la implementación de tecnologías.. . Seleccionar los requerimientos base mínimos para lograr implementar el sistema y el posible uso en la universidad.. . Realizar el diseño de software y hardware del sistema de ciclo parqueadero.. . Desarrollar el piloto del sistema y realizar la respectiva validación.. 8.

(9) 4 MARCO TEÓRICO Dado que el proyecto se centra en la tecnología NFC como llave de accesos personal, será necesario plantear algunos parámetros que sirvan de ejes conceptuales sobre los que apoyar la lectura interpretativa de dicha tecnología.. 4.1 TECNOLOGÍA NFC A continuación se dará un breve resumen de la tecnología NFC incluyendo normativas principales, desarrollo, evolución y en que consiste este método de comunicación. INTRODUCCIÓN Para empezar, Near Field Communication (NFC) que en español significa Comunicación de campo cercano la cual es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance desarrollado por NXP semiconductor, Sony y Nokia (Forum, nfc-forum.org, 2012). La normativa que rige este tipo de comunicación inalámbrica, es el ISO/IEC 18092 o el ISO/IEC 21481 los cuales definen la interfaz y el protocolo de comunicación de NFC. Sin embargo, Las empresas NXP semiconductor, Sony y Nokia desarrollaron un foro libre llamado NFC Fórum donde se ha desarrollado varios estándares adicionales. Tabla 1. Resumen de los estándares para la aplicación de la tecnología NFC. (Vedat Coskun, 2013) ENTIDAD DE ESTANDAR ESTANDARIZACION. ISO/IEC. ETSI. DESCRIPCION. ISO/IEC 18092. Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano (NFCIP-1). ISO/IEC 21481. Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano (NFCIP-2). ISO/IEC 28361. Interfaz cableada de comunicación de campo cercano WI). ISO/IEC 14443. Tarjetas inteligentes de proximidad sin contacto y sus características técnicas. ISO/IEC 15693. Tarjetas inteligentes de vecindad sin contacto y sus características técnicas. ETSI TS 102 190. Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano (NFCIP-1). ETSI TS 102 312. Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano (NFCIP-2). ETSI TS 102 541. Interfaz cableada de comunicación de campo cercano (NFC-WI). 9. (NFC-.

(10) ETSI TS 102 613. Interfaz sin contacto (CLF) Interface para UICC, características físicas y de enlace de datos; Protocolo de cableado simple (SWP). ETSI TS 102 622. Contactless front end (CLF) interface for UICC, Host Controller Interface (HCI). ECMA 340. Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano (NFCIP-1). ECMA 352. Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano (NFCIP-2). ECMA 356 ECMA 362. NFCIP-1 -Métodos de prueba para la interfaz de RF NFCIP-1 - Métodos de prueba de protocolo. ECMA 373. Interfaz cableada de comunicación de campo cercano WI). ECMA 385. NFC-SEC: NFCIP-1 protocolo y servicios de seguridad. ECMA 386. NFC-SEC-01: NFC-SEC Criptografía estándar usando ECDH y AES. ECMA 390. Comando de configuración de interfaz para NFC-WI. ECMA. (NFC-. NFC Especificación de Interfaz digital y protocolo de transmisión half duplex de los protocolo digital dispositivos del NFC Fórum Device NFC Especificación de Actividades para establecer el protocolo de comunicación actividad NFC NFC Especificación analógica NFC. NFC Fórum. Especificación para la Interfaz de controlador NFC (NCI) Especificación del protocolo de control de enlace lógico (LLCP) Especificación del formato de intercambio de datos NFC (NDEF) Especificación de definición de tipo de grabación (RTD) de NFC Especificación de RTD de Poster Inteligente Especificación RTD de texto Especificación Uniforme de Identificador de Recursos (URI). Interfaz analógica para los dispositivos del NFC Fórum Interfaz de controlador NFC (NCI) entre un controlador NFC (NFCC) y un dispositivo anfitrión (DH). Soporta la operación P2P para aplicaciones NFC. Formato de datos común para dispositivos y etiquetas. Tipos de registro estándar utilizados en los mensajes entre dispositivos / etiquetas. Para carteles con etiquetas, texto, audio u otros datos Para registros que contengan texto sin formato. Para los registros que hacen referencia a un recurso de Internet. 10.

(11) Tipos de NFC 1-4 Operaciones de etiquetas Especificaciones Especificación de transferencia de conexión. Define los tipos de etiqueta obligatorios del foro NFC. Cómo establecer una conexión con otras tecnologías inalámbricas. Las transmisiones NFC funcionan a una frecuencia de 13.56 MHz y usa un funcionamiento similar al de las etiquetas RFID que se usan en bonos de transporte o tarjetas de seguridad. Lo que permite hacer su transmisión de información casi inmediata es su tasa de transferencia de 424 kbit/s. Una de sus mayores ventajas es la posible comunicación sin emparejamiento y tiene un rango máximo de 20 cm.. ELF VF VLF LF MF. Frecuencia Extremadamente Baja Frecuencia de Voz Muy Baja Frecuencia Baja Frecuencia Frecuencia Media. HF VHF UHF SHF EHF. Frecuencia Alta Muy Alta Frecuencia Ultra Alta Frecuencia Súper Alta Frecuencia Extremadamente Alta Frecuencia. Figura 1: Frecuencia de Trabajo Para la Tecnología NFC (Vedat Coskun, 2013). DESARROLLO Y EVOLUCIÓN En la era moderna, se le ha dado un peso importante al concepto de conectividad y comunicación. Ser capaces de conectarse y acceder a cualquier lugar; y de esta forma se ha desarrollado la telefonía móvil en torno a las comunicaciones inalámbricas. En paralelo a esto en el ámbito empresarial se han logrado. 11.

(12) desarrollar métodos de registro electrónico como los códigos de barras en un supermercado y las tarjetas de banda magnética o chip en la realización de transacciones. NFC se desarrolló como una alternativa de comunicación similar a la comunicación RFID [16]. Al mismo tiempo se desarrolló como una alternativa para las Tarjetas de Tipo Contactless o “Sin contacto”.. Figura 2. Desarrollo y evolución Hacia la Tecnología NFC (Vedat Coskun, 2013). La tecnología NFC actúa como un vector de clave para el comercio móvil, permite la identificación de cada individuo como único en una base de datos. Lo cual nos lleva a la seguridad y facilidad de realizar procesos relacionados con la actividad del dinero (Realizar un pago), acceder a ciertos lugares o eventos (Ingresar a un concierto, oficina, universidad), el poder reconocer e interactuar con una base de datos solo con un acercamiento de un aparato que cuente con esta tecnología. Como meta la tecnología NFC desea integrar toda la información privada de una persona como tarjetas de crédito, llaves, etc. en un teléfono móvil.. TIPOS O FORMAS DE COMUNICACIÓN Para Saber que formas de comunicación hay se deben indicar los agentes. Existen 3 actores, los emuladores de tarjetas NFC (Activos) las Etiquetas NFC (Pasivos) y Los Teléfonos Inteligentes o Smartphone (Activo/Pasivo). NFC puede funcionar de dos formas: La primera es generando un campo electromagnético propio e intercambiando datos (caso de los Smartphone y los emuladores de tarjetas NFC). 12.

(13) Figura 3. Intercambio de Información Smartphone – Smartphone (Vedat Coskun, 2013). Figura 4. Intercambio de Información Emulador – Smartphone (Vedat Coskun, 2013). Y la segunda, usando un campo electromagnético ajeno para intercambiar la información (caso de las pegatinas). Figura 5. Intercambio de Información Smartphone- Pegatina (Vedat Coskun, 2013). SEGURIDAD NFC es un medio de transmisión inalámbrico seguro dado que fue diseñado con el fin de operar con tecnología móvil con reducida distancia de acción la cual hace que sea muy difícil que un tercer dispositivo interfiera en la conexión, por otro lado, las transmisiones pueden usar encriptaciones de seguridad tales como SSL (Secure Sockets Layer, es un protocolo diseñado para permitir que las aplicaciones para transmitir información de ida y de manera segura hacia atrás. (Digicert, 2018)), ECDH (Elliptic curve Diffie–Hellman, Es un protocolo de acuerdo de clave anónima que permite a dos partes, cada una con un par de claves público-privado de curva elíptica, establecer un secreto compartido sobre un canal inseguro) y AES (Advanced Encryption Standard, es un esquema de cifrado por bloques adoptado. 13.

(14) como un estándar de cifrado por el gobierno de los Estados Unidos) por lo que los datos viajan a salvo entre dispositivos. (Android, 2018).. 4.2 CICLO PARQUEADEROS El segundo tema principal a observar es la infraestructura de ciclo-parqueaderos básicos ya implementados en todo el mundo, dado que se piensa en mejorar estos factores iniciales de manejo (Carlos Felipe Pardo, 2013). INTRODUCCIÓN La bicicleta es un medio de transporte barato, fácil de usar y efectivo además de disfrutarse en competencias mundiales, sin embargo, cuando de transporte se trata existen varios factores a tratar. (Carlos Felipe Pardo, 2013) Seguridad El objetivo de usar el estacionamiento es evitar el posible robo y maltrato de la bicicleta (o partes de esta). El usuario considera que un estacionamiento es seguro si cumple con estos requisitos:   . Permite sujetar el cuadro/marco y una o ambas ruedas de la bicicleta Permite usar cualquier tipo de candado Está ubicado en un lugar que ofrece control y vigilancia, bien sea del usuario o de la entidad o establecimiento encargado del ciclo parqueadero. La comodidad de uso del estacionamiento Se refiere al espacio que tiene el usuario para asegurar y desasegurar la bicicleta de manera rápida y eficaz y sin mayor esfuerzo físico. Facilidad de uso del estacionamiento El estacionamiento debe funcionar de tal manera que el usuario, independientemente de su condición física, género, edad o estatura, no necesite asistencia para acomodar la bicicleta. Protección contra la intemperie Se prefiere este tipo de estacionamientos, especialmente si los usuarios requieren dejar su bicicleta por varias horas durante el día, por ejemplo, los que van al trabajo. Factores Adicionales Adicional a esto se debe tener en cuenta el marco institucional como entidad promotora del servicio, en este caso la Universidad, la cual se enfrenta a ciertos factores (Carlos Felipe Pardo, 2013): . Organizar el espacio público de manera fácil y económica. 14.

(15) .   . Generar políticas para que se garantice la creación de espacios para estacionamientos de bicicletas al interior de los edificios residenciales, comerciales, edificios públicos, oficinas, centros de actividades y estacionamientos públicos y privados, Disponer de ciclo-parqueaderos no sólo en el espacio público sino en los diferentes puntos de origen y destino de los usuarios, mejorando la cobertura en la ciudad. Sencillez en el diseño del estacionamiento El costo de construcción debe ser económico sin sacrificar calidad.. MODELOS DE ESTACIONAMIENTOS Actualmente se han implementado varios sistemas de ciclo-parqueaderos en distintos sitios del mundo. A continuación, se presentan un conjunto de soluciones de parqueo: Onda o Wave:. Figura 6. Tipo Onda o M100 (Carlos Felipe Pardo, 2013) Este ciclo parqueadero tiene algunos problemas de diseño, debido a que se puede poner la bicicleta de forma paralela reduciendo la capacidad del mismo Tostador o Cepillo. Figura 7. Tipo Tostador o M101 (Carlos Felipe Pardo, 2013). 15.

(16) Es el modelo más utilizado en Bogotá, en parques, aceras e inclusive en el ciclo-parqueadero de la sede de Ingeniería de la Universidad Distrital, ya que tiene gran capacidad. Sin embargo, necesita de mucho espacio para su implementación y solo se puede asegurar parte de la bicicleta Gancho Vertical. Figura 8: tipo Gancho vertical (Carlos Felipe Pardo, 2013) Es el parqueadero más económico de implementar ocupa un espacio mínimo, sin embargo, es difícil de usar para personas con poca fuerza o baja estatura. U Invertida. Figura 9: Tipo U Invertida (Carlos Felipe Pardo, 2013) A nivel internacional es el de más uso debido a que se puede asegurar la bicicleta de forma completa (Marco y Llantas), sin embargo, para una protección del ambiente necesita una estructura adicional.. 16.

(17) “Post and Loop”. Figura 10: Tipo U Invertida (Carlos Felipe Pardo, 2013) Muy parecido a la U invertida, se puede anclar la bicicleta completamente y es de bajo costo, pero necesita de estructura adicional para la protección del sol y la lluvia. Dos Niveles. Figura 11: Tipo Dos Niveles (Carlos Felipe Pardo, 2013) Este parqueadero es el mejor en cuanto a espacio, ya que tiene dos niveles, sin embargo, puede presentar gastos en cuanto a su mantenimiento. 17.

(18) 4.3 SOFTWARE DE APLICACIÓN Para poder realizar la implementación del software asociado al ciclo-parqueadero existe un gran número de lenguajes de programación, modelos de servidores, aplicaciones y modelos de bases de datos capaces de ayudarnos a solucionar el paradigma de registro, acceso y control del ciclo parqueadero. Sin embargo dada la comodidad que ofrece el software libre y las aplicaciones web, la cual se puede compilar en cualquier dispositivo que maneje un explorador como Google Chrome, Mozilla Firefox, Opera, entre otros, se piensa la implementación en lenguaje como HTML JavaScript y afines. BASE DE DATOS Existen Varios modelos de bases de datos, generados de acuerdo a cierto conjunto de necesidades, sin embargo existen dos grupos donde se pueden catalogar un gran conjunto de bases de datos, las bases de datos relacional o SQL, y las bases de datos no relacional o No SQL, donde se observaran Base de Datos Relacional (SQL) Una base de datos relacional es un conjunto de una o más tablas estructuradas en registros (líneas) y campos (columnas), que se vinculan entre sí por un campo en común, en ambos casos posee las mismas características como por ejemplo el nombre de campo, tipo y longitud; a este campo generalmente se le denomina ID, identificador o clave. A esta manera de construir bases de datos se le denomina modelo relacional. El modelo relacional, es un modelo de datos basado en la lógica de predicados y en la teoría de conjuntos. Tabla 2: Ejemplo de una tabla que contiene varios clientes en un establecimiento. Su idea fundamental es el uso de relaciones. Estas relaciones podrían considerarse en forma lógica como conjuntos de datos llamados tuplas. La mayoría de las veces se conceptualiza de una manera más fácil de imaginar, pensando en cada relación como si fuese una tabla que está compuesta por registros (cada fila de la tabla sería un registro o "tupla") y columnas (también llamadas "campos").. 18.

(19) Figura 12: Diagrama del modelo relacional para un ejemplo de facturación (Programacion, 2017). Es el modelo más utilizado en la actualidad para modelar problemas reales y administrar datos dinámicamente. Base de datos No Relacional (No SQL) Una base de datos no relacional es una base de datos que no necesariamente cumple con este modelo relacional, sin embargo puede cumplir con otro tipo de requerimientos requeridos por algún problema. Este tipo de base de datos aparece por la necesidad del manejo de grandes cantidades de información, generada por aplicaciones como Facebook, Twitter, o YouTube, donde cada persona puede generar contenido, haciendo que la cantidad de datos crezca de forma abrumadora, generando un problema de gestión en el almacenamiento de las bases de datos relacionales. (Acens, 2014) (Danny Mora, 2017) Gracias a este fenómeno se generaron varias soluciones e bases de datos para problemas específicos; entre ellos están:. . Base de Datos Clave-Valor:. Son el modelo de base de datos No SQL más popular, además de ser la más sencilla en cuanto a funcionalidad. En este tipo de sistema, cada elemento está identificado por una llave única, lo que permite la recuperación de la información de forma muy rápida, información que habitualmente está almacenada como un objeto binario (BLOB). Se caracterizan por ser muy eficientes tanto para las lecturas como para las escrituras. Algunos ejemplos de este tipo son Cassandra, BigTable o HBase.. 19.

(20) Figura 13: Diagrama del modelo no relacional para dos conjuntos de valores de clave-valor (Acens, 2014). . Base de Datos Documentales. Este tipo almacena la información como un documento, generalmente utilizando para ello una estructura simple como JSON o XML y donde se utiliza una clave única para cada registro. Este tipo de implementación permite, además de realizar búsquedas por clave–valor, realizar consultas más avanzadas sobre el contenido del documento. Son las bases de datos No SQL más versátiles. Se pueden utilizar en gran cantidad de proyectos, incluyendo muchos que tradicionalmente funcionarían sobre bases de datos relacionales. Algunos ejemplos de este tipo son MongoDB o CouchDB. (Danny Mora, 2017). Figura 14: Diagrama del modelo no relacional para un ejemplo de almacenaje de información personal. 20.

(21) . Base de Datos en Grafo. En este tipo de bases de datos, la información se representa como nodos de un grafo y sus relaciones con las aristas del mismo, de manera que se puede hacer uso de la teoría de grafos para recorrerla. Para sacar el máximo rendimiento a este tipo de bases de datos, su estructura debe estar totalmente normalizada, de forma que cada tabla tenga una sola columna y cada relación dos. Este tipo de bases de datos ofrece una navegación más eficiente entre relaciones que en un modelo relacional. Algunos ejemplos de este tipo son Neo4j, InfoGrid o Virtuoso.. Figura 15: Diagrama del modelo no relacional para el almacenamiento de información conjunta (Acens, 2014). Las ventajas de los sistemas de bases de datos No SQL son: . .  . Se ejecutan en máquinas con pocos recursos: Estos sistemas, a diferencia de los sistemas basados en SQL, no requieren de apenas computación, por lo que se pueden montar en máquinas de un coste más reducido. Escalabilidad horizontal: Para mejorar el rendimiento de estos sistemas simplemente se consigue añadiendo más nodos, con la única operación de indicar al sistema cuáles son los nodos que están disponibles. Pueden manejar gran cantidad de datos: Esto es debido a que utiliza una estructura distribuida, en muchos casos mediante tablas Hash. No genera cuellos de botella: El principal problema de los sistemas SQL es que necesitan transcribir cada sentencia para poder ser ejecutada, y cada sentencia compleja requiere además de un nivel de ejecución aún más complejo, lo que constituye un punto de entrada en común, que ante muchas peticiones puede ralentizar el sistema.. Algunas Diferencias que se destacan de estas bases de datos a las bases de datos relacionales son las siguientes:. 21.

(22) . . . . No utilizan SQL como lenguaje de consultas. La mayoría de las bases de datos No SQL evitan utilizar este tipo de lenguaje o lo utilizan como un lenguaje de apoyo. Por poner algunos ejemplos, Cassandra utiliza el lenguaje CQL, MongoDB utiliza JSON o BigTable hace uso de GQL. No utilizan estructuras fijas como tablas para el almacenamiento de los datos. Permiten hacer uso de otros tipos de modelos de almacenamiento de información como sistemas de clave–valor, objetos o grafos. No suelen permitir operaciones JOIN. Al disponer de un volumen de datos tan extremadamente grande suele resultar deseable evitar los JOIN. Esto se debe a que, cuando la operación no es la búsqueda de una clave, la sobrecarga puede llegar a ser muy costosa. Las soluciones más directas consisten en desnormalizar los datos, o bien realizar el JOIN mediante software, en la capa de aplicación. Arquitectura distribuida. Las bases de datos relacionales suelen estar centralizadas en una única máquina o bien en una estructura máster–esclavo, sin embargo en los casos No SQL la información puede estar compartida en varias máquinas mediante mecanismos de tablas Hash distribuidas. Elección de Base de Datos. Teniendo en cuenta los conceptos relacionados anteriormente, las características esenciales de la base de datos a implementar dependerá de los siguientes aspectos . Recursos: La Base de Datos No SQL requiere de menos recurso de hardware para su funcionamiento, a diferencia de la base de datos SQL que requiere la transcripción de cada operación haciendo más compleja la acción final. . Cantidad y Tipos de Datos: La Base de Datos Documental es la que mejor se adapta al registro de eventos, dado que para este sistema es primordial la creación de registros y sus posibles adaptaciones futuras dado el posible aumento de clientes y registros.. . Seguridad: Todas las bases de Datos tienen cierto nivel de seguridad incluyendo autenticación y comunicación encriptada. . Compatibilidad: Aplicaciones Web implementadas en lenguaje JavaScript Como NodeJS del lado del servidor ofrece soporte para manejo de bases de datos tanto SQL como No SQL, adicional al usar el protocolo HTTP para realizar comunicaciones, ofrece compatibilidad con otros lenguajes de programación como Python. Con respecto a los ítems anteriores, la base de datos a usar será MongoDB. A continuación se presentaran sus principales características MongoDB. MongoDB es la base de datos No SQL líder, la cual está orientada a documentos, que trabaja bajo el concepto de código abierto, es decir, que cada entrada puede tener un esquema de datos diferente que nada tenga que ver con el resto de registros almacenados. Es bastante rápido a la hora de ejecutar sus operaciones ya que está escrito en lenguaje C++. Para el almacenamiento de la información, utiliza un sistema propio de documento conocido con el nombre BSON, que es una evolución del conocido JSON pero con la peculiaridad de que puede almacenar datos binarios. En poco tiempo, MongoDB se ha convertido en una de las bases de datos No SQL favoritas por los desarrolladores. (Danny Mora, 2017). 22.

(23) La base de datos MongoDB es adecuada para los siguientes usos:                . Almacenamiento y registro de eventos Para sistemas de manejo de documentos y contenido Comercio Electrónico Juegos Problemas de alto volumen de lecturas Aplicaciones móviles Almacén de datos operacional de una página web Manejo de contenido Almacenamiento de comentarios Votaciones Registro de usuarios Perfiles de usuarios Sesiones de datos etc. Proyectos que utilizan metodologías de desarrollo iterativo o ágiles Manejo de estadísticas en tiempo real. MongoDB guarda la estructura de los datos en documentos tipo JSON con un esquema dinámico llamado BSON, lo que implica que no existe un esquema predefinido. Los elementos de los datos se denominan documentos y se guardan en colecciones. Una colección puede tener un número indeterminado de documentos. En un documento, se pueden agregar, eliminar, modificar o renombrar nuevos campos en cualquier momento, ya que no hay un esquema predefinido. La estructura de un documento es simple y compuesta por pares llave/valor, parecido a las matrices asociativas en un lenguaje de programación, esto es debido a que MongoDB sigue el formato de JSON. En MongoDB la clave es el nombre del campo y el valor es su contenido, los cuales se separan mediante el uso de “:”, tal y como se puede ver en el siguiente ejemplo. Como valor se pueden usar números, cadenas o datos binarios como imágenes o cualquier otro. { "_id": ObjectId ("4efa8d2b7d284dad101e4bc7"), "Nombre": "Carlos", "Apellido": "Valbuena", "Edad": 34, "Dirección": { "Direccion_Local": "Calle 24 #14 23", "Ciudad": "Bogotá D.C." } }. Figura 16: Ejemplo de un formato dinámico .JSON donde se guarda información de una persona. 23.

(24) Adicional a lo anterior, se observa que en un documento se puede guardar otro documento como se ve en el campo Dirección, en la cual se agrega un documento con Dirección local y Ciudad. Mongo DB Ofrece un conjunto de características importantes para el manejo de documentos, como son:. 1. Consultas Ad hoc: MongoDB soporta la búsqueda por campos, consultas de rangos y expresiones regulares. Las consultas pueden devolver un campo específico del documento pero también puede ser una función JavaScript definida por el usuario. 2. Indexación: Cualquier campo en un documento de MongoDB puede ser indexado, al igual que es posible hacer índices secundarios. El concepto de índices en MongoDB es similar a los encontrados en base de datos relacionales 3. Replicación: MongoDB soporta el tipo de replicación primario-secundario. Cada grupo de primario y sus secundarios se denomina replica set. El primario puede ejecutar comandos de lectura y escritura. Los secundarios replican los datos del primario y sólo se pueden usar para lectura o para copia de seguridad, pero no se pueden realizar escrituras. Los secundarios tiene la habilidad de poder elegir un nuevo primario en caso de que el primario actual deje de responder. 4. Balanceo de carga: MongoDB se puede escalar de forma horizontal usando el concepto de “shard”. El desarrollador elige una clave de sharding, la cual determina cómo serán distribuidos los datos de una colección. Los datos son divididos en rangos (basado en la clave de sharding) y distribuidos a través de múltiples shard. Cada shard puede ser una réplica set. MongoDB tiene la capacidad de ejecutarse en múltiple servidores, balanceando la carga y/o replicando los datos para poder mantener el sistema funcionando en caso que exista un fallo de hardware. La configuración automática es fácil de implementar bajo MongoDB y se pueden agregar nuevas servidores a MongoDB con el sistema de base de datos funcionando. 5. Agregación: MongoDB proporciona un framework de agregación que permite realizar operaciones similares a las que se obtienen con el comando SQL "GROUP BY". El framework de agregación está construido como un pipeline en el que los datos van pasando a través de diferentes etapas en los cuales estos datos son modificados, agregados, filtrados y formateados hasta obtener el resultado deseado. Todo este procesado es capaz de utilizar índices si existieran y se produce en memoria. Asimismo, MongoDB proporciona una función MapReduce que puede ser utilizada para el procesamiento por lotes de datos y operaciones de agregación. 6. Ejecución de JavaScript del lado del servidor: MongoDB tiene la capacidad de realizar consultas utilizando JavaScript, haciendo que estas sean enviadas directamente a la base de datos para ser ejecutadas.. SERVIDOR Del lado del servidor se desea que la aplicación consuma la mínima cantidad de recursos de Hardware, que sea compatible con la base de datos a implementar y ofrecer escalabilidad. Para esto se usara un servidor REST (Representational State Transfer) o de transferencia de representación de estado, donde. 24.

(25) el cliente se encarga de manejar su actividad ante el servidor y donde el servidor no guarda datos del cliente. Cada transacción o petición es limpia, independiente para el servidor, a menos que le cliente pueda mostrar su estado ante él; este tipo de servidor tiene una gran ventaja, representada en escalabilidad, un sistema que puede trabajar, mejorar y aumentar sobre sí mismo. Esta característica es la más importante para poder desarrollar una aplicación acorde a unas necesidades que pueden cambiar en el tiempo, ya que el prototipo así lo exige en cuanto a manejo de datos. Teniendo en cuenta una posibilidad de expansión en el campo público y privado. (Danny Mora, 2017) NodeJS NodeJS es un entorno de ejecución para JavaScript del lado del servidor el cual funciona bajo el paradigma de la programación dirigida por eventos. Este entorno de programación trabaja bajo el motor V8 JavaScript creado por Google, escrito en C++ y encargado de ejecutar programas como Google Chrome, el cual ofrece la funcionalidad de trabajar de forma parecida a una interfaz de usuario, en la cual se leen eventos generados por algún interfaz como el teclado, el mouse y se realiza la acción correspondiente, solo que en este caso los eventos están orientados al momento de realizar una conexión, enviar o recibir datos de una conexión, cerrar una conexión o bajo situaciones propias del servidor. Este entorno de programación fue creado debido a un problema muy frecuente en el funcionamiento de los servidores con programación estructurada como PHP, en el cual cada conexión requere de memoria, y entre más conexiones se hacen, el servidor requiere de más memoria para mantener los datos y la conexión, generando un aumento en los costos de operación, mantenimiento y el aumento de posibles eventualidades. Esto nos lleva un concepto importante de Node, que el servidor puede capturar mas conexiones dado que cada conexión dispara una ejecución de evento dentro del proceso del motor de Node, en lugar de generar un hilo como lo haría un servidor PHP usando más recursos de hardware. (Danny Mora, 2017) Express Generator NodeJS por si solo tiene un problema, en referencia a que es el entorno para poder crear servicios consumibles por otras aplicaciones, pero por si solo no tiene la facilidad de otros servidores como Apache y PHP de generar el código necesario para hacer un esqueleto y poder modificar la aplicación en corto tiempo. Para esto esta Express Generator, el cual funciona como plantilla o esqueleto para el desarrollo de la mayoría de aplicaciones en donde se pueden diferenciar fácilmente los paquetes necesarios para correr la aplicación, los esquemas de trabajo, los archivos de configuración y de ejecución. Adicional el esquema se ha construido para obtener un servidor a prueba de errores. Express Generator nos provee de un esquema minimalista de un servidor REST para el desarrollo de una API-REST. (Danny Mora, 2017). CLIENTE Es necesario crear un cliente capaz de consumir el servicio de la base de datos, para esto se piensa implementar a través de Python un cliente operativo capaz de hacer las solicitudes y consumir los servicios. Python Python es un lenguaje de programación interpretado cuya filosofía hace hincapié en una sintaxis que favorezca un código legible. Se trata de un lenguaje de programación multiparadigma, ya que soporta orientación a objetos, programación imperativa y, en menor medida, programación funcional. Es un lenguaje interpretado, usa tipado dinámico y es multiplataforma.. 25.

(26) Es administrado por la Python Software Foundation. Posee una licencia de código abierto, denominada Python Software Foundation License,que es compatible con la Licencia pública general de GNU a partir de la versión 2.1.1, e incompatible en ciertas versiones anteriores Al ser un lenguaje multiplataforma esto nos permite crear un cliente capaz de controlar algún tipo de variable externa como serian controladores de motores, módulos NFC, testigos de funcionamiento y ser capaz de consumir servicios a través de internet a través de la instalación de librerías capaces de hacer el trabajo; entre ellas esta: . . Requests: es una librería de Python en relación con el uso del protocolo HTTP (HiperText Transfer Protocol) que comprende el uso de las peticiones HTTP como get, post, put y delete, los tipos de mensaje a enviar como text, xml y json entre otros MFRC522: es una librería desarrollada en Python para la Raspberry Pi para el uso de módulos NFC la cual comprende comunicación con el módulo NFC, lectura y escritura de tarjetas NFC Mifare. 4.4 HARDWARE Para poder realizar el desarrollo de físico del ciclo parqueadero es necesario tener en cuenta varios aspectos como las placas de desarrollo, los sistemas de energía, o los actuadores capaces de realizar los movimientos propuestos entre otros. Para ello es necesario separar estos elementos de la siguiente manera:. MÓDULOS DE DESARROLLO Teniendo en cuenta que el desarrollo de software está relacionado con lenguajes de programación orientados al desarrollo de aplicaciones web como HTML y JavaScript es necesario tener una placa de desarrollo que soporte la conexión a internet con la posibilidad de crear y mantener servicios bajo la capa de aplicación; adicional debe tener la posibilidad de conectar periféricos, módulos de control y los sistemas de potencia. Raspberry Pi Raspberry Pi es un computador de placa reducida, computador de placa única o computador de placa simple (SBC) de bajo costo desarrollado en Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi, con el objetivo de estimular la enseñanza de ciencias de la computación en las escuelas. El software es open source, siendo su sistema operativo oficial una versión adaptada de Debian, denominada Raspbian, aunque permite usar otros sistemas operativos, incluido una versión de Windows 10. En todas sus versiones incluye un procesador Broadcom, una memoria RAM, una GPU, puertos USB, HDMI, Ethernet (El primer modelo no lo tenía), 40 pines GPIO y un conector para cámara. Ninguna de sus ediciones incluye memoria, siendo esta en su primera versión una tarjeta SD y en ediciones posteriores una tarjeta MicroSD (Wikipedia, 2018). 26.

(27) Figura 16: Raspberry Pi 3 Modelo B+ 2015 (Wikipedia, 2018). Al ser un computador de placa reducida, es una excelente opción para la generación de servicios en primer lugar, dado que en ella se podrá subir y probar el desarrollo de servicios, y con los pines GPIO existe la posibilidad de adaptar algún sistema electrónico adicional para crear la interconexión de un sistema físico como un módulo NFC, Un controlador de motor a un servicio creado.. Figura 17: Disposición de Pines para la Raspberry Pi 3 B+ 2015. 27.

(28) El sistema operativo oficial de la Raspberry es llamado Raspbian, el cual es una variación del sistema operativo Debian para procesador ARM, sin embargo es capaz de soportar varias distribuciones Linux y una versión de Windows 10. El principal lenguaje de programación para el uso de la Raspberry a través de Raspbian es Python, un lenguaje de programación interpretado multiparadigma (programación orientada a objetos, programación imperativa y programación funcional). El cual permite trabajar bajo diferentes aspectos sin mucho problema. NFC Tags Mifare Classic Los Tags NFC Mifare, son las de más amplio uso en el mercado encontrándose en tarjetas para su uso en el transporte y movimientos financieros, en las instituciones educativas y entidades privadas, en llaveros para ingreso a instalaciones y hogares. A pesar de que la norma ISO/IEC 14443A define los tags del tamaño de las tarjetas de crédito, estas pueden venir en varios tamaños como tarjetas, llaveros e inclusive stickers. Es posible encontrar en el mercado un gran conjunto de estas tarjetas, entre ellas: la NXP Mifare Classic, el tipo de tarjeta o tag más usado en el mercado con presentaciones de 1k, 2k y 4k de almacenamiento, la NXP Mifare Ultra light con capacidades de 48 bytes y 144 bytes, las Sony FeliCa con capacidades hasta de 4k, las Mifare DESFire con capacidades hasta de 32k. Los tags NFC de mayor uso y más encontradas en el mercado son las NXP Mifare Classic, encontradas en las tiendas de electrónica, las tarjetas de transporte, llaveros y stickers (Forum, member.nfc-forum.org, 2009). Figura 18: Varios tipos de Tags NFC NXP Mifare Classic usados en el mercado Módulo MFRC522 El módulo MFRC522 es un circuito altamente integrado lector-escritor para la comunicación sin contacto a 13,56Mhz el cual es soportado por la norma ISO/IEC14443A/Mifare y Ntag. (NXP, 2016) El modulo cuenta con varios bloques, inicialmente de la interfaz analógica la cual recibe y transmite información a través de la antena y se comunica con la máquina de estados interna del módulo además de proporcionar energía al tag que se sitúa al lado de la antena. El buffer FIFO es el encargado de almacenar. 28.

(29) los datos de entrada y salida del cliente y la máquina de estado del módulo sin tener restricciones de tiempo en cuenta. El bloque de UART sin contacto está relacionada con la máquina de estado del módulo, la cual tiene un flujo de información bidireccional entre el cliente y la interfaz analógica. El banco de registro es el encargado de tener la información de funcionamiento del módulo y el bloque de comunicaciones se encarga de establecer contacto con el cliente para enviar o recibir la información obtenida o a transmitir.. Figura 19: Diagrama de bloque del módulo MFRC522 (NXP, 2016) Bajo el ámbito comercial es posible encontrar el modulo completo y listo para conectar bajo cualquier tipo de comunicación soportada ya sea SPI, Serial UART o I2C con alimentación entre 2,5 V y 3,3 V. Adicional es posible encontrar librerías en Python para la comunicación con el modulo implementados en Raspbian.. Figura 20: Diagrama de bloque del módulo MFRC522 (Phanquocdat, 2015). SISTEMA DE POTENCIA Y ACTUADORES En busca de dimensionar el modelo del sistema de ciclo parqueadero es necesario una reducción de escala la cual permite observar de forma detallada todo el conjunto de inconvenientes que pueden ocurrir para una implementación futura y a escala real. Para esto se piensa usar una configuración de motores paso a paso con su respectivo controlador.. 29.

(30) Controlador Pololu A4988 Este es un controlador de motor paso a paso con posibilidad de generar micro pasos y un traductor para una fácil implementación cuando no se encuentra disponible un microcontrolador para que pueda cargar con la tarea. La posibilidad de generar micro pasos o microstepping aumenta la precisión del motor. La importancia del módulo está en la facilidad de comandar el movimiento a los motores y de tener la capacidad de controlar la corriente máxima suministrada esta corriente es controlada a través de dos factores, un voltaje de referencia suministrado a un DAC un voltaje suministrado a través de una resistencia situada en la salida de los pines que suministran corriente al motor y un porcentaje de corriente debidamente programado en el control lógico del módulo: 𝐼=. 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑥 %𝐼𝑚𝑎𝑥 ∗ 8 ∗ 𝑅𝑠𝑥 𝐼𝑚𝑎𝑥. La corriente I es la corriente que va a ser suministrada por el modulo a los motores e Imax es la corriente máxima que usara el modulo la cual está dada por: 𝐼𝑚𝑎𝑥 =. 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑥 8 ∗ 𝑅𝑠𝑥. Figura 21: Diagrama de bloques del módulo Pololu A4988 (Microsystems, 2014). 30.

(31) Este voltaje de referencia se mide del lugar mostrado en la foto y en la tierra de la fuente que suministra la potencia. El modulo comercial se encuentra ya listo para su funcionamiento y con capacidad de modificar el voltaje de referencia. La ecuación de referencia de la corriente máxima se puede reducir a la siguiente ecuación 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 ∗ 2,5. Figura 22: lugares de referencia para medir el voltaje de referencia (Microsystems, 2014) Controlador Texas DVR8825 Este módulo es un controlador de motor paso a paso pero, a diferencia del anterior este es capaz de entregar una mayor cantidad de corriente promedio, su funcionamiento es similar al anterior, en el cual a través de dos pulsos, uno de dirección y uno de movimiento, él tiene la capacidad de girar el motor. El funcionamiento del módulo es similar al del Pololu A4988 salvo que la diferencia más grande es la capacidad de manejar una corriente máxima más alta. En el mercado se puede conseguir el modulo listo para su funcionamiento y la ecuación de corriente es similar a la especificada en el módulo anterior. 31.

(32) Figura 23: Modulo Texas DRV8825 (Instruments, 2014). Figura 24: Señales de entrada y salida para el módulo Pololu A4988 y Texas DRV8825 para una fase o Full Stepping (Instruments, 2014) Motor Paso a Paso Motor King 17HS8401 Este es un motor paso a paso de 4 fases o Bipolar usado ampliamente en el mercado de las impresoras 3D y las CNC y conocido comúnmente por el nombre de Nema 17 o Nema 23, lo cual hace referencia a la presentación del mismo. Según las especificaciones este motor se puede manejar con voltajes de 12 V y 24. 32.

(33) V a una corriente máxima de 1.7A por fase con una resolución de paso de 1.8º. Dado que es ampliamente conocido en el mercado es posible encontrar acoples, correas y todo. Figura 25: Dimensiones del motor Motor King 17HS8401 de empaquetado Nema 17 con lmax = 48 (MotionKing, 2018). Figura 26: Imagen alusiva al motor paso a paso MotorKing17HS8401 (MotionKing, 2018). 33.

(34) 5 ANTECEDENTES. 5.1 TECNOLOGÍA NFC La tecnología NFC ha resuelto algunos problemas que otras tecnologías de comunicación no podían haber asegurado resolver, en el proceso (Incluir un servicio de inicialización, realizar un Pedido, realizar un pago de forma segura, lealtad, gestión, Servicio al cliente) Veremos a continuación una serie de eventos que han sido realizados gracias a esta tecnología, mostrando así las principales características y ventajas: . MasterCard, implementa PayPass en el 2005 (Card, 2018). Se equipan con dispositivos Master Card PayPass, donde no es necesario pasar la tarjeta por algún dispositivo o banda, solo basta acercarla, creando una comodidad en los usuarios (Card M. , 2018), Una encuesta realizada por la red de tarjetas de crédito y débito MasterCard en E.U. demostró que las personas prefieren cada vez más hacer sus pagos con otras opciones distintas al dinero en efectivo. Por eso, el nuevo sistema PayPass se convierte en una buena alternativa de pago. Según la encuesta, el 49 por ciento de los usuarios lleva un máximo de 20 dólares en efectivo en sus bolsillos (Tiempo, eltiempo.com, 2018).. . La implementación de los sistemas de pago para el transporte en la ciudad de Bogotá con el SITP y el Transmilenio. . El Tiempo realizó un artículo acerca de la tecnología NFC y sus aplicaciones que poco conocíamos, por ejemplo, el uso como una llave maestra (Ingreso a un vehículo, a un hotel, incluso el ingreso a una vivienda), también nombra acerca de la inclusión de esta tecnología en el sistema de transporte en la tarjeta Tullave, métodos de pago, etcétera (Tiempo, eltiempo.com, 2017).. 5.2 GRUPO DE INVESTIGACIÓN L.I.D.E.R El grupo de investigación LIDER (Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Electrónica y Redes) fue creado en el año 2007 e institucionalizado a través de Acta 00509 del Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico (CIDC) de la universidad Distrital, en sesión realizada el 24 de Febrero del 2009, con el aval del Consejo de Facultad. Actualmente está conformado por su director el Ph.D. Roberto Ferro, su codirector el Ing. Carlos Martínez, docentes de la Universidad Francisco José de Caldas, estudiantes de doctorado y pregrado. El Grupo de Investigación se encuentra estrechamente ligado al Doctorado en Ingeniería con un énfasis inicial en Ciencia y Tecnología de la información y del conocimiento, y la red de investigación de tecnología avanzada (RITA), convirtiéndose en un grupo de extensión en pregrado, dado que sus objetivos, misión y visión tienen un alto grado de afinidad. Misión: Generar y ejecutar en todas sus etapas, proyectos de investigación, desarrollo e innovación, en las áreas de estudio de las líneas de investigación definidas, que propendan la creación. 34.

(35) de soluciones basadas en tecnología emergente de alta calidad con aplicación en la solución de problemas técnicos y de carácter práctico a nivel nacional e internacional. Visión: El Grupo de Investigación LIDER será, en un lapso no superior a 5 años, un grupo de excelencia reconocido a nivel universitario en el ámbito local y nacional, y valorado por la comunidad científica internacional por sus aportes al estudio e innovación, en las área de interés. Las aéreas de investigación donde está enfocado el grupo LIDER son las siguientes:          . Aplicación en domótica, inmótica y telemedicina. Electrónica aplicada a la industria. Electrónica embebida para el diseño de aplicaciones de micro redes de telecomunicaciones. Estudio y diseño de protocolos de red y de enrutamiento para redes de alta velocidad. Ingeniería aeronáutica. Investigación y desarrollo de satélites. Nanotecnología. Redes de nueva generación (IPv6) y redes IPv4. Redes de telefonía celular. Redes inalámbricas.. 5.3 CICLO PARQUEADEROS Adicional a esto se ha encontrado diferentes sistemas de ciclo parqueaderos automatizados. 5.3.1 BIGLOO Es un sistema de almacenamiento, aparcamiento y gestión, automático e inteligente, que recibe y devuelve la bicicleta a pie de calle en un período de tiempo inferior a 10 segundos y que permite además guardar elementos necesarios para el uso de la bicicleta como la mochila, el casco, elementos reflectantes, etc.. Figura 27: Sistema BIGLOO (Bigloo, 2017). 35.

(36) 5.3.2 BICEBERG Es un aparcamiento automático y subterráneo para bicicletas. Recibe y devuelve la bicicleta a pie de calle y además permite guardar otros elementos necesarios para su uso, como la mochila o el casco. El usuario realiza las operaciones mediante una tarjeta chip con código personal secreto, siguiendo un proceso tan sencillo como el de los cajeros automáticos. El tiempo de acceso hasta cada plaza de aparcamiento es de 30 segundos, tanto para su depósito como para su retirada. Los aparcamientos Biceberg tienen capacidad para 23, 46, 69 o 92 bicicletas. Biceberg ofrece al usuario una garantía del 100 % contra el robo de la bicicleta y el equipaje, rapidez de acceso y una total comodidad de uso. [22] Universidades como la UNIMINUTO y la Javeriana han realizado diferentes trabajos con respecto al ciclo-parqueadero como la implementación de un ciclo-parqueadero automatizado [20], y como el estudio de la implementación de ciclo-parqueaderos para los usuarios de Transmilenio [19] respectivamente. Figura 28: Sistema BICEBERG (Biceberg, 2018). 36.

(37) 6 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA Para poder realizar los objetivos de este documento se seguirán los pasos desarrollados en la metodología teniendo en cuenta cada sección, las cuales son: Estudio, donde se observara el trabajo realizado por varias empresas y estados extranjeros para la solución de ciertas problemáticas en el contexto del uso masivo de bicicletas enfocadas al uso de parqueaderos; Selección, donde a partir de las soluciones observados anteriormente se mostraran bocetos y modelos de implementación y se elegirán los requisitos mínimos para la implementación del prototipo.. 6.1 ESTUDIO 6.1.1. BIKED APP ESTRUCTURA – BOGOTA, COLOMBIA. Figura 29: Sistema Biked App (App, 2017). Biked es una aplicación bogotana que mediante motivos como el número de viajes que se realizan a diario en Bogotá y el número de bicicletas disponibles más que cualquier otro vehículo de motor, manejo del tiempo, etc. Biked intenta dar soluciones al principal problema de usar bicicleta que es un parqueo seguro y disponible, mediante un sistema de GPS podrá mostrar una disponibilidad de parqueadero mediante la posición que se tenga para poder hacer uso de este ciclo parqueadero. . Estructura Mecánica:. Según las imágenes que se pueden ver anteriormente consta de una base con muchos agujeros agrupados de a dos, son muchos porque las medidas de las bicicletas son diferentes y esta base ofrece que se adapte cualquier tamaño. En los agujeros va una llave accionada mediante la comunicación realizada por. 37.

(38) el usuario que activa o desactiva esta llave. Desafortunadamente la bicicleta queda expuesta y puede haber un posible robo. . Estructura Eléctrica:. La estructura eléctrica se basa en el accionamiento de la llave, es decir, la parte eléctrica es solo activar o desactivar esta. No se explica este funcionamiento en el vídeo de la aplicación ya que es algo que hasta ahora se está lanzando una propuesta, pero es un mecanismo que se puede realizar mediante un electroimán. . Estructura Electrónica:. Es una aplicación que usa constantemente el GPS para tener la ubicación del cliente como del ciclo parqueadero disponible y generar un acuerdo de uso. La parte de comunicación directa entre el usuario y el ciclo parqueadero se realizaría mediante una aplicación y un lector de etiqueta por comunicación NFC. Un elemento adicional es la implementación de una aplicación que permite reservar puestos de parqueo a través de una clave y verificar la ubicación de los parqueaderos a través de la ciudad. 6.1.2. BICIBOX ESPAÑA. Figura30: Sistema Bicibox. Bicibox es una red de aparcamientos seguros para bicicletas privadas distribuidas por los diferentes municipios del Área Metropolitana de Barcelona. Proyecto realizado por ICNITA EMOVITY para la Entidad Promotora del Transporte. Este servicio funciona mediante el registro previo de los usuarios y de sus bicicletas. Este registro da derecho a estacionar gratuitamente una bicicleta, en cualquiera de los aparcamientos de la red, por un tiempo máximo de 48 horas consecutivas los días laborables, y por un tiempo máximo de 72 horas en el caso de estacionamientos que se realicen incluyendo días del fin de semana. Estas limitaciones se han establecido para facilitar la rotación de usuarios.. 38.

(39) . Estructura Mecánica:. La estructura mecánica usada por Bicibox es un tipo de capsula dividida en siete espacios los cuales son usados por los usuarios, es una estructura metálica en forma de casillero la cual cubre toda la bicicleta protegiéndola del sol y la lluvia lo cual beneficia su uso, pero su problema radica en la necesidad de mucho espacio para solo almacenar siete bicicletas por capsula. Mediante una puerta deslizable hacia arriba el usuario realiza la acción completa para introducir o sacar la bicicleta. Una de las ventajas que se presume es que este módulo se puede instalar y mover con facilidad, a diferencia de la mayoría de estructuras que son fijas, dando una gran ventaja competitiva en el mercado de parqueaderos . Estructura Eléctrica:. La estructura eléctrica se basa en el accionamiento de la llave, es decir, la parte eléctrica es solo activar o desactivar esta. Esta se encuentra en la parte inferior del casillero la cual se abre y asegura en el mismo sitio, No se especifica el mecanismo, pero se puede presumir de un electroimán que se acciona al interactuar con la interfaz de usuario. Una ventaja considerable es la adición de un panel solar el cual hace que este módulo tenga autonomía energética. . Estructura Electrónica:. Cuenta con una interfaz de usuario con un lector de tarjeta RFID la cual debe tener el usuario para poder guardar la bicicleta. Cuando se presenta la tarjeta al lector, este automáticamente le asigna un puesto listo para guardar la bicicleta. Este proceso se repite cuando si se piensa recoger la bicicleta.. 6.1.3. BIKEDISPENSER – HOLANDA. Figura 31: Sistema BikeDispenser. 39.

(40) "Bikedispensers" son máquinas expendedoras de autoservicio de alquiler de bicicletas de autoservicio. El concepto Bikedispenser fue creado en 2005 por diseñadores holandeses y Piloto en Eindhoven en 2006. El sistema automatizado es ahora Siendo incorporado en el nacional OV-Fiets (bicicleta de transporte público). Servicio en Holanda, que alquila bicicletas de alquiler-puntos en estaciones de ferrocarril. . Estructura Mecánica:. La estructura mecánica se basa en un cuarto encerrado el cual protege del ambiente las bicicletas de préstamo. Dado que todas las bicicletas son similares se aprovecha más el espacio utilizado, sin embargo las bicicletas no tienen buena rotación y las primeras en espera son las que más se desgastan. Un sistema mecánico compuesto de motores encarrila las bicicletas para poderlas acomodar en la estructura y dependiendo del momento en que lleguen. Cuando se recibe la bicicleta, este asegura la llanta delantera . Estructura Eléctrica:. Este tipo de estructura puede tener un gasto de energía considerable y posiblemente continua dada la utilización de motores, luces, interfaces de usuario y electroimanes para el aseguramiento. . Estructura Electrónica:. Utiliza un interfaz de usuario convencional con un teclado numérico y una pantalla en la cual se pide el préstamo y se dispone de una bicicleta. Al final de usar la bicicleta, esta se coloca sobre rieles y se oprime un botón para guardarla.. 6.1.4. CICLO PARQUEADERO JAPÓNES. Figura 32: Sistema de Cicloparqueadero Japones (youtube.com, 2017). 40.