Sistema de localización de objetos basado en tecnología de Código Abierto de Arduino

Titulación: Grado en Ingeniería en Tecnologías
en Telecomunicación
Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez
Sunil Lalchand Khemchandani
Autor: Cristóbal Guedes Suárez
Fecha: Julio 2.014
Sistema de Localización de Objetos Basado en
Tecnología de Código Abierto de Arduino

Índice
• Introducción
• Objetivos
• Estudio de la Tecnología Arduino
• Diseño del Localizador
• Programación del Localizador
• Realización de Pruebas
• Conclusiones y líneas futuras de trabajo
• Presupuesto

Introducción
• Sistemas de Seguridad Ineficientes
• Especialización de ladrones
• Dificultad para recuperar las pertenencias sustraídas

• Introducción
• Objetivos
• Estudio de la Tecnología Arduino
• Diseño del Localizador
• Programación del Localizador
• Realización de Pruebas
• Conclusiones y líneas futuras de trabajo
• Presupuesto
Índice

• Estudiar la tecnología Arduino con sus respectivas
placas, shields y accesorios.
• Diseñar el localizador y programar las funciones.
• Verificar el funcionamiento a nivel individual de cada
placa como en conjunto del dispositivo.
Objetivos

• Historia
Estudio de la Tecnología Arduino
– Nace en 2005 en Italia en el Instituto IVREA.
– Recibe su nombre por el lugar donde se reunían sus
fundadores “Bar di Re Arduino”.
– Creación conjunta entre profesores y alumnos.
Premisas
1. Placas Económicas.
2. Código Abierto.
3. Rápido aprendizaje.
4. Color azul de sus placas.

• Microcontroladores
Circuito integrado de muy alta escala de integración (VLSI). Un
PC en miniatura. Integra:
1. CPU.
2. Memorias volátiles (RAM).
3. Memorias no volátiles (ROM, PROM,
EPROM).
4. Líneas de entrada y salida.
5. Algunos periféricos (comunicación serie,
temporizador, convertidor A/D, etc.).

• Microcontroladores Arduino
Arquitectura Harvard Modificada
Software RISC
– Pocas instrucciones.
– Facilidad aprendizaje programación.
– Mayor tamaño código del programa.
Micros AVR familia RISC de Atmel.

• Tecnología Arduino
Tres componentes:
– Boards ó placa base.
– Shields ó módulos.
– Accesorios (programación y visualización).
Board Arduino Uno Shield GPRS Libelium Accesorio Pantalla TFT

• Tecnología Arduino
Cuenta con placas para diferentes usos.
Arduino Uno
6,9×5,33cm
Arduino Nano
1,85×4,32cm
Arduino Mini Pro
1,8×3cm
Arduino Lilypad
Ø5cm
Arduino Robot
Ø19cm

• Herramienta Diseño (Fritzing)
Aplicación para representar nuestros proyectos.
Vista Protoboard Vista Esquema Vista PCB
Librería
de piezas
Inspector
de piezas

• Nociones programación
El IDE de Arduino está basado en Wiring implementado en
C/C++.
Novedades programas o sketches:
– 2 funciones fundamentales
• void setup ( ), inicialización.
• void loop ( ), bucle.
– Funciones digitales: pinMode(pin, mode); digitalRead(pin)
y digitalWrite(pin, nivel).
– Funciones analógicas: analogRead(pin).

• Localizador
Diseño del Localizador
Se emplea:
– 1 placa Arduino Uno R2
– 1 Shield GPRS Quadband para Arduino (HILO) de SAGEM.
• Módulo GPRS
• Radio y Antena
– 1 Shield GPS para Arduino.
– 1 Circuitería adicional.

• Arduino Uno R2
Alimentación.
6 pines de entradas
analógicas.
Micro ATmega328.
12 pines de E/S
digitales
Puertos comunicación
serie (RX, TX y USB)

• Módulo GPRS Quadband (HILO)
Alimentación.
5 pines de E/S digitales
2 pines comunicación
serie (RX y TX).
6 pines de E/S
analógicos.
Radio
Soporte de la tarjeta SIM

• Radio
– Provista de 40 pines.
– Tamaño 27×27×3.6mm (Largo×Alto×Ancho).
– Peso < 4 gramos
– Consumos
• Modo inactivo < 1,5mA.
• Modo off <50μA.
– Soporta SMS modo PDU y Text.
• Antena
– Frecuencia 900MHz-2.1GHz-1800MHz.
– Impedancia 50Ω.
– Polarización Vertical.
– Ganancia 0dBi.

• Shield GPS para Arduino
– Frecuencia L1-1575MHz.
– Sensibilidad
• Rastreo: -159dBm.
• Adquisición (en frío):-142dBm.
– Tensión de entrada 3.0 a 3.6V DC.
– Cuadro de corrientes
• Adquisición 28mA.
• Rastreo 23mA.
• Standby 20μA.
• Antena
– Frecuencia 1575.42 MHz.
– Impedancia 50Ω.
– Polarización RHCP.
– Ganancia 24-26dBi.

• Circuitería Adicional
.

• Conexiones
Configuración placa GPRS.

• Diseño

• Diseño Real

• Procedimiento
Programación del Localizador
Programación individual, para pasar a lo general. Consiguiendo:
– Comprobación funcionamiento.
– Compresión respuesta a la codificación.
Consideraciones
– Uso de Arrays de caracteres en vez de cadenas.
– Recursos limitados.
– Separación configuraciones arranque y bucles (setup ( ) y loop ( )).

• Procedimiento
‘H’, ‘O’, ’L’, ‘A’
Buffer Registro
00100001001011000010111100101000
‘H’, ’L’,‘O’, ‘A’
Hola

• La funciones a programar se resumen en:
– Sistema por defecto en Standby.
– Sistema se activa cada intervalo,
comprueba posición si es similar a
la de referencia vuelve al reposo en
caso contrario envía SMS.
– Control de estado de batería.
t min

• Rutinas individuales
– Envío de SMS.
– Posicionamiento (GPS).
– Interrupción por temporizador

• Envío de SMS
Variables
– Número Móvil
– Pin activar GPRS
Función Activar GPRS
Setup
– Inicialización puerto
serie, pines y activar
GPRS
Activación SMS modo
texto

• Envío de SMS
Lazo
– Comando envío
SMS
– Nº móvil
– Mensaje
– Cierre mensaje
Desactivar módulo

Desglose trama GPGGA.
$GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14*15
1. Hora UTC (Tiempo Universal Coordinado) en formato: hhmmss
2. Latitud en formato: ggmm.ssss
3. Orientación en latitud: N (norte) o S (sur)
4. Longitud en formato:gggmm.ssss
5. Orientación en longitud: E (este) o W (oeste)
6. Indicación de calidad GPS: 0=nula; 1=GPS fija
7. Número de satélites visibles por el receptor: nn
8. Dilución horizontal de posición: xx.x
9. Altitud de la antena por encima/por debajo del nivel del mar (geoidal): xxxxx.x
10. Unidades de altitud: M (metros)
11. Separación geoidal: xxx.x
12. Unidades de separación: M (metros)
13. Tiempo en segundos desde la última actualización: xx
14. ID de referencia de la estación
15. Checksum: *xx
• Posicionamiento GPS

Inclusión librería
SoftwareSerial.
Configuración puerto
serie virtual.
Variables
Setup

Loop
– Se prepara para leer
datos GPS.
– Inicio cadena ‘$’.
– Guarda en array.
– Llamada a función
string( ).

Funciones
– string ( ).
– plot ( ).

• Interrupción por temporizador, watchdog
Inclusión librería sleep.
Variables
– sleep contador.
– intervalo.
– Sleep_total.
Setup
– watchdogOn( ).

Lazo
– inicialización.
– goToSeleep( ).
– Condición para
llegar a t >8s.

Funciones
– goToSleep( ).
– watchdogOn ( ).
– ISR(wdt_vect)

• Programación en conjunto
Facilidad en la programación mediante pestañas.
Consiguiendo:
– Código ordenado.
– Rapidez en la búsqueda.
– Optimizar rutinas.

• Localizador
Librerías
Variables
– Constantes pines
puerto serie virtual.
– GPRS
– GPS
– Ahorro de energía

• Localizador
Setup
– Comunicación GPS.
– Activar GPRS.
– Configuración SMS.
– watchdogOn ( ).

• Localizador
Lazo
Tres partes:
1. Comprobación valor
pulsador e intercambio
posiciones referencia.

• Localizador
Lazo
Tres partes:
2. Comprobar estado de
batería.

• Localizador
Lazo
Tres partes:
2. Comprobar estado de
batería.
3. Comprobar posición.

• Pruebas Individuales
Realización de pruebas
GPRS
• Envío SMS
GPS
• Posicionamiento

Ahorro Energía
𝐼𝑐.𝑑𝑜𝑟𝑚𝑖𝑑𝑜 = 120𝑠 × 0.75𝜇𝐴 + 15 × 0.1𝜇𝐴
𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜 𝑑𝑜𝑟𝑚𝑖𝑑𝑜
+ 115𝑠 × 1.5𝑚𝐴 + 20𝜇𝐴
𝐺𝑃𝑅𝑆 𝑦 𝐺𝑃𝑆 𝑖𝑛𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
+ 5𝑠 × 50𝑚𝐴 + 23𝑚𝐴
𝐺𝑃𝑅𝑆 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
𝐼𝑐.𝑑𝑜𝑟𝑚𝑖𝑑𝑜 ≅
539.8𝑚𝐴𝑠
120𝑠
= 4.49𝑚𝐴
𝐼𝑐 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 = 60𝑠 × 0.2𝑚𝐴 + 23𝑚𝐴
𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜+𝐺𝑃𝑆
+ 55𝑠 × 1.5𝑚𝐴
𝐺𝑃𝑅𝑆 𝑖𝑛𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
+ 5𝑠 × 50𝑚𝐴
𝐺𝑃𝑅𝑆 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
𝐼𝑐 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 =
1724𝑚𝐴𝑠
60𝑠
= 28.7𝑚𝐴

Ahorro Energía
Operando y realizando la conversión de 1VA=60 Julios/min. Tenemos:
Sabiendo que está 2 minutos en interrupción y 1 minuto despierto queda:
Frente al consumo despierto (3 minutos).
3.81𝑉𝐴 𝑑𝑜𝑟𝑚𝑖𝑑𝑜 = 2.42 𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠 𝑚𝑖𝑛
15.52𝑉𝐴 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 = 15.5 𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠 𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝𝑐𝑖ó𝑛 = 2 × 2.42 + 15.5 = 20.34𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑠𝑖𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝𝑐𝑖ó𝑛 = 3 × 15.5 = 46.5 𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠

Ahorro Energía
El ahorro es de:
𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 % =
20.34
46.5
∙ 100 = 43.74%

• Pruebas conjuntas
GPRS+GPS
• Envío SMS coordenadas
Estado Batería
Mensaje Bienvenida

• Pruebas conjuntas
Volcado de coordenadas con ruta en Google Earth.

Conclusiones
• Este trabajo cubre todas las áreas del campo de la
Telecomunicación (Energía, Electrónica, Redes y
Radiocomunicaciones), así como las fases de un proyecto:
– Documentación. Hemos estudiado la tecnología Arduino.
– Análisis. Se ha decidido que elementos son los más apropiados para
nuestro dispositivo.
– Diseño. Hemos detallado las conexiones de las diferentes unidades a nivel
esquemático.
– Ejecución/Implementación. Se han realizado las conexiones físicas.
– Pruebas. Hemos evaluado los elementos de nuestro dispositivo,
consiguiendo depurar el código y se han contrastado con la realidad.

Conclusiones
• La tecnología Arduino es válida para el diseño de
localizadores.
• Esta plataforma supone una alternativa de trabajo.

Líneas futuras de trabajo
• Integración. Reducir las dimensiones en una única placa. Al ser hardware
abierto disponemos de los esquemáticos
• Introducción de nuevos elementos. Añadir módulos que puedan aportar más
datos (sensores, shields WiFi, etc.).
• Mejorar el consumo. Aunque en este diseño se ha implementado una rutina
para disminuir el consumo, se ha observado que existen tiempos muertos en los
que se podría apagar algún módulo y aumentar la eficiencia.
• Comandar dispositivo. Poder actuar sobre él a petición.
• Otras soluciones tecnológicas. Tags (etiquetas).
• Aplicación trazar ruta. Crear una app para automatizar el trazado de la ruta
seguida por el dispositivo.

Presupuesto
Costes
Total
(€)
Costes de herramientas software 13,51
Costes de equipos informáticos 7,75
Costes de recursos humanos 7500
Coste material localizador 177
Otros costes 596,80
Subtotal 8295,06
IGIC(7%) 580,65
PRESUPUESTO TOTAL 8875,71€

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