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SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 1
1 SOLUCIÓN PROPUESTA
1.2 Descripción general
1.2.1 Especificaciones
Para realizar la descripción general del sistema que hemos desarrollado, deberemos en primer
lugar indicar las especificaciones de diseño del mismo. Para ello, seguiremos los objetivos
planteados en el primer capitulo de la memoria del proyecto e impondremos limitaciones al
diseño en aquellos parámetros en los que dispongamos de grados de libertad a la hora de
establecer una solución.
Mostraremos, para ilustrar el diseño final, las fotografías correspondientes a la parte superior
y posterior de la placa del PCB en la que está implementado, así como dos diagramas de
bloques en los que quedan resumidos el posicionamiento en la placa y la función de cada uno
de los módulos del PCB. Es necesario indicar que la descripción que de ellos realizamos a
continuación es una descripción general que será ampliada convenientemente en cada uno de
sus respectivos apartados. Procedemos, sin mayor dilación, a la descripción de las
especificaciones del sistema.
Canales de datos: x8
Se requerirán sensores de aceleración y de inclinación que sean capaces de proporcionar
información precisa sobre los siguientes cinco parámetros: aceleración producida en el eje X, Y
y Z, e inclinación respecto al eje X e Y. Estos serán diseñados para disponer de rangos mínimos
de detección de ±15 de inclinación y ±2g de aceleración, que serán considerados valores
críticos generadores de eventos. La frecuencia de muestreo de los sensores se encontrara en el
rango entre 1 y 100Hz.
Por su parte, se necesitará un dispositivo GPS que ofrezca periódicamente los tres datos de
navegación relativos a la posición, el tiempo y la velocidad del sistema, con frecuencias de
actualización de un pulso por segundo.
Memoria: 4Mbit SRAM y 256MB FLASH
El sistema deberá contar con una memoria SRAM de rápido acceso para el procesado de datos
del microprocesador donde serán almacenados temporalmente los datos procedentes de los
sensores, y una memoria FLASH de 256MB que proporcionara capacidad para albergar hasta
dieciséis millones de datos a la frecuencia de muestreo de un hercio.
Microprocesador: M16C
El microprocesador deberá tener suficiente potencia y velocidad computacional como para
realizar el procesado de los datos provenientes de los canales de información y el
almacenamiento en memoria a las tasas de muestreo a las que hayamos configurado nuestro
sistema. Sera capaz de direccionar memorias de 16bits de direcciones y 8bit de datos,
disponer de 8 puertos analógicos de entrada a su CAD interno y 3 UART para la comunicación
serie, así como proporcionar funcionalidades de vigilancia.
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Interfaces: 2xwireless, 8xentradas analógicas, 1xprogramacion
El sistema contara con un conjunto de interfaces inalámbricas de corto alcance (Bluetooth o
LPR) y de largo alcance (GSM-GPRS), así como de interfaces con cables implementadas en
placa, como son las interfaces de entradas analógicas de propósito general y la interfaz de
programación.
Reloj
El reloj general del sistema tendrá una frecuencia de oscilación de 10MHz, que será entregado
al microprocesador para la sincronización y temporización de todos los procesos del sistema.
Circuitos generadores y reguladores de alimentación
Estos circuitos, que estarán presentes tanto en la parte superior del PCB como en la posterior,
convertirán las señales procedentes de la alimentación exterior, ya sea de una toma del barco
o de las baterías del sistema, a diversos valores utilizables por los distintos componentes
electrónicos de la placa. El valor de alimentación estándar de los circuitos será 3.3V. La toma
de alimentación procedente del barco deberá tener protección a prueba de agua. Las
especificaciones sobre consumo, que dependerán de los modos de operación, serán descritas
en el apartado dedicado al mismo, si bien se requiere una autonomía de 70 días de operación
en modo de bajo consumo cuando únicamente operemos con baterías.
Dimensiones y encapsulado del PCB
La placa en la que implementaremos nuestro PCB será una placa de 4 capas o layers, de
dimensiones 14mm x 10.5mm x 2.1mm que introduciremos en un encapsulado mecánico de
aluminio que lo protegerá de condiciones adversas. El anclaje al encapsulado se realizará
mediante cuatro tornillos de fijación correspondientes a los cuatro ángulos de la placa. Los
sensores deberán ser situados cercanos a uno de los extremos de la placa para reducir el ruido
mecánico existente en el sistema.
Precisamente para aislar al PCB de esta interferencia modal, el encapsulado de aluminio se
unirá a una superficie fija horizontal de la estancia del barco donde se sitúe el sistema
mediante dos muelles de coeficientes tales que los anchos de banda eléctrico y mecánico se
encuentren adaptados. Esto sucederá a frecuencias inferiores a 400Hz, lo cual, teniendo en
cuenta las frecuencias eléctricas y mecánicas de trabajo, será absolutamente factible.
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Fig. 3.1 Capa superior del PCB del sistema
Fig.3.2 Diagrama de bloques de la capa superior del PCB del sistema
Como podemos observar, la mayor parte de los componentes se encuentran situados en la
capa superior del PCB, donde se han situado estratégicamente para disminuir el ruido
electromagnético, proporcional, entre otros factores, a la longitud de las pistas de cobre.
Aquellos componentes que producen un nivel de interferencia significativo han sido aislados
en la capa posterior de la placa.
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Fig. 3.3 Capa posterior del PCB del sistema
Fig.3.4 Diagrama de bloques de la capa posterior del PCB del sistema
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1.2.2 Modos de operación
En función de las distintas condiciones de alimentación de las que dispongamos en cada
momento, el microprocesador elegirá uno u otro modo de operación. Para ello, dos conceptos
son fundamentales: la definición de un evento y la señal de alimentación externa V EXT.
Por evento entendemos aquel estado en el cual detectamos, en al menos uno de los cinco
canales de información procedentes de los sensores de aceleración e inclinación, un valor,
denominado crítico, que excede una magnitud determinada, denominada valor umbral, o valor
threshold. El valor umbral podrá ser configurado por el usuario del sistema entre un rango de
valores que se indicará más adelante en la descripción del funcionamiento, si bien toma ±2g y
±15 como valores por defecto para aceleración e inclinación, respectivamente.
La señal V EXT, por su parte, tomará uno de dos posibles valores: 11.3V o 6.5V. El primer valor
indica que disponemos de la alimentación de 12V de la instalación eléctrica del barco,
mientras que el segundo muestra que nos encontramos alimentando al PCB desde las baterías
de 7.2V instaladas en nuestro sistema.
Una vez aclarados ambos conceptos, expongamos a continuación los tres modos de operación
del sistema y las condiciones en las que éstos son lanzados por el microprocesador.
Modo normal
El modo normal será el modo por defecto de nuestro sistema. El microprocesador, una vez
arrancado el sistema, entrará y se mantendrá en él en ausencia de condiciones excepcionales,
como son los fallos puntuales de la alimentación primaria del barco (que lanzará el modo de
bajo consumo) y las situaciones de emergencia (que lanzará el modo de emergencia cuando
por las circunstancias no dispongamos de la fuente primaria).
En este modo, todos los dispositivos y módulos del PCB operan al máximo rendimiento y en
modo continuo, con lo que el consumo de potencia es sensiblemente superior al de los otros
dos modos, si bien, considerando que siempre nos hallamos en parámetros de consumo
reducidos y que disponemos de una fuente continua que procede de la red eléctrica del barco
de transporte, esta circunstancia no repercute negativamente en la propiedades de nuestro
sistema.
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
MODO NORMAL -
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN 12 V
AUTONOMÍA MÍNIMA ilimitada Horas
FRECUENCIA DE MUESTREO DE LOS SENSORES fs Hz
MODO DEL GPS Fijo -
MODO DE LA INTERFAZ GSM/GPRS Fijo -
Tabla3.1 Especificaciones del modo de operación normal
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Modo de bajo consumo
En el modo de bajo consumo, los sensores seguirán siendo sondeados por el microprocesador
a la frecuencia habitual de muestreo fs para ser capaces de detectar en cualquier momento la
aparición de un evento, mientras que únicamente procederemos a registrar la información del
GPS de forma periódica, con periodicidad variable y con valor por defecto de 30 minutos, o
bien cuando se produzca un evento significativo en la lectura de alguno de los sensores del
sistema. Exactamente lo mismo ocurrirá para la interfaz radio GSM/GPRS de largo alcance. El
resto del tiempo, ambos dispositivos permanecerán en sus respectivos modo de consumo
mínimo. Los mecanismos para el control del encendido, sondeo y apagado de ambos por parte
del microprocesador serán detallados en sus correspondientes capítulos.
Teniendo en cuenta que estos dos dispositivos son, precisamente, los que presentan un mayor
consumo (significativamente superiores al consumo del resto de componentes electrónicos del
PCB), la limitación en su uso representara un sensible ahorro de potencia al sistema,
aumentando la vida de las baterías y, por lo tanto, de la fuente secundaria, lo cual nos
permitirá alcanzar las especificaciones de autonomía que son representadas en el siguiente
cuadro, junto con la frecuencia de trabajo de los sensores y del GPS, así como con el modo de
funcionamiento de las interfaces.
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
MODO BAJO CONSUMO -
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN 7.2 V
AUTONOMÍA MÍNIMA 1680 Horas
FRECUENCIA DE MUESTREO DE LOS SENSORES fs Hz
MODO DEL GPS Sleep Mode -
MODO DE LA INTERFAZ GSM/GPRS Sleep Mode -
Tabla 3.2 Especificaciones del modo de operación de bajo consumo
Modo de emergencia
El modo de emergencia es una funcionalidad adicional de nuestra aplicación que permite, en
aquellas situaciones excepcionales en las que ocurran fallos generales en el barco por causa de
un accidente marítimo, proceder a la monitorización y el registro en la memoria de las
condiciones del transporte de forma continuada, hasta el agotamiento de las baterías o la
rotura del sistema debido a situaciones críticas, como pueda ser el hundimiento del barco.
En tales casos, es vital tener un registro de las circunstancias en las que se ha producido la
emergencia, lo cual implica muestrear con las frecuencias de muestreo habitual fs, y
memorizar la información de los 8 canales de datos del sistema de forma continua. Esto
implica el funcionamiento del GPS y del módulo de comunicación global inalámbrica
GSM/GPRS, a plenos rendimientos, para disponer de un registro exhaustivo de las
circunstancias acaecidas.
En dichas circunstancias, un fallo general en las instalaciones eléctricas del sistema es bastante
probable, por lo que, tras ser detectada por el microprocesador la situación de emergencia y la
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avería en el suministro eléctrico, se activaría inmediatamente la fuente secundaria
implementada con baterías. El cuadro de especificaciones para este modo aparece a
continuación.
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
MODO EMERGENCIA -
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN 7.2 V
AUTONOMÍA MÍNIMA 180 Horas
FRECUENCIA DE MUESTREO DE LOS SENSORES fs Hz
MODO DEL GPS Fijo -
MODO DE LA INTERFAZ GSM/GPRS Fijo -
Tabla.3.3 Especificaciones del modo de operación de emergencia
1.2.3 Funcionamiento
Para describir el funcionamiento de nuestro sistema de un modo general, diferenciaremos las
dos operaciones básicas que deberemos atender: la monitorización de las condiciones del
transporte, mediante las lecturas de los canales de información procedentes de los sensores y
del GPS, y el registro en la memoria de las condiciones detectadas, que se hará mediante la
combinación de las memorias del sistema (SRAM y FLASH). Este esquema es representado en
la siguiente figura.
Fig.3.5 Funcionamiento general del sistema
Para la explicación del funcionamiento, por motivos didácticos, expondremos el modo de
funcionamiento más general, es decir, el modo normal, y aplicaremos los valores por defecto
de los parámetros del sistema. El funcionamiento de los otros dos modos se deducirá, por
extensión, aplicando los valores pertinentes a cada parámetro. El rango de valores de los
parámetros y sus valores por defecto aparecen a continuación.
µP
Registro
SRAM FLASH
Monitorización
CANALES
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PARÁMETRO fs (Hz) TTH (grados) ATH (g) TGPS (s) TGSM (s) S (s) C (canales)
MÍNIMO 1 10 2 3600 3600 20 3
MÁXIMO 100 45 8 1 1 50 8
POR DEFECTO 50 15 4 1 1 50 8
Tabla.3.4 Parámetros de configuración del sistema
La frecuencia de muestreo fs será la misma para ambos sensores, acelerómetro e inclinómetro.
Por su parte, TTH y ATH serán, respectivamente, los valores umbrales de la aceleración y la
inclinación que disparan un evento. TGPS y TGSM son los valores del periodo de operación del GPS
y del GPRS, respectivamente. El valor por defecto del GPS indica que cada segundo tendremos
disponible un trío de datos que nos proporcione una solución de navegación que pueda ser
almacenada junto a los datos de los sensores en caso de producirse un evento, mientras que
GPRS estará permanentemente en escucha tratando de captar un enlace de la red GSM e
intentando establecer, cada segundo, una comunicación con el servidor central de datos de la
aplicación mediante dicha red.
Una vez iniciado el sistema, el microprocesador tomará los parámetros por defecto y
comenzará a muestrear el valor de los sensores en espera de la aparición de un evento en
alguno de los canales de información. Los valores de los parámetros se mantendrán salvo dos
situaciones: la entrada en un modo de operación con valores de parámetros distintos o la
reconfiguración de los mismos por parte del usuario a través de alguna de las interfaces de
nuestro sistema.
Monitorización
Cada periodo de muestreo, el microprocesador tomará una muestra del inclinómetro y otra
del acelerómetro para comprobar si se está produciendo una inclinación o aceleración que
exceda los valores umbrales. En caso negativo, el microprocesador esperará al siguiente
periodo de muestreo, realizando este ciclo ininterrumpidamente. En caso en que sea
detectado un valor en alguno de los cinco canales de los sensores que supere un valor crítico,
se producirá un evento, y el microprocesador ejecutará la rutina de atención de eventos para
su procesamiento.
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Fig.3.6. Situación de inclinación crítica
Es fundamental entender que, en cualquiera de las dos situaciones, se produzca un evento o
no, el microprocesador registra en la memoria SRAM los valores correspondientes a los
canales de información seleccionados, que como vimos en el cuadro, serán por defecto los
cinco de los sensores más los tres del GPS.
El proceso de registro de la información que se quiere obtener queda descrito a continuación.
Registro
En la memoria SRAM del sistema disponemos de espacio reservado para un máximo de ocho
colas circulares (correspondiente a un máximo de ocho canales de información). Cada cola
albergará las muestras tomadas por el microprocesador para cada canal, respectivamente,
durante un periodo de tiempo en segundos igual al especificado por un parámetro
configurable del sistema. Así, si ese valor fuera de 120 segundos, por ejemplo, esto implicará
que en todo momento, dispondremos en la cola de información de las muestras
correspondientes a los últimos 120 segundos de funcionamiento del sistema, que ocupará un
número variable de posiciones de memoria (tantas como muestras tomadas en tales 120
segundos) que dependerá de la frecuencia de muestreo de los sensores fs.
La operación anterior se realiza permanentemente, en espera de la aparición de un evento.
Cuando esto ocurre, es decir, cuando el microprocesador detecta un valor crítico en alguno de
los cinco canales, se lanza la rutina de atención de eventos.
En ese instante, el microprocesador esperará un tiempo determinado y, una vez finalizado,
tomará la información de todas las colas de información de canal de la SRAM (y no
exclusivamente la cola del canal que dispara la rutina de evento). Con ello, el sistema obtiene
lo que denominamos una ventana de información. Esta ventana tendrá de duración el valor en
segundos del parámetro S y cubrirá, centrándonos en el instante te en el que se ha producido
el evento, 2S/3 segundos a la izquierda de te, y S/3 a la derecha de te, con lo que obtendremos
una evolución temporal del valor de las muestras antes y después de que se produzca el
evento, lo que dará buenas señas de las condiciones y circunstancias que se han producido. De
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este modo, si el tamaño de la ventana fuera de 30 segundos, dispondríamos de información,
sobre cada uno de los sensores y sobre el GPS, de los 20 segundos previos y los 10 segundos
posteriores a la aparición del evento.
El siguiente paso es el del análisis de tal información por parte del microprocesador. Éste
comparará el valor crítico que ha disparado la interrupción de eventos con los 100 valores más
relevantes hasta ese momento correspondientes a los distintos trayectos del barco de
transporte de mercancías, que se encuentran almacenados en la pila de 100 eventos de la
memoria FLASH de la tarjeta MMC. Si el valor no alcanza el nivel del valor menos significativo
de la pila, la ventana de información seleccionada se deshecha, ya que no tiene sentido
almacenar datos que no representan una información significativa.
Sin embargo, en el caso en el que se encuentre dentro del rango entre el valor más
significativo y el menos significativo, el microprocesador calculará la posición que le
corresponderá en la pila, y ejecutará rutinas estándares de desplazamiento de pilas FIFO para
reordenar la pila, incorporando ya la ventana correspondiente al último evento significativo. Es
importante subrayar que lo que se almacena en memoria no es el valor puntual del canal en el
instante en que se produce el evento, sino una sucesión de valores que constituyen una
evolución temporal de los valores de ese canal en un intervalo temporal significativo,
denominada ventana de información.
El otro aspecto que hay que aclarar para la correcta comprensión del funcionamiento es que
disponemos de 6 pilas FIFO en la memoria FLASH (una para cada canal). De ellas, cinco
corresponden a los canales de información de los sensores (Ax,Ay,Az,Tx,Ty) y cada una de ellas
se encuentra ordenada e indexada según los valores críticos de su canal correspondiente (la
pila restante recoge información exclusiva procedente del trío de datos producido por el
módulo GPS). Sin embargo, en cada una de las 5 pilas FIFO de canales de información, tenemos
almacenada información sobre los 8 canales (todos los sensores y el GPS), con lo que cada una
de las pilas estará indexada según un canal pero contendrá las ventanas de información
referentes al resto de los canales, para cada evento.
Con este mecanismo, un mismo evento será capaz de generar el registro en una o varias pilas
top 100 de las 8 ventanas de información correspondientes a los 8 canales, lográndose así una
potente monitorización de todas las condiciones en las que se producen los eventos objeto de
nuestro análisis, y obteniendo una gran fuente de datos que el usuario podrá posteriormente
gestionar mediante sofisticados sistemas de adquisición de datos DAS.
En el caso en que nos encontremos en un escenario de eventos creciente, por ejemplo, nos
encontramos en medio de una tormenta y la mar se hace cada vez más gruesa, con lo que las
inclinaciones y aceleraciones que registrarán nuestros sensores alcanzarán progresivamente
valores más y más críticos, el microprocesador realiza operaciones y rutinas destinadas a
albergar en memoria FLASH secuencias de información complementarias (es decir, contiguas y
no solapadas) pertenecientes a eventos cercanos en el tiempo.
Para concluir, diremos que el microprocesador realizara este ciclo de comparación y registro o
deshecho, cada vez que ocurre un nuevo evento, en paralelo con las operaciones de lectura de
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los sensores, lo que nos permite detectar nuevos eventos a la vez que procesamos los eventos
recientes.
1.3 Descripción analítica
1.3.1 Introduccion
Una vez que hemos descrito las especificaciones, los modos de operación y el funcionamiento
general de la aplicación que hemos diseñado, corresponde ahora exponer de forma exhaustiva
los diferentes módulos que componen el sistema.
Por consiguiente, analizaremos aspectos relevantes de cada uno de los módulos, como pueden
ser las características principales, los diseños de los circuitos esquemáticos y del layout, el
posicionamiento en el PCB, la descripción del funcionamiento, la descripción de los pines del
dispositivo, la conexión con el microprocesador, las pruebas a las que ha sido sometido o las
comparativas realizadas frente a dispositivos alternativos presentes en el mercado. Para ello,
aportaremos descripciones cualitativas y cuantitativas que ilustren tales conceptos, a los que
añadiremos figuras y tablas que contribuyan a ilustrar lo expuesto.
Comenzaremos por el bloque de dispositivos que permiten obtener la información que
perseguimos. Estos son, por un lado, los sensores de aceleración, de inclinación y
piezoeléctricos, y por otro, el GPS. Una vez finalizado, nos dispondremos a abordar la forma en
que el sistema se comunica con el exterior, es decir, realizaremos una descripción detallada de
las interfaces inalámbricas y con cables con las que esta equipado nuestro sistema.
Posteriormente, expondremos los circuitos de alimentación y regulación de tensión e
intensidad de nuestro sistema, para finalizar con el microprocesador y las memorias del
sistema, los dos módulos que procesaran y almacenaran, respectivamente, la información
proporcionada por los dispositivos anteriores.
Nos disponemos pues, sin más dilación, a acometer este interesante análisis de los módulos de
nuestro sistema.
1.3.2 Sensores
Los sensores constituyen el primer pilar de nuestro sistema. Es más, sin ellos, nuestra
aplicación carece de sentido, ya que de poco sirve condicionar señales y procesar información
si tal información no es precisa, útil y abundante.
Este es precisamente, el objetivo de este bloque que podemos encontrar en el PCB: el de
medir constantemente, es decir, con frecuencias de muestreo suficiente elevadas, y de forma
precisa, la aceleración y la inclinación a la que esta siendo sometido el barco de transporte y,
por extensión, la mercancía almacenada en él. Añadiremos al acelerómetro y al inclinómetro
un modulo de preinstalación de sensores piezoeléctricos que otorgará al sistema de
posibilidades de expansión, desde el punto de vista de la medición del entorno en el que la
aplicación opera.
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1.3.2.1 Acelerómetro
Uno de los objetivos que motivan el diseño de nuestra aplicación es la obtención y registro
periódico de la aceleración a la que se encuentra sometida la nave, y por extensión, la
aceleración a la que queda sometida la mercancía transportada. Esta aceleración podrá tener
tres componentes distintas correspondientes a los tres ejes espaciales, si bien la componente
transversal al sentido del movimiento resulta la más significativa de todas, ya que, a priori, es
la que va a registrar valores mas elevados durante los trayectos.
Sin embargo, lejos de conformarnos con un diseño aproximado, recogeremos información
exhaustiva y precisa sobre las tres aceleraciones. El instrumento que utilizaremos para obtener
tales datos correspondientes a la aceleración será un acelerómetro triaxial. En lo que
concierne al registro de tales datos, nos remitiremos al capitulo dedicado al funcionamiento
general de nuestra aplicación, en el que queda descrito en profundidad. Por consiguiente, el
objetivo de este apartado es describir exhaustivamente las características, funcionalidades,
rendimiento y adecuación a nuestro sistema del acelerómetro.
No obstante, antes de dedicarnos a profundizar en nuestro acelerómetro triaxial, sería
pertinente citar, a grosso modo, algunas nociones generales sobre esta clase de sensores. En
líneas generales, podemos definir un acelerómetro como un elemento de instrumentación
mecánico o electromecánico que se utiliza para medir la aceleración de un movimiento. El
acelerómetro puede medir tanto los componentes de la aceleración de un movimiento
rectilíneo como la aceleración angular de un movimiento curvilíneo.
Este dispositivo determina la aceleración de un cuerpo, midiendo la fuerza desarrollada por
una masa pesada unida a dicho cuerpo, movido mediante un muelle. La desviación de tal masa
es indicada directamente, registrada o transformada en corriente eléctrica o en presión, por
emisores eléctricos o neumáticos. Y es justamente la interpretación de tales señales eléctricas
generadas por el sensor la que nos permitirá obtener la información objeto de nuestro análisis.
Características principales del acelerómetro triaxial
Hemos seleccionado y empleado un acelerómetro triaxial que por sus características resulta
completamente adecuado para nuestro diseño. Se trata del MMA7260QT. A continuación
quedan resumidas las principales características del mismo y de su circuito de
condicionamiento de señal. Así mismo, representamos el diseño esquemático realizado con el
software de diseño electrónico Proteus Isis, el layout realizado con Proteus Ares, y su posición
y montaje en el PCB.
Rango de aceleraciones ajustable
Alta sensibilidad
Bajo consumo
Baja tensión de alimentación
Respuesta rápida
Diseño robusto
Reducido tamaño
Bajo coste
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Diagrama esquemático y layout
Fig. 3.7 Diseño del acelerómetro triaxial
Fig.3.8 Layout del acelerómetro triaxial
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Descripción del funcionamiento
Se trata de un circuito integrado miniaturizado y de montaje en superficie sobre el PCB, cuyo
diagrama de bloques podemos apreciar a continuación.
Fig. 3.9 Diagrama de bloques simplificado del acelerómetro triaxial
El dispositivo consiste de dos celdas de sensibilidad capacitiva (capacitive sensing)
miniaturizadas (g-cell) y un ASIC para el condicionamiento de señal que se encuentran
contenidas en un mismo circuito integrado y en un mismo encapsulado. Los elementos de
sensing están sellados herméticamente en el nivel wafer utilizando para ello un tapón wafer en
miniatura.
La g-cell es una estructura mecánica formada por materiales semiconductores (polisilicio) y
empleando procesos semiconductores (masking y etching). Podría ser modelado como un
juego de beams pegados a una masa central móvil que se desplaza entre beams fijos. Los
beams móviles son deflectados desde su posición de reposo exponiendo el sistema a
aceleración. Al moverse los beams que se encuentran unidos a la masa central móvil, la
distancia desde ellos hasta los beams fijos situados a un extremo se incrementara. Del mismo
modo, la distancia al otro extremo decrecerá la misma magnitud. Y es precisamente este
cambio en la distancia lo que nos otorga una medida de la aceleración.
Los beams g-cell constituyen dos condensadores back-to-back, tal como se ilustra en la figura.
Cuando el beam central se desplaza con la aceleración, la distancia entre los beams varia y, por
lo tanto, la capacidad de cada condensador también cambia según la expresión 𝐶 =𝐴𝜀
𝐷 donde
A es el araea del beam, ε la constante dieléctrica y D la distancia entre beams.
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El ASIC se sirve de técnicas de condensadores conmutados para medir los condensadores g-cell
y extraer los datos de aceleración a partir de la diferencia entre los dos condensadores. Por
otro lado, el ASIC también condiciona adecuadamente y filtra la señal mediante capacidades
conmutadas, obteniendo un nivel de tensión de salida elevado que es ratio métrico y
proporcional a la aceleración.
Fig. 3.10 Modelo físico simplificado de transductor
La propiedad g-Select permite la selección de cuatro sensibilidades distintas. En función de las
entradas lógicas de los pines 1 y 2, la ganancia interna del dispositivo variara para desplegar
sensibilidades de 1.5g, 2g, 4g o 6g, tal como se puede observar en la tabla.
Tabla. 3.5Descripción de los pines g-Select y de los rangos y sensibilidades correspondientes
Esta propiedad es idónea para aquellos productos que posean aplicaciones que necesiten
diversas sensibilidades para un funcionamiento óptimo. Una ventaja adicional es la posibilidad
de cambiar de un valor a otro en cualquier instante. Por defecto, y dejando los pines de
selección sin conectar, quedara elegido el modo de 1.5g, ya que el dispositivo posee un pull-
down interno para situarlo en tal sensibilidad (800mV/g).
El acelerómetro de tres ejes viene provisto de un Sleep Mode que es totalmente adecuado
para productos que funcionen con baterías. Cuando esta activo, las salidas dejan de ser
operativas, disminuyéndose el consumo de corriente de forma significativa. Así, un nivel bajo
en la señal de entrada del pin 12 (Sleep Mode) ubicará al dispositivo en este modo y reducirá la
corriente a 3µA (valor típico). Para disminuir aun mas si cabe el consumo conviene configurar
g-Select para 1.5g. Sera suficiente un nivel alto de señal en el pin 12 para salir de este modo y
volver al funcionamiento estándar.
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A continuación, destacamos aquellas especificaciones que resultan claves para un
funcionamiento óptimo del acelerómetro. En función de la aplicación que se quiera
desarrollar, estos valores estratégicos variaran.
CARACTERÍSTICA SÍMBOLO MIN TYP MAX UNIDAD
Tensión de alimentación VDD 2.2 3.3 3.6 V Corriente de alimentación IDD - 500 800 μA Corriente de alimentación en Sleep Mode IDD - 3.0 10 μA Salida para 0g VOFF 1.485 1.65 1.815 V
XY Bandwidth Response f-3dB - 350 - Hz Z Bandwidth Response f-3dB - 150 - Hz Ruido RMS nRMS - 4.7 - mVrms Ruido PSD nPSD - 350 - µ/ Hz
Tabla. 3.6 Parámetros de diseño del acelerómetro
En nuestro caso, implementaremos una configuración por defecto de 4g y 300mV para el
rango de aceleraciones y la sensibilidad respectivamente, si bien ambas podrán ser
reconfiguradas por el usuario en cualquier momento al acceder a nuestro sistema telemétrico
mediante alguna de las interfaces radio de las que está provisto.
En lo que a alimentación y consumo se refiere, alimentaremos el dispositivo con nuestra
tensión de alimentación general VCC (3.3V), común para todos los dispositivos electrónicos
presentes en nuestro sistema.
Por ultimo, es imprescindible destacar que las especificaciones en cuanto a ancho de banda y
ruido, dos parámetros vitales para un adecuado diseño, son cumplidas con un amplio margen.
De este modo, y para asegurar un funcionamiento óptimo en los tres ejes de medición,
cumpliremos en nuestro sistema el requerimiento de 150 Hz como ancho de banda
(correspondiente a la aceleración en el eje Z, el más restrictivo de los tres), lo cual sumado al
bajo nivel de ruido existente y al escaso consumo, garantiza una óptima relación señal ruido
(SNR) y hace de nuestra aplicación un sistema de instrumentación para aceleración de alta
precisión y bajo consumo.
Otras características
El acelerómetro contiene filtros de capacidades conmutadas single-pole integradas en placa.
Debido a que el filtro se realiza utilizando estas técnicas switched capacitor, no se requieren
componentes pasivos externos (resistencias y condensadores) para conseguir la frecuencia de
cut-off adecuada.
Por otro lado, el dispositivo es ratiométrico. La ratiometricidad simplemente hace referencia a
la propiedad por la que el offset de la tensión de salida y la sensibilidad están escalados con la
tensión de la fuente de alimentación. Es decir, si la tensión de alimentación aumenta, la
sensibilidad y el offset aumentarán linealmente, mientras que si la tensión de alimentación
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disminuye, ambos disminuirán linealmente. Este es un concepto clave en la interfaz con el
microcontrolador o el convertidor analógico digital, ya que proporciona al sistema la
eliminación del nivel debido a aquellos errores inducidos por la alimentación en el proceso de
conversión de analógico a digital.
Descripción de los pins
El dispositivo consta de 16 pines, de los cuales tres son entradas lógicas, tres son salidas
analógicas y otros dos son alimentación y tierra. El resto de pines quedan sin conectar. De las
entradas digitales, dos de ellas se dedican a la selección del rango de aceleración y la
sensibilidad (g-Select1, g-Select2), y la otra es para la selección del modo de consumo
(𝑺𝒍𝒆𝒆𝒑 𝑴𝒐𝒅𝒆 ). Las tres salidas analógicas (XOUT, YOUT, ZOUT) representan niveles de tensión
correspondientes a las aceleraciones en los ejes X, Y y Z, respectivamente. Estas tres señales
presentan un offset igual a 1.65V, es decir, este será el valor de tensión que muestren en
ausencia de aceleración. Esta información queda resumida en las siguientes tabla y figura.
Tabla. 3.7 Pinout del acelerómetro Figura. 3.11 Pinout del acelerómetro
Conexión con el microprocesador y condicionamiento de señal
En primer lugar, es necesario añadir un condensador de 0.1 µF a VDD para desacoplar la
componente de continua de la fuente de alimentación. Por otro lado, también resulta
beneficioso utilizar filtros RC a la salida de XOUT, YOUT y ZOUT para minimizar el ruido proveniente
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 18
del oscilador presente en el circuito de capacidades conmutadas. Los valores adecuados para
este filtro son 1kΩ y 0.1µF respectivamente.
Otra especificación importante es la elección de una adecuada frecuencia de muestreo del
CAD situado dentro del microprocesador. Ésta no debe interferir con la frecuencia de
muestreo interna del acelerómetro (11KHz) para evitar errores de aliasing. Por lo demás, hacer
notar que las tres entradas digitales de control quedan conectadas directamente a tres
puertos digitales del microprocesador.
El siguiente diagrama de conexiones muestra lo anteriormente comentado.
Fig. 3.12 Interfaz acelerómetro-microcontrolador
Por ultimo, es importante señalar dos medidas de precaución que hemos tomado como
diseñadores al abordar el layout del acelerómetro, así como su situación y conexión en el PCB:
por un lado minimizar la distancia entre dispositivo y microprocesador, y por otro, colocar un
plano de tierra cercano al acelerómetro para reducir el ruido.
Respuesta frente a la orientación respecto a la gravedad Para una correcta descripción del comportamiento de nuestro acelerómetro deberemos
diferenciar entre comportamiento estático y dinámico. Como queda implícito, éstos
corresponden a los funcionamientos en ausencia o presencia de movimiento.
En cuanto al comportamiento dinámico se refiere, cabe decir que la obtención de los módulos
de las aceleraciones únicamente nos otorgaría la mitad de la información, proporcionándonos
un resultado poco exhaustivo y por tanto, inaceptable. Con ello, queremos poner de
manifiesto que resulta absolutamente importante conocer las especificaciones dadas por el
fabricante correspondientes a la orientación, ya que en función de los valores obtenidos en las
salidas conoceremos, mediante la interpretación de tales especificaciones resumidas en los
siguientes diagramas, el sentido y la magnitud de la aceleración en cada uno de los ejes.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 19
Fig. 3.13 Comportamiento dinámico
En lo que refiere al comportamiento estático, es importante destacar que cuando el dispositivo
se encuentra en reposo en las posiciones vertical, horizontal y lateral para 1g, 0g y -1g, los
valores típicos que se obtienen en las salidas son iguales para los tres ejes, lo que nos otorga
una ventaja significativa a la hora de analizar y comparar los datos obtenidos. Tal
funcionamiento queda reflejado en el siguiente esquema, donde ilustramos un ejemplo
tomado en condiciones estándar (rango de 1.5g seleccionado y alimentación de 3.3V).
Fig.3.14 Comportamiento estático
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 20
Pruebas y calibraciones
Las diversas pruebas realizadas al acelerómetro ponen de manifiesto la adecuación de los
resultados a las especificaciones dadas por el fabricante, así como la fiabilidad de este
dispositivo. En particular, es de nuestro interés mostrar los resultados obtenidos por nuestro
dispositivo en las condiciones de funcionamiento estándar de nuestro sistema, es decir:
Alimentación = VCC (3.3V)
Rango de aceleraciones = 6g
Temperatura =22℃
Para ilustrar los resultados de las pruebas, mostramos a continuación los datos obtenidos en
un test estático en el que, inclinando el sensor con la ayuda de una plataforma rotatoria,
hemos medido la aceleración en los ejes X, Y y Z al variar el ángulo de inclinación alrededor de
cada uno de los ejes en intervalos de 5 grados. Tales resultados quedan representados
gráficamente mediante las figuras y tablas siguientes.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 21
Angle [deg] Xout [V] Xout [g] Xout-X0g [mV] Yout [V] Yout [g] Yout-Y0g [mV] Zout [V] Zout [g] Zout-Z0g [mV]
-100 1,459 -0,941 -190 1,451 -1,015 -197 1,459 -0,941 -190
-95 1,457 -0,950 -192 1,449 -1,026 -199 1,457 -0,950 -192
-90 1,455 -0,960 -194 1,447 -1,036 -201 1,455 -0,960 -194
-85 1,455 -0,960 -194 1,447 -1,036 -201 1,455 -0,960 -194
-80 1,457 -0,950 -192 1,449 -1,026 -199 1,457 -0,950 -192
-75 1,459 -0,941 -190 1,451 -1,015 -197 1,457 -0,950 -192
-70 1,464 -0,916 -185 1,456 -0,990 -192 1,462 -0,926 -187
-65 1,470 -0,886 -179 1,462 -0,959 -186 1,468 -0,896 -181
-60 1,478 -0,847 -171 1,469 -0,923 -179 1,475 -0,861 -174
-55 1,487 -0,802 -162 1,479 -0,871 -169 1,485 -0,812 -164
-50 1,496 -0,757 -153 1,488 -0,825 -160 1,493 -0,772 -156
-45 1,509 -0,693 -140 1,500 -0,763 -148 1,507 -0,703 -142
-40 1,519 -0,644 -130 1,513 -0,696 -135 1,519 -0,644 -130
-35 1,533 -0,574 -116 1,526 -0,629 -122 1,530 -0,589 -119
-30 1,548 -0,500 -101 1,540 -0,557 -108 1,543 -0,525 -106
-25 1,563 -0,426 -86 1,554 -0,485 -94 1,557 -0,455 -92
-20 1,581 -0,337 -68 1,569 -0,407 -79 1,572 -0,381 -77
-15 1,597 -0,257 -52 1,585 -0,325 -63 1,589 -0,297 -60
-10 1,613 -0,178 -36 1,605 -0,222 -43 1,607 -0,208 -42
-5 1,627 -0,109 -22 1,625 -0,119 -23 1,627 -0,109 -22
0 1,649 0,000 0 1,648 0,000 0 1,649 0,000 0
5 1,676 0,134 27 1,670 0,113 22 1,672 0,114 23
10 1,694 0,223 45 1,685 0,191 37 1,690 0,203 41
15 1,710 0,302 61 1,702 0,278 54 1,703 0,267 54
20 1,726 0,381 77 1,717 0,356 69 1,720 0,351 71
25 1,743 0,465 94 1,733 0,438 85 1,737 0,436 88
30 1,757 0,535 108 1,749 0,521 101 1,753 0,515 104
35 1,772 0,609 123 1,763 0,593 115 1,766 0,579 117
40 1,786 0,678 137 1,777 0,665 129 1,780 0,649 131
45 1,797 0,733 148 1,790 0,732 142 1,794 0,718 145
50 1,808 0,787 159 1,802 0,794 154 1,807 0,782 158
55 1,820 0,847 171 1,811 0,840 163 1,817 0,832 168
60 1,829 0,891 180 1,821 0,892 173 1,826 0,876 177
65 1,836 0,926 187 1,828 0,928 180 1,834 0,916 185
70 1,841 0,950 192 1,834 0,959 186 1,840 0,946 191
75 1,847 0,980 198 1,838 0,979 190 1,847 0,980 198
80 1,849 0,990 200 1,841 0,995 193 1,849 0,990 200
85 1,851 1,000 202 1,842 1,000 194 1,851 1,000 202
90 1,851 1,000 202 1,842 1,000 194 1,851 1,000 202
95 1,849 0,990 200 1,841 0,995 193 1,849 0,990 200
100 1,847 0,980 198 1,841 0,995 193 1,847 0,980 198
Tabla.3.8 Calibración del acelerómetro MMA7260QT
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Fig.3.15 Calibración de la aceleración en el eje X
Fig.3.16 Calibración de la aceleración en el eje Y
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Vo
ltag
e [m
V]
Angle [deg]
X out
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Vo
ltag
e [m
V]
Angle [deg]
Y out
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 23
Fig. 3.17 Calibración de la aceleración en el eje Z
Fig. 3.18 Calibración triaxial del acelerómetro
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Vo
ltag
e [m
V]
Angle [deg]
Z out
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-100 -50 0 50 100
Vo
lta
ge [m
V]
Angle [deg]
3-axis Accelerometer CalibrationX outY outZ out
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 24
Comparativa con otros acelerómetros presentes en el mercado
Una vez desgranadas las virtudes y cualidades de nuestro acelerómetro es probable llegar a la
conclusión de que, en efecto, con el ASIC MMA7260QT del fabricante Freescale
Semiconductor disponemos en nuestra aplicación de un dispositivo versátil, eficiente, dotado
de tamaño y consumo reducidos que constituye una excelente elección.
No obstante, cabría preguntarse: ¿existen en el mercado otras opciones igual de competitivas
y adecuadas para nuestro sistema aparte del MMA7260QT? En caso afirmativo, ¿cuáles son
dichas opciones? La respuesta es no. Existe una gran variedad de acelerómetros con
funcionalidades similares a las desplegadas por nuestro dispositivo, pero plantean en alguna
de sus características una dificultad que imposibilita su elección.
Mención especial merece la familia ADXL de acelerómetros del fabricante Analog Devices, que
ofrece una gran variedad de posibilidades para un gran número de aplicaciones de diversa
índole. Se basan en la tecnología iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System) para
su fabricación, garantizando así una fiabilidad del de 1FIT (1 fallo cada billón de horas en
operación). Al igual que nuestro acelerómetro, son capaces de medir tanto aceleraciones
estáticas (gravedad) como dinámicas (vibración, movimiento o impactos).
Fig. 3.19 ADXL 311
Sin embargo, si bien la mayoría de sus especificaciones podrían ser válidas para nuestro
diseño, existe una característica que los descarta: el número de ejes del sensor. Esta familia
sólo nos da información sobre la aceleración a lo largo de dos ejes, a diferencia que el
acelerómetro de Freescale, que nos proporciona una completa medición sobre los tres ejes
espaciales. Para utilizar acelerómetros triaxiales de Analog Devices dispondríamos de dos
opciones.
La primera supondría escoger dispositivos pertenecientes a familias de mayor consumo
(incumpliendo una de nuestras principales especificaciones de diseño) y precio sensiblemente
superior, todo lo cual desaconseja su uso. La segunda opción es utilizar dos acelerómetros
ADXL situados perpendicularmente. Uno de ellos quedaría integrado en el plano frontal del
PCB (plano XY), midiendo aceleraciones para el eje X e Y, y el segundo acelerómetro se
colocaría formando un ángulo recto con el primero (plano XZ) para medir la aceleración en el
eje Z, desechando en este caso la del eje X (que ya obtenemos del primer acelerómetro).
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 25
Sin embargo, tal solución presenta dos potenciales problemas: el considerable aumento del
volumen físico de nuestro PCB y el posible error de Cross-Axis debido a la falta de alineación
ortogonal entre ambos dispositivos. Esta segunda fuente de error, producida por un proceso
mecánico, conllevaría una falta de fiabilidad en el funcionamiento electrónico del dispositivo, y
es precisamente esta correlación mecánico-eléctrica una de las circunstancias que debemos
evitar. La siguiente figura ilustra una posible implementación de esta solución triaxial, basada
en acelerómetros ADXL con encapsulado de aluminio, que fue desarrollada durante la
elaboración de nuestro proyecto como alternativa al acelerómetro triaxial MMA7260QT que,
como sabemos, fue la opción finalmente escogida.
Fig.3.20 Acelerómetro triaxial basado en dos acelerómetros ADXL 311
Otra opción interesante, pero inferior y descartada por idénticas razones a las expresadas para
la familia ADXL, es la serie BDK de Rieker Electronics. En este caso, el encapsulado o housing
del dispositivo resulta inadecuado para nuestra aplicación, ya que necesitamos un
acelerómetro que pueda ser integrado en placa, es decir, un dispositivo de montaje en
superficie, para disminuir el tamaño del PCB y reducir el ruido producido por la interferencia
electromagnética del cableado.
Fig.3.21 Rieker BDK
Teniendo en cuenta todas estas posibilidades, y otras que no señalamos aquí por ser inferiores
a las citadas, el claro ganador es el acelerómetro Freescale MMA7260QT. Por ello lo hemos
escogido, y por ello lo hemos empleado en nuestro diseño. Como más adelante quedará
reflejado, los resultados de las pruebas a las que hemos sometido el dispositivo no hacen sino
confirmar lo adecuado de la elección.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 26
Lo anteriormente señalado queda resumido en el siguiente cuadro comparativo, donde en rojo
aparecen los valores que resultarían mas adecuados para nuestro diseño.
CARACTERÍSTICA SÍMBOLO FREESCALE MMA AD ADXL RIEKER BDK UNIDAD
Alimentación VDD 3.3 3 5 V Consumo IDD 500 400 2000 μA
Bajo consumo IDD 3 - - μA Rango gFS 1.5, 2, 4, 6 2 3 g
Sensibilidad S 800 167 150 mV/g Offset VOFF 1.65 1.65 2.5 V
XY Bandwidth f-3dB 350 600 300 Hz Z Bandwidth f-3dB 150 - - Hz
Ruido PSD nPSD 350 360 - µ/ Hz Surface Mount (Encapsulado)
(QFN)
(CLCC)
-
Dimensiones 6x6x1.45 5x5x2
20x20x5 mm
Tabla.3.9 Comparativa de acelerómetros según características de diseño
RB0 RB2 RB0 RB2
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 27
1.3.2.2 Inclinómetro
Las inclinaciones sufridas por la nave y por los contenedores de mercancías durante su
transporte marítimo son, junto a la aceleración, los datos básicos que deseamos obtener y
registrar en nuestro sistema. Esta circunstancia, comentada anteriormente, es la que da origen
al proyecto que abordamos, ya que, por encima de otras fuentes de datos como puedan ser la
aceleración o las coordenadas geográficas, es la excesiva inclinación del barco y por tanto, de
su carga, la causante de la gran mayoría de los accidentes marítimos que conllevan perdidas de
contenedores y hundimientos de mercancías.
A diferencia de lo que sucede con la aceleración, cuya evolución representara previsiblemente
valores continuos interrumpidos por picos aislados de aceleración que puedan corresponder a
eventos significativos, la inclinación de la nave es un proceso eminentemente armónico y
periódico. Debido a la dinámica de los vehículos marítimos, la nave oscila una y otra vez en
vaivén alrededor del eje vertical respecto al sentido de movimiento, por lo que durante los
trayectos obtendremos, para cada semiplano vertical, valores de ángulos de similar magnitud
pero signos opuestos que oscilaran entre 0 y un valor máximo que, si supera el valor umbral,
provocará un evento. Por lo tanto, necesitamos sensores muy precisos que sean capaces de
detectar pequeñas variaciones.
Necesitamos medir dos inclinaciones. En primer lugar, la inclinación alrededor del eje X de
movimiento (denominada roll). Y en segundo lugar, la inclinación alrededor del eje Y
transversal a la dirección de movimiento (pitch). En este caso, y debido a las particularidades
de la dinámica de los barcos, no resulta útil detectar la inclinación alrededor del eje Z (yaw), a
diferencia de lo que ocurre en otros medios de transporte como puedan ser los aeroplanos.
Por consiguiente, deberemos utilizar un sensor de inclinación, o inclinometro, de dos ejes.
Fig.3.22 Ángulos de inclinación
En primera instancia podríamos plantear una posible implementación del inclinómetro
utilizando uno de los acelerómetros comentados previamente. En particular, tanto el ADXL 311
como el MMA7260QT ofrecen, según las especificaciones de los fabricantes, esta
funcionalidad, ya que son capaces de convertir aceleraciones (normalizadas a 1g) a
inclinaciones mediante la siguiente conversión:
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 28
𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ = 𝐴𝑆𝐼𝑁 𝐴𝑋
1𝑔
𝑅𝑜𝑙𝑙 = 𝐴𝑆𝐼𝑁 𝐴𝑌
1𝑔
Por lo tanto, considerando los datos registrados en la calibración del acelerómetro y
atendiendo únicamente al rango útil de inclinación, es decir, ±15 grados, obtendremos los
siguientes resultados:
Angle [deg] Xout [V] Xout [g] Xout-X0g [mV] Yout [V] Yout [g] Yout-Y0g [mV]
-15 1,597 -0,257 -52 1,585 -0,325 -63
-10 1,613 -0,178 -36 1,605 -0,222 -43
-5 1,627 -0,109 -22 1,625 -0,119 -23
0 1,649 0,000 0 1,648 0,000 0
5 1,676 0,134 27 1,67 0,113 22
10 1,694 0,223 45 1,685 0,191 37
15 1,71 0,302 61 1,702 0,278 54
Tabla. Calibración del inclinómetro realizado con acelerómetros
Tabla. 3.11 Inclinación respeto al eje X del inclinómetro realizado con acelerómetros
-60
-40
-20
0
20
40
60
-15 -10 -5 0 5 10 15
Vo
ltag
e [m
V]
Angle [deg]
X out ±15º
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 29
Tabla.3.12 Inclinación respeto al eje Y del inclinómetro realizado con acelerómetros
No obstante, si bien su comportamiento es adecuado en términos de linealidad, tras estudiar
esta opción, llegamos a la conclusión de que con esta solución no es posible discernir, en el
caso en que existan componentes de aceleración en los ejes X e Y, si estamos experimentando
una inclinación o por el contario, se trata simplemente de aceleración diagonal con inclinación
nula, por lo que la información que se obtenga será inexacta. En conclusión, la incapacidad de
detección de este evento, que se dará la gran mayoría de las veces, por parte del acelerómetro
descarta la utilización de estos sensores para la medición de inclinación.
Entre los distintos tipos de sensores de inclinación, nos centraremos en los inclinómetros
electrolíticos. Éstos, trabajan de forma que un fluido electrolítico contenido en el sensor se
excita al aplicar tensión alterna (AC) en sus estructuras de electrodos planares internos.
Cuando el sensor se inclina, el nivel de líquido sobre los diferentes electrodos y, en
consecuencia, la conductancia de la esfera es modificada proporcionalmente. Utilizando
técnicas de medición diferenciales que veremos más adelante seremos capaces de medir el
ángulo y la dirección de la inclinación.
Características principales del inclinómetro biaxial
El inclinómetro que hemos incluido en el diseño de nuestro sistema no sólo cumple con las
especificaciones requeridas, sino que muestra un rendimiento y una fiabilidad excepcionales
que hacen de él un valiosísimo elemento de instrumentación. Para el diseño del sensor y su
circuito de condicionamiento de señal nos hemos basado en el sensor 0717-4304-99 TrueTilt
del fabricante americano Fredericks. Seguidamente, quedan simplificadas las principales
características de este diseño, el circuito esquemático realizado con Proteus Isis, el layout en
Proteus Ares, y su posición y montaje en el PCB.
Comportamiento lineal en la salida Alta resolución
-60
-40
-20
0
20
40
60
-15 -10 -5 0 5 10 15
Vo
ltag
e [m
V]
Angle [deg]
Y out ±15º
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 30
Muy bajo consumo
Baja tensión de alimentación
Reducido tamaño
Bajo coste
Fig.3.23 Inclinómetro biaxial
Diagrama esquemático y layout
Fig.3.24 Diseño del inclinómetro biaxial
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 31
Fig. 3.25 Layout del inclinómetro biaxial
Descripción del funcionamiento
A continuación, describiremos el modo de operación de un sensor electrolítico de inclinación
para obtener una salida eléctrica proporcional al ángulo de inclinación. Esta solución, que se
basa en las especificaciones del fabricante, supone una primera aproximación a nuestro
diseño, si bien queda planteada aquí con exactitud debido a su carácter didáctico. Una vez
descrita en profundidad, y conocidos sus ventajas e inconvenientes, procederemos a explicar
la solución finalmente adoptada. El diagrama situado debajo representa esquemáticamente la
primera aproximación.
En primer lugar, vamos a describir el funcionamiento del inclinómetro y el correspondiente
condicionamiento de señal para un único eje de medición, lo cual podría denominarse modo
de operación simple. Una vez explicado, será más sencillo ilustrar el modo de operación dual,
correspondiente a dos ejes de medición.
El microprocesador reservará dos puertos de salida lógicos que se utilizarán para estimular los
pines de salida del sensor. Estos puertos serán conmutados con un duty cycle (ratio que define
la proporción de nivel alto-nivel bajo de una señal digital) del 50 por ciento con un período
recomendado de unos 400 hertzios. Debemos garantizar que el software que conmuta estos
puertos está correctamente temporizado para prevenir cualquier desviación del 50 por ciento
deber ciclo. En caso contrario, estaríamos inyectando corriente directa hacia el sensor,
derivando en un funcionamiento poco adecuado.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 32
Fig. 3.26 Posición del inclinómetro respecto al eje sensor en modo simple
Una vez que el inclinómetro posee señal de excitación, examinaremos su respuesta a la salida.
Esta señal es una proporción de la señal de excitación determinada por la inclinación de los
sensores. En la posición nula o de equilibrio la salida será una recta plana de valor aproximado
al nivel medio de la señal de entrada. Como el sensor puede inclinarse en cualquier dirección,
la señal de salida representará la señal de entrada con la amplitud incrementada en función
del aumento en el ángulo de inclinación correspondiente. La fase de esta señal de salida
dependerá del sentido en el que el sensor sea inclinado, indicando ángulos positivos o
negativos. A continuación, la señal se conecta a un buffer CMOS para evitar cualquier carga en
el pin de salida y, por ultimo, la salida del buffer queda conectada a la entrada del convertidor
analógico a digital (CAD) en el microprocesador.
Es responsabilidad del microcontrolador el procesamiento de la señal procedente del sensor.
Puesto que aquél conoce los tiempos de excitación del sensor, aquél se encargará de recoger
muestras de la señal de tensión eléctrica proveniente del sensor. Este proceso se realiza cada
medio ciclo, si bien el aumento en el número de muestras tomadas en cada medio ciclo
revertirá positivamente en una mayor cuenta de bit, y permitirá realizar el promedio de tales
muestras para obtener un resultado más preciso en cada semiperiodo. El concepto clave
reside en la utilización de técnicas diferenciales. Así, el resultado de restar el valor leído en la
segunda mitad del ciclo a aquella obtenida en la primera mitad dará un índice del ángulo de
inclinación. El signo del resultado indica el sentido hacia el que se inclina el sensor respecto a
null o posición de equilibrio.
De ese modo, el microprocesador tiene en su poder un valor que es una representación del
ángulo de inclinación. Este valor puede ser internamente procesado o enviado directamente a
un periférico externo que se ocupe de ello. Como ya hemos mencionado, los factores críticos
son las señales de entrada y salida del sensor. Dependiendo de la elección de micro-
controladores, el examen debe darse a tener igualdad y la adecuada fuente y sumidero unidad
actual a los puertos de salida, por lo que si el microprocesador fuera apagado y encendido con
bastante frecuencia deberíamos tomar la precaución de incorporar una rutina de shut down
para garantizar que es entregado al sensor un ciclo completo, evitándose de esta manera
asimetrías o corrientes directas.
Una vez planteadas los requisitos referentes a las entradas y salidas del sensor de inclinación,
nos adentraremos en el condicionamiento del sensor. Si bien el dispositivo que analizamos
podría tener un funcionamiento simple con un único eje de detección, el caso que nos ocupa
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 33
requiere disponer de condicionamiento de señal para ambos ejes. El circuito de
condicionamiento puede ser consultado en el ANEXO
Comenzaremos examinando la posición del inclinómetro relativa a cada eje. En el modo de
operación simple, el sensor es instalado con los 3 pines alineados con el eje de medición. En el
modo de funcionamiento dual o biaxial, es decir, el que es de nuestro interés, el inclinómetro
es rotado 45 grados respecto a la posición del modo de funcionamiento simple, tal como
queda reflejado en la figura.
Fig. 3.27 Posición del inclinómetro en los modos de funcionamiento simple y biaxial
La excitación de ambos ejes de medición requiere que un juego dual de pines sea excitado
durante cada medio ciclo para cada eje. Esto implica una señal de 4 cuadrantes, que
corresponden a su vez a cuatro semiciclos, o dicho de otra forma, a dos ciclos de reloj. De este
modo en cada cuadrante estaríamos excitando dos de los cuatro pines (uno por eje) de forma
alternativa según el patrón mostrado en la siguiente figura. En ella, podemos apreciar la
polaridad de cada uno de los 4 pines en cada cuadrante temporal. Como quedo indicado
anteriormente, los puertos lógicos de salida del microprocesdor (en este caso cuatro en lugar
de dos) producen la excitación de forma que están completamente ajustadas en el tiempo
para proporcionar una forma de onda simétrica que evite la llegada de componente de
continua (DC) al inclinómetro.
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Fig.3.28 Polaridad de los pines y señales de excitación en los cuatro cuadrantes temporales
Conexión con el microprocesador y condicionamiento de señal
Una vez que disponemos de la excitación, podremos condicionar y procesar la señal
procedente del pin central de salida, que es el único puerto de salida del dispositivo. La salida
está conectada a un buffer de alta para proporcionar aislamiento. La señal es posteriormente
filtrada y amplificada. Nótese que la señal es dividida en dos amplificadores correspondientes
a los ejes X e Y. La razón para ello es ajustar la ganancia y compensar cada eje de forma
independiente. Tales amplificadores están provistos con ajuste AC del offset mediante las
señales de excitación, a través de potenciómetros o resistencias variables. Finalmente, la señal
es entregada a la entrada del CAD presente en el microprocesador. Esta configuración puede
ser verificada en el ANEXO.
A continuación vamos a intentar el funcionamiento anteriormente descrito mediante un
ejemplo concreto. Supongamos que el sensor se inclina en sentido positivo de los ejes X e Y.
Consideremos que la inclinación en el eje X es un tercio del valor máximo del rango de
inclinación y que la correspondiente en el eje Y es igual a dos tercios del valor máximo. Estos
valores de señales resultarían en la siguiente forma de onda de cuatro cuadrantes
correspondiente a la señal de salida una vez condicionada, es decir, amplificada a valores
CMOS de 5V y filtrada. Esta es, una vez mas, la señal de información que queremos traspasar al
microprocesador y, por consiguiente, la señal de entrada del CAD del mismo.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 35
Fig. 3.29 Señal de entrada al CAD una vez procesada la salida del inclinómetro
Si el sensor se inclina el mismo ángulo pero en sentido negativo en ambos ejes, la forma de
onda en la Figura tendría fase opuesta. Además, en la posición de equilibrio,
independientemente del eje, no habría ninguna diferencia entre las tensiones de los
cuadrantes positivos y negativos. Así, en el ejemplo anterior, la salida sería una línea plana de
2.5 voltios, aproximadamente.
En este punto, el CAD podrá tomar muestras cada medio ciclo para los ejes X e Y. Tales
muestras están sincronizadas con las señales de excitación del inclinómetro para permitir la
lectura de tensión durante cada cuadrante. Al igual que en el caso de un solo eje, múltiples
muestras pueden ser tomadas y promediadas durante cada cuadrante para una mayor
resolución. Los ángulos de inclinación de los ejes X e Y respecto a sus correspondientes
posiciones de equilibrio son obtenidos a través de la diferencia entre la tensión X+ y la tensión
X-, y la diferencia entre Y+ e Y, respectivamente.
Expresado analíticamente:
Inclinación eje X = (X+) – (X-)
Inclinación eje Y = (Y+) – (Y-)
La amplitud de la señal de tensión resultante representa el nivel de inclinación, en voltios,
respecto a la posición null, para cada uno de los ejes. Si queremos traducir la información
obtenida a grados de inclinación, bastara interpretar la tabla de inclinaciones proporcionada
por el fabricante, que en los ángulos susceptibles de ser medidos en nuestra aplicación,
muestran un comportamiento lineal.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 36
Fig.3.30 Tensión a la salida del sensor en función de su inclinación
El programa que seguirá el microprocesador para excitar y leer el inclinómetro y generar la
información deseada queda esquematizada mediante el diagrama de bolas que sigue, donde
aparecen tres eventos:
1. Lanzar una interrupción para la conmutación de los puertos de salida del
microprocesador cuya función es la excitación del inclinómetro. El resultado será el
patrón de cuatro cuadrantes indicado anteriormente.
2. Lectura de la salida del sensor para cada uno de los cuatro cuadrantes temporales.
Este proceso estará temporizado correctamente con el evento de interrupción.
3. Procesado y obtención de los datos correspondientes al siguiente grupo de
interrupción de duración cuatro semiciclos de tiempo.
Fig.3.31 Diagrama de bolas del programa de excitación y lectura del inclinómetro
Para ilustrar de una forma precisa el funcionamiento de nuestro inclinómetro, vamos a
valernos de un ejemplo completo en el que podremos apreciar, mediante cronogramas, la
evolución temporal de las señales de entrada y salida del sensor, así como el resultado final
una vez procesada la salida.
Para ello, definiremos los pines y las señales que intervienen en este proceso:
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 37
Entradas: RB0, RB1, RB2 y RB3. Señales de excitación de onda cuadrada de 400 Hz de
frecuencia, amplitud pico a pico igual a 9V, valor medio de 4.5V y duty cicle igual al
50%.
Salidas: VTILT y VOUT. Señales con forma de onda cuadrada cuyas amplitudes son
proporcionales a la inclinación del sensor y que portan información sobre ambos ejes
de medición. Al igual que los estímulos, su frecuencia es 400 Hz, pero sus amplitudes
pico a pico están acotadas a 7V y 5V (niveles CMOS), con un valor medio de 3.5V y 2.5V
respectivamente.
Fig.3.32 Cronograma de las señales del inclinómetro con condicionamiento de señal asíncrono
Como podemos apreciar, el inclinometro permanece estático y paralelo a la superficie
terrestre en el primer y cuarto grupo de ciclo de medición, entendiendo como tal dos ciclos de
reloj o cuatro cuadrantes temporales (equivalentes a cuatro semiciclos). En ellos, las salidas
VTILT y VOUT se mantienen constante e igual al valor medio respectivo. Durante el segundo ciclo
de medición, el sensor es inclinado una tercera parte del rango de inclinación alrededor del eje
X, mientras que la inclinación sobre el eje Y es de dos terceras partes. En el tercer ciclo de
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 38
medicion, los niveles de inclinacion alrededor de los ejes X e Y aparecen intercambiados, por lo
que experimentaremos una inclinación de dos tercios sobre X y de un tercio sobre Y. Podemos
observar en estos dos ciclos de medicion que los niveles de tensión para el eje X e Y en dos
semiciclos consecutivos son iguales en magnitud pero opuestos en amplitud, tal y como
habíamos apuntado anteriormente.
Sin embargo, existe un potencial problema, que si bien no impide que la solucion descrita
hasta ahora sea válida, sí puede concurrir, a largo plazo, en una disminucion de la fiabilidad de
los datos y de la precision del dispositivo. Teniendo en cuenta que nos encontramos ante uno
de los elementos fundamentales de nuestra aplicación, es nuestra voluntad el encontrar una
solución óptima que evite cualquier problemática que pueda surgir, tanto a corto como a largo
plazo. Tenemos el convencimiento de que esta decision es acertada, por lo que los esfuerzos
realizados a la hora de descubrir dicha solucion serán rentabilizados mediante el incremento
de la fiabilidad de nuestro sistema.
El problema potencial comentado en el párrafo anterior radica en la existencia de
amplificadores operacionales, switches analógicos y potenciómetros en el circuito de
condicionamiento mostrado en el ANEXO. Debido a que los ajustes de los potenciómetros
varian con el tiempo y la temperatura, tales sistemas requieren recalibraciones periódicas
basadas en precisos y tediosos procedimientos sobre la placa. Considerando que no es
aconsejable la manipulación de la placa una vez instalada en el barco, y la dificultad de estos
reajustes, optamos por una solucion síncrona.
La solucion síncrona no sólo elimina la necesidad de calibración, sino que también permite
operar desde fuentes de tension de voltajes muy reducidos, como 2. 7V. Cuatro puertos CMOS
del microprocesador generaran como excitación AC ondas cuadradas de 50Hz, 180 grados
out-of-phase. A continuación podemos apreciar un diagrama de bloques que muestra la
configuración de este diseño.
Fig. 3.33 Diagrama de bloques del circuito de condicionamiento de señal síncrono
Cuando el sensor se encuentra en equilibrio, la tensión de su electrodo central, filtrada por R3/
C4, es el promedio entre los valores maximos y minimos de las tensiones de excitación, que
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 39
seran aproximadamente VCC (3.3V) y 0V. Cada puerto de excitación posee una resistencia
finita y una caída de tension correspondiente. Para compensar las inexactitudes que se
pudieran producir, los divisores de tensión R78/R79/R80/R8 muestrean el valor medio de la
señal y lo entregan al CAD. Este valor de referencia permanece siempre constante, mientras
que la señal del pin central del inclinómetro varía por encima o por debajo del nivel medio con
una magnitud y un sentido que dependeáan de la inclinación.
De este modo, tanto la señal de inclinación como el valor de referencia (nivel medio) son
digitalizados por el CAD y entregados al microprocesador para su análisis. Esto se realizará a
través de cuatro canales. Dos para las señales de inclinación respecto a los ejes X e Y, y otros
dos para sus respectivas tensiones de referencia. Por consiguiente, la magnitud y polaridad de
los canales de las señales de inclinacion respecto a sus correspondientes referencias indicarán
la magnitud y el sentido de la inclinación.
La inclinación es ratiométrica y, por lo tanto, relativamente inmune a fuertes variaciones en la
tensión de alimentación. Al igual que ocurria anteriormente con la solución asíncrona, una
medicion comprende dos semiciclos consecutivos mitad-ciclos: durante el primero, el
miroprocesador calcula el valor sensor-menos-referencia; en el segundo, aplica una señal de
excitación con fase opuesta y calcula el valor referencia-menos-sensor. Restando estas
magnitudes obtendremos dos veces el valor de inclinación deseado, y anularemos la necesidad
de calibración de la posición de equilibrio o null, cancelando cualquier offset sistemático.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 40
Fig.3.34 Cronograma de las señales del inclinómetro con condicionamiento de señal asíncrono
La anterior explicación puede ser demostrada analíticamente mediante las siguientes
ecuaciones:
𝑉𝑠𝑝 − 𝑉𝑟𝑝 = 𝑉𝑡𝑖𝑙𝑡;
𝑉𝑠𝑛 − 𝑉𝑟𝑛 = −𝑉𝑡𝑖𝑙𝑡;
𝑉𝑠𝑝 = −𝑉𝑠𝑛;
𝑉𝑟𝑝 = −𝑉𝑟𝑛;
Entonces,
𝑉𝑠𝑝 − 𝑉𝑟𝑝 − 𝑉𝑠𝑛 − 𝑉𝑟𝑛 = 𝑉𝑠𝑝 − 𝑉𝑟𝑝 + 𝑉𝑠𝑝 + 𝑉𝑟𝑝 = 2𝑉𝑠𝑝 = 2𝑉𝑡𝑖𝑙𝑡
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 41
Por último, queremos destacar otra propiedad fundamental de esta solución que resulta
absolutamente coherente con las especificaciones y requerimientos de nuestra aplicación. Se
trata de la capacidad de operar con una muy reducida potencia, consiguiéndose consumos tan
bajos como 10μA.
Pruebas y calibraciones
Las distintas pruebas realizadas al inclinómetro confirman la coherencia de los resultados
respecto a las especificaciones dadas por el fabricante. Las condiciones en las que hemos
desarrollado las pruebas en el laboratorio son resumidas a continuación.
Excitación: VCC (3.3V) y 50 Hz
Temperatura =22℃
Para ilustrar los resultados de las pruebas, mostramos a continuación los datos obtenidos en
tests dinámicos en los que hemos ido variando la dirección y el sentido de la inclinación del
sensor respecto a los dos ejes de medición. Cabe destacar la precisión y rapidez de la
respuesta del inclinómetro, que se ajusta con exactitud a las especificaciones teóricas.
Fig.3.35 Salida del inclinómetro en el osciloscopio Fig.3.36 Generador de la excitación
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 42
Fig.3.37 Especificaciones teóricas de la respuesta del inclinómetro
Fig.3.38 Respuesta real del inclinómetro
1
2
3
4
-30 -20 -10 0 10 20 30
Vo
ltag
e [V
]
Angle [degree]
V TILT
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 43
Comparativa con otros inclinómetro presentes en el mercado
Como hemos puesto de manifiesto en varias ocasiones, el consumo es uno de los factores
limitantes de nuestro sistema, ya que, debido a la larga duración de los trayectos de los barcos
de mercancías, requerimos una aplicación de gran autonomía, lo cual implica a su vez un
consumo de corriente mínimo.
Por otro lado, nos interesa disponer de un rango de inclinaciones suficientemente amplio que
esté provisto con dos características esenciales: comportamiento lineal y precisión. En último
lugar, es conveniente disponer de dispositivos que apenas necesiten reajustes y calibraciones,
ya que, como quedó de manifiesto en el capítulo dedicado al acelerómetro, la posibilidad de
acceso a la placa del sistema es casi nula. De este modo, es interesante minimizar la tensión
existente en la posición de equilibrio, si bien este aspecto es de los tres citados, consumo,
rango lineal y offset, el parámetro de diseño menos significativo, ya que la solución síncrona
que hemos adoptado para el diseño cancela cualquier influencia de la tensión null.
Los fabricantes que destacan en el apartado de los sensores electrolíticos de inclinación, y que
ofrecen una solución acorde con las características y requerimientos de nuestra aplicación son
Fredericks, Spectron, NTT, HLPlanar y Atmos.
Fig.3.39 Inclinómetros presentes en el mercado
Los cinco ofrecen soluciones que podrían ser aceptables, si bien, atendiendo a las
características de diseño que aparecen en la tabla a continuación, el inclinómetro Fredericks
0717-4304-99 es el que muestra el mejor comportamiento, obteniendo los valores óptimos (en
rojo) en cada uno de los parámetros a excepción del rango máximo, cuestión irrelevante
debido a que por encima de 60 grados de inclinación no será necesario el funcionamiento de
nuestro sistema, ya que habrá otro evento más importante que requiera toda la atención: el
naufragio del barco.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 44
CARACTERÍSTICA FREDERICKS SPECTRON NTT HLPLANAR ATMOS UNIDAD
Modelo 0717 Spectrotilt II NG2 NS25 AT3510 Consumo 0.2 1 1 5 9 mA
Rango lineal 25 20 10 25 20 Grados Rango máximo 60 45 30 - 75 Grados
Resolucion 0.002 0.01 0.003 0.001 0.02 arc grados Null Offset 0.025 0.2 0.1 - - V
Tabla. 3.9 Comparativa de inclinómetro según características de diseño
Mención aparte merece el bajísimo nivel de consumo que alcanza el sensor. Los 0.2mA y la
reducida tensión de alimentación que utilizaremos para excitarlo nos proporcionan un
dispositivo de muy bajo consumo de potencia, lo cual revierte beneficiosamente en el
rendimiento y especificaciones de nuestro diseño.
Una ultima propiedad nada desdeñable del inclinómetro Fredericks 0717-4304-99 elegido es
que su bajo coste. Sorprendentemente, y a pesar de su gran rendimiento, es el más económico
de los inclinómetro analizados.
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
RB0 RB2
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 45
1.3.2.3 Sensores ICP
Si bien las especificaciones de nuestro proyecto requieren únicamente sensores de aceleración
e inclinación, hemos añadido a nuestro sistema dos potenciales entradas analógicas,
denominadas ICP 1 e ICP 2, procedentes de dos sensores ICP que no incluimos en el PCB pero
que, opcionalmente, podrían ser incorporados a él. El circuito de acondicionamiento de señal
dedicado a estas dos señales, que sí hemos diseñado e incluido en el proyecto, tratará y
convertirá tales señales para que puedan llegar al microprocesador con los valores adecuados
para su procesamiento.
La razón por la que hemos añadido estas dos entradas y, sobre todo, el correspondiente
circuito de acondicionamiento de señal, se debe al elevado potencial con el que cuentan los
sensores piezocerámicos, logrando así un aumento de generalidad en las propiedades y
características de nuestra aplicación. Es por ello que consideramos conveniente mostrar aquí
las bases de la teoría de la piezoelectricidad, así como los principios del funcionamiento de los
sensores ICP.
La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por
determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización
eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su
superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción
de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es
normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo
eléctrico, recuperan su forma.
Fig.3.40 Configuraciones de materiales piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de
simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de
gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos
elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies
enfrentadas.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 46
Fig.3.41 Teoría de la piezoelectricidad
Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma
natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades
piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita
en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de
microcristales orientados).
Las siglas ICP significan Integrated Circuit Piezoelectric, o circuitos piezoeléctricos integrados, si
bien son comúnmente conocidos con diferentes nombres como pueden ser Piezotron o
Deltatron. El circuito integrado del sensor transforma la señal de carga del elemento
piezoeléctrico de detección, de alta impedancia y alta sensibilidad EMI, en señales de tensión
de baja impedancia.
Una característica particular de la electrónica ICP consiste en que las señales de alimentación y
medición son transmitidas por el mismo cable. Es decir, un transductor ICP solamente
requerirá un único cable apantallado. Como podemos apreciar en la figura, el sensor es
alimentado con corriente constante. Posteriormente un condensador de desacoplo elimina la
componente DC del circuito de acondicionamiento de señal.
Al aplicar al sensor una corriente constante se origina una tensión de offset positiva en la
salida del sensor. Esta tensión DC depende del fabricante y de cada dispositivo, tomando
valores pertenecientes al intervalo entre 5V y 14V. Este será el valor de polarización sobre el
que las señales de medición del sensor oscilarán. Nótese que las señales de salida nunca
alcanzaran tensiones de valor negativo, debido a que su valor mínimo, aproximadamente 1V,
no es otro que la tensión de saturación de la electrónica integrada. Por su parte, el valor
máximo de la salida se encuentra limitado por la tensión de la fuente de alimentación que
proporciona la corriente constante.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 47
Fig.3.42 Diagrama de bloques del funcionamiento de un sensor ICP
A continuación mostramos el diseño esquemático del circuito de condicionamiento de señal
con el que hemos dotado a nuestro PCB, así como su correspondiente layout. Para mayor
detalle, nos remitimos al ANEXO, donde estos diseños podrán ser analizados con mayor
profundidad.
Fig.3.43 Diseño del circuito de acondicionamiento ICP
Fig.3.44 Layout del circuito de acondicionamiento ICP
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 48
1.3.3 GPS
La utilización de un sistema GPS va a resultar, tal y como se ha detallado previamente en la
motivación del proyecto, un elemento decisivo en nuestro sistema, ya que gracias a él
obtendremos información vital sobre la posición y el momento exacto en el que un evento
significativo se ha producido.
Debido a ello, y a la importancia que han adquirido en los últimos años los sistemas de
telecomunicaciones vía satélite, consideramos oportuno detenernos en el y describir,
profusamente, la tecnología empleada y su teoría de funcionamiento, antes de pasar a detallar
las características y el diseño del módulo GPS que hemos incluido en nuestra aplicación.
TEORIA DEL GPS
El sistema de posicionamiento global mediante satélites (Global Positioning System) supone
uno de los más importantes avances tecnológicos de las últimas décadas. Diseñado
inicialmente como herramienta militar para la estimación precisa de posición, velocidad y
tiempo, se ha utilizado también en múltiples aplicaciones civiles. Por razones de seguridad, las
señales GPS generadas para uso civil se someten a una degradación deliberada, al tiempo que
su emisión se restringe a una determinada frecuencia. A pesar de ello, las aplicaciones civiles
siguen proliferando a un ritmo exponencial gracias a la incorporación de las técnicas
diferenciales (DGPS). En esta introducción explicaremos los principios que rigen el
funcionamiento del sistema GPS, los principales errores que afectan a la localización y las
técnicas de corrección de los mismos. Se presenta un conjunto de aplicaciones actuales y
futuras con gran repercusión económica y social para finalizar con comentarios sobre la
posible evolución de los sistemas de posicionamiento global.
1. Antecedentes históricos
Los primeros satélites empleados para la radionavegación fueron los de la serie
estadounidense TRANSIT, un total de diez que se terminaron de lanzar en el año 1964. El
objetivo de este sistema fue el de proporcionar ayuda de navegación para los submarinos del
tipo Polaris. Su funcionamiento se basaba en el desplazamiento de frecuencia (efecto Doppler)
que sufría la señal recibida de los satélites como consecuencia del movimiento orbital de éstos.
Posteriormente, conociendo las coordenadas de los satélites y esas desviaciones de frecuencia
era posible calcular la posición del observador. No obstante, el principal inconveniente del
sistema TRANSIT es que la medida era lenta y no podía ser utilizado por aeronaves. Para
subsanar esta deficiencia, el Departamento de Defensa de los EE.UU. decide aprobar en 1973
el programa NAVSTAR-GPS (Navigation System Time And Ranging - GPS), que pretendía
proporcionar a los usuarios precisiones del orden de decenas de metros con cobertura
continua en toda la superficie terrestre.
Así, en el año 1978 se lanzan los cuatro primeros satélites de la constelación NAVSTAR que
permitían posicionar un objeto sobre la superficie de la Tierra a partir de las señales de radio
transmitidas por los satélites y procesadas en el equipo receptor, consiguiéndose precisiones
dependientes del tipo de información recibida, tiempo de recepción y condiciones de la
emisión. Diseñado en un principio con propósito exclusivamente militar, el sistema GPS junto
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 49
con otros sistemas de navegación por satélite denominados RDSS han alcanzado en la
actualidad un gran número de aplicaciones de índole civil, tales como actividades de
navegación aérea, marítima o terrestre que han supuesto un importante avance en la
organización y en el estado de los transportes y las comunicaciones mundiales.
En líneas generales, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de localización,
diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares, para
proporcionar estimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo. Operativo desde 1995,
utiliza conjuntamente una red de ordenadores y una constelación de 24 satélites para
determinar por triangulación, la altitud, longitud y latitud de cualquier objeto en la superficie
terrestre.
Fig.3.45 Red de satélites de la constelación NAVSTAR
Como quedó apuntado previamente, en el ámbito civil, y alegando razones de seguridad, sólo
se permite el uso de un subconjunto degradado de señales GPS. Sin embargo la comunidad
civil ha encontrado alternativas para obtener una excelente precisión en la localización
mediante las denominadas técnicas diferenciales. Gracias a ellas las aplicaciones civiles han
experimentado un gran crecimiento y actualmente existen más de 70 fabricantes de
receptores GPS.
Un sistema de navegación similar llamado GLONASS (GLObal NAvigation Satellites System) se
desarrolló en la antigua Unión Soviética. El sistema, también diseñado con fines militares,
reservó un subconjunto de señales sin codificar para las aplicaciones civiles. Actualmente la
responsabilidad del sistema es de Rusia. De los 24 satélites, distribuidos en tres planos
orbitales inclinados 64.8 grados, a 19100 kilómetros de altitud y periodo 11 horas y 15
minutos, sólo funcionan 14. A pesar del beneficio que supone la ausencia de perturbación en
la señal GLONASS, la incertidumbre sobre su futuro ha limitado su demanda, sin embargo se
han comercializado receptores que, combinando las señales GPS y GLONASS, mejoran la
precisión de las medidas.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 50
2. EL SISTEMA GPS
2.1 Arquitectura del sistema GPS
Como cualquier sistema de satélites, el sistema NAVSTAR-GPS se compone de tres segmentos
distintos: segmento espacial, segmento de control y segmento de usuario. El segmento
espacial es claramente el más costoso, formado por los satélites de la constelación NAVSTAR.
Fig.3.46 Satélite NAVSTAR GPS
Los satélites se sitúan en seis órbitas elípticas casi circulares (excentricidad 0,03),
semisíncronas y separadas entre sí 60. Los planos orbitales tienen una inclinación de 55 con
respecto al plano del ecuador y se nombran como A, B, C, D, E y F. Cada órbita contiene al
menos cuatro satélites (separados 90 entre sí), aunque puede contener más. Los satélites se
sitúan a una altitud de 20.169 km sobre la Tierra y completan una órbita en 12 horas 58
minutos. De esta forma, se asegura una cobertura global ininterrumpida que permite la
visibilidad de un mínimo de cuatro satélites.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 51
Fig.3.47 Constelación de satélites GPS
Los actuales satélites se denominan bloques II, pesan 800kg y tienen una vida media de 7,5
años. La energía eléctrica se obtiene de paneles solares que proporcionan 600 W de potencia.
La emisión se realiza empleando una potencia de 25W por medio de agrupaciones de antenas
helicoidales con polarización a derechas. El hecho de no utilizar polarizaciones lineales se debe
a la rotación Faraday que se produce cuando las ondas electromagnéticas atraviesan la
atmósfera. Dado que se necesita cobertura global, las antenas poseen anchos de haz elevados.
Fig.3.48 Satélite NAVSTAR en órbita
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 52
Ahora bien, el inconveniente de utilizar antenas de baja directividad es que la señal llega a la
superficie terrestre unos 30dB por debajo de la densidad espectral de ruido ambiente que
capta del cielo la antena receptora. Como solución a este problema y por otras razones que se
verán después, se utiliza la técnica de espectro ensanchado que permite obtener una gran
ganancia de procesado. Finalmente, cada satélite transporta dos relojes de Cesio y dos de
Rubidio de gran estabilidad funcionando a una frecuencia de 10,23MHz. La sincronización de
los relojes y de las frecuencias del sistema GPS se realiza desde el segmento terreno,
permitiéndose una desviación diaria máxima de la frecuencia de reloj de 1012MHz, lo cual
equivale a 0,1 partes por billón.
El segmento de control está compuesto por cinco estaciones monitoras, tres con enlace
ascendente para transmitir comandos y datos en banda S, y una maestra situada en Colorado
Spring. Esta última se encarga de recoger la información del resto de estaciones monitoras
repartidas por el mundo: Ascensión (Atlántico sur), Hawaii (Pacífico oriental), Kwalalein
(Pacífico occidental) y Diego García (Índico). Las estaciones monitoras reciben en todo
momento las señales transmitidas por los satélites visibles y obtienen la información necesaria
para calcular con gran precisión las órbitas de los satélites. Una vez transmitidos estos datos a
la estación maestra, ésta calcula las efemérides de los satélites, es decir, las predicciones de la
posición actual de los satélites, y se incluyen en el mensaje de navegación. Adicionalmente, se
proporcionan servicios de telemetría y telemando.
Fig.3.49 Situación de las estaciones monitoras y de la estación de control maestra
Por último, el segmento de usuario lo constituyen los equipos receptores situados sobre la
Tierra. El equipo de usuario es un dispositivo pasivo, puesto que únicamente recibe la
información proveniente de los satélites (efemérides, correcciones, etc.) y la procesa. Sus
funciones principales son: sintonizar la señal emitida por los satélites, decodificar el mensaje
de navegación, medir los tiempos de retardo, calcular los datos requeridos e interpretar los
resultados.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 53
Existe una gran oferta de receptores en el mercado, desde los más simples de mano con
precios económicos, hasta los de precio elevado que se utilizan en grandes barcos y aviones.
Los más populares son los de mano, por ser asequibles y su gran cantidad de funciones, como
almacenar puntos de referencia y crear rutas con ellos sobre las que posteriormente nos
guiará el equipo. Los más básicos son los llamados OEM, que únicamente poseen la electrónica
necesaria para calcular la posición y no tienen ni pantalla ni botones. En la figura se puede ver
el aspecto de un equipo receptor GPS típico.
Fig.3.50 Receptor GPS convencional
2.2 Principios de funcionamiento del sistema GPS
La idea básica del sistema GPS es la de utilizar satélites en el espacio como puntos de
referencia para localizaciones terrestres. Mediante la medición muy precisa de las distancias a
tres de estos satélites, lo cual se realiza a partir de las medidas de los retardos que han sufrido
las señales provenientes de estos satélites, se puede calcular por triangulación la posición en
cualquier lugar de la Tierra. Esto mismo se representa de forma esquemática en la siguiente
figura.
Fig.3.51 Localización de la posición mediante tres satélites
Si se utiliza un sólo satélite y conocemos su posición y la distancia que nos separa del mismo,
nuestra posición se encontrará en un área de incertidumbre que es geométricamente una
esfera. Si a continuación añadimos otro satélite con sus correspondientes datos de posición y
distancia, ahora nuestra posición se encontrará sobre una circunferencia intersección de
ambas esferas. Por último, si disponemos de tres satélites nuestra posición se reduce a dos
puntos en el espacio, de los cuales uno de ellos se puede rechazar por ser una posibilidad
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 54
incoherente (ya sea por encontrarse a gran distancia de la superficie de la Tierra o moviéndose
a una velocidad imposible).
Fig. 3.52 Principio de funcionamiento del sistema GPS
Así pues, tres satélites son suficientes para determinar nuestra posición. No obstante, existen
una serie de factores que afectan a la medida de la distancia: errores en el reloj del satélite,
desfase en el reloj del receptor o retardo introducido por la propagación ionosférica. Por estas
razones, las distancias calculadas por el receptor GPS incluyen un término de error constante,
denominándose pseudodistancias, y se hace necesaria la obtención de una cuarta medida para
determinar su posición exacta. Así pues, existe un sistema de 4 ecuaciones que debe resolver
el receptor para obtener su posición, así como la corrección que debe aplicar a su reloj para
estar perfectamente sincronizado con el reloj atómico de referencia situado en Colorado
Springs.
El sistema GPS fue concebido inicialmente como un proyecto militar que permitiese a soldados
y vehículos conocer su posición exacta, por lo que las autoridades estadounidenses decidieron
que el sistema estuviera disponible para usos civiles bajo ciertas restricciones. En especial, se
introdujo intencionadamente una señal que alterara la precisión con la que los receptores
calculan su posición. Este factor de error se conoce con el nombre de disponibilidad selectiva,
es aleatoria y varía constantemente, normalmente cuando existe algún conflicto en que se ve
involucrado el ejército de los EE.UU. Este hecho da lugar a la existencia de dos tipos de
servicios: estándar (SPS) y preciso (PPS). El servicio de posicionamiento estándar permite una
precisión horizontal de 100m y vertical de 156m, así como una precisión temporal de 340ns.
Por el contrario, el servicio preciso está reservado para usuarios autorizados y permite
precisiones de 22m horizontalmente, 27,7m en vertical, y una precisión temporal de 100ns.
Para la transmisión, cada satélite emplea dos frecuencias coherentes entre sí: L1 a
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1575,42MHz y L2 a 1227,6MHz, ambas múltiplos del oscilador de referencia a 10,23MHz.
Posteriormente, estas portadoras se modulan con códigos pseudoaleatorios empleando la
técnica de espectro ensanchado. El código C/A (Coarse Acquisition) modula la portadora L1, la
cual transporta el mensaje de navegación y es la base del servicio SPS. Este código consiste en
una secuencia pseudoaleatoria de 1,023 MHz que se repite cada 1023 bits. Se ha escogido de
una familia de códigos ortogonales conocida con el nombre de códigos de Gray, y cada satélite
tiene uno distinto que le sirve de identificativo.
Por su parte, el código P (Precise) modula tanto la portadora L1 como L2, siendo la base del
servicio PPS. Este código posee una frecuencia de 10,23MHz y un muy largo período de 248 - 1
bits, lo cual proporciona una duración de siete días. Todos los satélites tienen el mismo
generador de código P, pero a cada uno se le asigna uno de los 40 segmentos incorrelados de
siete días de duración. De este modo, los satélites no se interfieren entre sí y pueden ser
identificados. En realidad, el acceso a la segunda portadora está prohibido, ya que la
disponibilidad selectiva se implementa por medio de los errores introducidos por la refracción
de la ionosfera y la troposfera, y se ha demostrado que se puede estimar su efecto utilizando
dos frecuencias distintas. De esta manera, las aplicaciones autorizadas poseen mayor
resolución a raíz de la mayor frecuencia del código P y a la disponibilidad de dos frecuencias
para poder corregir los errores de propagación atmosférica. Las modulaciones anteriormente
descritas se muestran a continuación mediante un diagrama de bloques.
Fig.3.53 Diagrama de bloques
La información a transmitir dura 12,5 minutos y se transmite a una velocidad de 50bps,
aunque se ensancha en frecuencia por medio de los códigos pseudoaleatorios. De este modo,
los 50 bps de datos ocupan un ancho de banda de 1MHz con el código C/A y de 10MHz con el
código P. El código C/A tiene como misión facilitar el enganche al código P para los usuarios
autorizados. Como es tan breve (1 ms), es relativamente sencillo obtener la fase del código
transmitido por un determinado satélite desplazando el código generado en el receptor hasta
que la correlación con la señal recibida sea máxima. Una vez que se ha enganchado el
receptor, entonces puede acceder a la información modulada a 50 bps. En esa información se
encuentra la palabra HOW que indica el estado del código P, de tal forma que se pueda realizar
un ajuste más fino a partir de un lugar cercano al que realmente tiene.
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La estructura del mensaje de navegación GPS se muestra en la figura presente a continuación.
Consiste en una supertrama compuesta de 25 tramas de 1500 bits. A su vez, cada una de estas
tramas se divide en cinco subtramas de 300 bits cada una. Cada subtrama contiene diez
palabras de 30 bits cuyo significado es el siguiente: mensaje de telemetría (TLM), palabra
HOW, correcciones a los relojes de los satélites, vigencia de las correcciones impuestas al reloj
(AODC), retardo de grupo (TGD) para evitar el efecto de la propagación ionosférica, posición
exacta del satélite, predicciones de los parámetros futuros, vigencia de los datos del
almanaque (AODE), mensajes especiales y datos de almanaque global. Las dos primeras
palabras son generadas por cada satélite, mientras que el resto se generan desde el centro de
control del sistema GPS.
Fig.3.54 Mensaje de navegación GPS
El almanaque recoge los parámetros orbitales aproximados de todos los satélites, describiendo
sus órbitas en períodos de tiempo prolongados (útiles durante meses en muchos casos). La
información dura un total de 150 segundos (7500 bits), pero dado que sólo se incluye una
palabra por trama (seis segundos), son necesarias 25 tramas para transmitir el almanaque
completo. Así pues, un receptor necesita de 12,5 minutos para obtener el almanaque, aunque
dado que su validez se estima en unos seis meses, su utilidad no es importante si se usa el
equipo habitualmente.
Presentamos seguidamente, con fines didácticos, un resumen de los códigos, frecuencias y
niveles de servicio presentes en el sistema GPS.
Cadenas de Código GPS
El código pseudo-aleatorio transmitido se compone de tres tipos de cadenas:
• Código C/A (Coarse/Acquisition), con frecuencia 1.023MHz., utilizado por los usuarios civiles.
• Código P (Precision Code), de uso militar, con una frecuencia diez veces superior al código
C/A.
• Código Y, que se envía encriptado en lugar del código P cuando está activo el modo de
operación antiengaños.
Frecuencias GPS
Los satélites transmiten la información en dos frecuencias:
• Frecuencia portadora L1, a 1575.42MHz., transmite los códigos C/A y P.
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• Frecuencia portadora L2, a 1227.60MHz., transmite información militar modulada en código
P.
Fig. 3.55 Señales transmitidas por los satélites GPS
El satélite transmite además una señal de 50 z. en ambas portadoras L1 y L2, que incluye las
efemérides y las correcciones por desviación de sus relojes.
Niveles de Servicio GPS
El sistema GPS proporciona dos niveles diferentes de servicio que separan el uso civil del
militar:
• Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS, Standard Positioning Service). Precisión normal
de posicionamiento civil obtenida con la utilización del código C/A de frecuencia simple.
• Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS, Precise Positioning Service). Este posicionamiento
dinámico es el de mayor precisión, basado en el código P de frecuencia dual, y solo está
accesible para los usuarios autorizados.
3. FUENTES DE ERROR EN LOS GPS
A continuación se describen las fuentes de error que en la actualidad afectan de manera
significativa a las medidas realizadas con el GPS:
• Perturbación ionosférica. La ionosfera está formada por una capa de partículas cargadas
eléctricamente que modifican la velocidad de las señales de radio que la atraviesan.
• Fenómenos meteorológicos. En la troposfera, cuna de los fenómenos meteorológicos, el
vapor de agua afecta a las señales electromagnéticas disminuyendo su velocidad. Los errores
generados son similares en magnitud a los causados por la ionosfera, pero su corrección es
prácticamente imposible.
• Imprecisión en los relojes. Los relojes atómicos de los satélites presentan ligeras
desviaciones a pesar de su cuidadoso ajuste y control; lo mismo sucede con los relojes de los
receptores.
• Interferencias eléctricas imprevistas. Las interferencias eléctricas pueden ocasionar
correlaciones erróneas de los códigos pseudo-aleatorios o un redondeo inadecuado en el
cálculo de una órbita. Si el error es grande resulta fácil detectarlo, pero no sucede lo mismo
cuando las desviaciones son pequeñas y causan errores de hasta un metro.
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• Error multisenda. Las señales transmitidas desde los satélites pueden sufrir reflexiones antes
de alcanzar el receptor. Los receptores modernos emplean técnicas avanzadas de proceso de
señal y antenas de diseño especial para minimizar este error, que resulta muy difícil de
modelar al ser dependiente del entorno donde se ubique la antena GPS.
• Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A". Constituye la mayor fuente de error y es
introducida deliberadamente por el estamento militar.
• Topología receptor-satélites. Los receptores deben considerar la geometría receptor-
satélites visibles utilizada en el cálculo de distancias, ya que una determinada configuración
espacial puede aumentar o disminuir la precisión de las medidas. Los receptores más
avanzados utilizan un factor multiplicativo que modifica el error de medición de la distancia
(dilución de la precisión geométrica). Las fuentes de error pueden agruparse según que
dependan o no de la geometría de los satélites. El error debido a la Disponibilidad Selectiva y
los derivados de la imprecisión de los relojes son independientes de la geometría de los
satélites, mientras que los retrasos ionosféricos, troposféricos y los errores multisenda
dependen fuertemente de la topología. Los errores procedentes de las distintas fuentes se
acumulan en un valor de incertidumbre que va asociado a cada medida de posición GPS.
3.1 Cuantificación de la incertidumbre en localización GPS
Debido a las múltiples fuentes de error anteriormente comentadas, los receptores GPS
posicionan con un cierto grado de incertidumbre. Ofrecen una estimación de la posición, valor
medio, a lo largo de un intervalo de tiempo con una determinada dispersión. De forma
estándar se puede caracterizar esta dispersión mediante el error cuadrático medio (ECM)
definido como la raíz cuadrada de la media de los errores al cuadrado, pudiéndose referir a
una, dos o tres dimensiones.
En receptores GPS/GLONASS y DGPS los errores de posicionamiento, en un intervalo de horas
se ajustan a una distribución normal, no ocurriendo así con el GPS en modo absoluto debido al
error S/A. En los dos primeros casos, el error en las medidas sigue una distribución de
probabilidad normal en cada eje, por lo que se pueden deducir las probabilidades asociadas a
los mismos. Para un análisis unidimensional, el valor de una medida se encuentra en el
intervalo [valor medio +/- 2σ=] en el 95% de los casos, siendo σ la desviación típica de la
distribución. En el caso bidimensional (ejes norte y este), el porcentaje de dispersión que está
dentro de un círculo de radio ECM depende de la distribución, siendo del 98% en el caso
circular. Para las medidas GPS y GPS/GLONASS la distribución es elíptica, por lo que se
aproxima a una distribución unidimensional, con probabilidad asociada del 95%.
Los fabricantes de GPS definen la precisión de las medidas de posición obtenidas con sus
receptores mediante el Error Circular Probable (CEP), que se define como el radio del círculo
en el que se encuentra la estimación más probable de la posición en un porcentaje del 95% o
CEP 95%, en asociación con el ECM y del 50% o CEP 50%.
3.2 Corrección de errores mediante técnicas diferenciales (DGPS)
En aplicaciones que no requieren gran precisión se puede utilizar un receptor con un único
canal y bajo coste, que calcula la distancia a cuatro satélites en un intervalo de dos a treinta
segundos. Ahora bien, la precisión de las medidas se ve afectada por el movimiento del satélite
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durante el cómputo y por el tiempo que se tarda en obtener las posiciones, debido a lecturas
repetitivas de todos los mensajes de la constelación.
El requerimiento de una localización precisa y continua en tiempo real, ha conducido al
desarrollo de receptores con un mayor número de canales (8-12) capaces de disminuir al
máximo el error de localización utilizando los métodos de posicionamiento diferencial.
Las técnicas de GPS diferencial (DGPS) se utilizan para eliminar los errores introducidos por la
disponibilidad selectiva y otras fuentes de error. El DGPS supone la cooperación de dos
receptores, uno que es fijo (estación base) y otro que se desplaza alrededor realizando
medidas de posición. El receptor fijo es la clave y se encarga de relacionar todas las medidas
del satélite con una referencia fija. De este modo, la estación base calcula las correcciones
necesarias para que las pseudodistancias coincidan con su posición correcta que es
perfectamente conocida. Las correcciones pueden utilizarse en equipos convencionales que
operen en un área próxima (unas decenas de kilómetros), y pueden obtenerse precisiones de
hasta un par de metros en aplicaciones móviles o incluso mejores en situaciones estacionarias.
Afortunadamente, la gran escala de los sistemas GPS nos ayuda. Los satélites se encuentran
tan alejados en el espacio que las pequeñas distancias que viajamos aquí en la Tierra son
insignificantes. Por ello, si dos receptores se encuentran muy juntos el uno del otro (unos
pocos cientos de kilómetros), la señal que alcanza a ambos habrá recorrido prácticamente el
mismo pasillo a través de la atmósfera y sufrirá los mismos errores.
La idea que hay detrás del DGPS consiste en que disponemos de un receptor que mide los
errores de temporización y proporciona la información de corrección a los otros receptores
que se están moviendo a su alrededor. En los primeros días del GPS, las estaciones de
referencia eran establecidas por compañías privadas que tenían grandes proyectos que
demandaban una alta precisión. Pero en la actualidad, existen suficientes agencias públicas
transmitiendo correcciones hasta el punto de poder conseguirse gratuitamente. Los
guardacostas de EE.UU. y otras agencias internacionales están estableciendo estaciones de
referencia por todos los sitios, especialmente cerca de los puertos concurridos y de las rutas
marítimas. Cualquiera de la zona puede recibir estas correcciones y mejorar
considerablemente la precisión de las medidas de su receptor GPS. En la figura siguiente se
representa de forma esquemática cuál sería la configuración típica del sistema DGPS.
Fig. 3.56 Sistema DGPS.
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Sin embargo, no todas las aplicaciones DGPS necesitan un enlace radio, puesto que pueden no
requerir un posicionamiento preciso inmediato. Supóngase que se desea grabar la ruta de una
nueva carretera para incluirla en un mapa. En este caso, sería suficiente con que el receptor
itinerante almacenara las posiciones medidas y el tiempo exacto en que se realizó cada
medida. Posteriormente, estos datos pueden unirse con las correcciones almacenadas por el
receptor de referencia para la depuración de los datos. Luego el enlace de radio será necesario
sólo en aquellas aplicaciones de precisión que se realicen en tiempo real.
4. APLICACIONES DE LOS GPS
Son múltiples los campos de aplicación de los sistemas de posicionamiento tanto como
sistemas de ayuda a la navegación, como en modelización del espacio atmosférico y terrestre
o aplicaciones con requerimientos de alta precisión en la medida del tiempo. A continuación se
detallan algunos de los campos civiles donde se utilizan en la actualidad sistemas GPS.
• Sistemas de alarma automática. Existen sistemas de alarma conectados a sensores dotados
de un receptor GPS para supervisión del transporte de mercancías tanto contaminantes de alto
riesgo como perecederos (productos alimentarios frescos y congelados). Tal será nuestro caso
de estudio. En este caso la generación de una alarma permite una rápida asistencia al vehículo.
• Navegación desasistida de vehículos. Se están incorporando sistemas DGPS como ayuda en
barcos para maniobrar de forma precisa en zonas de intenso tráfico en vehículos autónomos
terrestres que realizan su actividad en entornos abiertos en tareas repetitivas, de vigilancia en
medios hostiles (fuego, granadas, contaminación de cualquier tipo) y en todos aquellos
móviles que realizan transporte de carga, tanto en agricultura como en minería o construcción.
La alta precisión de las medidas ha permitido importantes avances en el espacio en órbitas
bajas y así tareas de alto riesgo de inspección, mantenimiento y ensamblaje de satélites
artificiales pueden ahora realizarse mediante robots autónomos.
• Estudio de fenómenos atmosféricos. Cuando la señal GPS atraviesa la troposfera el vapor de
agua, principal causante de los distintos fenómenos meteorológicos, modifica su velocidad de
propagación. El posterior análisis de la señal GPS es de gran utilidad en la elaboración de
modelos de predicción meteorológica.
• Localización y navegación en regiones inhóspitas. El sistema GPS se utiliza como ayuda en
expediciones de investigación en regiones de difícil acceso y en escenarios caracterizados por
la ausencia de marcas u obstáculos. Un ejemplo son los sistemas guiados por GPS para
profundizar en el conocimiento de las regiones polares o desérticas.
• Modelos geológicos y topográficos. Los geólogos comenzaron a aplicar el sistema GPS en los
80 para estudiar el movimiento lento y constante de las placas tectónicas, para la predicción
de terremotos en regiones geológicamente activas. En topografía, el sistema GPS constituye
una herramienta básica y fundamental para realizar el levantamiento de terrenos y los
inventarios forestales y agrarios.
• Ingeniería civil. En este campo se utiliza la alta precisión del sistema GPS para monitorizar en
tiempo real las deformaciones de grandes estructuras metálicas o de cemento sometidas a
cargas.
• Sincronización de señales. La industria eléctrica utiliza el GPS para sincronizar los relojes de
sus estaciones monitoras a fin de localizar posibles fallos en el servicio eléctrico. La localización
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 61
del origen del fallo se realiza por triangulación, conociendo el tiempo de ocurrencia desde tres
estaciones con relojes sincronizados.
• Guiado de disminuidos físicos. Se están desarrollando sistemas GPS para ayuda en la
navegación de invidentes por la ciudad. En esta misma línea, la industria turística estudia la
incorporación del sistema de localización en guiado de visitas turísticas a fin de optimizar los
recorridos entre los distintos lugares de una ruta.
• Navegación y control de flotas de vehículos. El sistema GPS se emplea en planificación de
trayectorias y control de flotas de vehículos. La policía, los servicios de socorro (bomberos,
ambulancias), las centrales de taxis, los servicios de mensajería, empresas de reparto, etc.
organizan sus tareas optimizando los recorridos de las flotas desde una estación central.
Algunas compañías ferroviarias utilizan ya el sistema GPS para localizar sus trenes, máquinas
locomotoras o vagones, supervisando el cumplimiento de las señalizaciones.
• Sistemas de aviación civil. En 1983 el derribo del vuelo 007 de la compañía aérea coreana al
invadir cielo soviético, por problemas de navegación, acentuó la necesidad de contar con la
ayuda de un sistema preciso de localización en la navegación aérea. Hoy en día el sistema GPS
se emplea en la aviación civil tanto en vuelos domésticos, transoceánicos, como en la
operación de aterrizaje. La importancia del empleo de los GPS en este campo ha impulsado,
como se verá en la siguiente sección, el desarrollo en Europa, Estados Unidos y Japón de
sistemas orientados a mejorar la precisión de los GPS.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL GPS
Nuestro terminal GPS es un receptor ultra compacto y de alta sensibilidad que representa el
estado del arte en lo que respecta a posicionamiento en espacios cubiertos y al aire libre. La
elevada sensibilidad que posee es la característica más notable de este dispositivo y es, a su
vez, la que en mayor medida aconseja su elección teniendo en cuenta los escenarios (alta mar)
en los que nuestra aplicación debe trabajar. De este modo, el receptor nos habilita para operar
en ambientes donde los terminales GPS convencionales no lo hacen posible.
El receptor Q20 del fabricante Qinetiq se basa en un procesador de banda base de ultima
generación (ARM966) que, por un lado, proporciona rápida adquisición de señal y por otro,
requiere muy baja señal de tracking para los satélites. Las librerías de navegación y el eficiente
software que se encuentran integrados en el dispositivo están optimizadas para su interacción
con el procesador. Además, disponemos en el modulo GPS de interfaces digitales para la
conexión de las salidas de posicionamiento y de las señales de control con el microprocesador
de nuestro sistema.
Para garantizar un adecuado rendimiento es necesario eliminar las interferencias
electromagnéticas procedentes del resto de componentes de nuestro sistema y del ruido de
radiofrecuencia que pudiera mermar la detección de las señales de posicionamiento. Para ello,
el GPS está dotado con un front end y una etapa de filtrado de bajo ruido de radiofrecuencia.
El módulo GPS contiene memoria en placa que almacena el software y la información
necesarios para asistir la adquisición de señal. Esta información consiste de hora, fecha,
frecuencia, última posición conocida, efemérides y almanaque.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 62
Fig.3.57 Receptor GPS Qinetiq Q20
Las características más representativas del dispositivo de Qinetiq utilizado en nuestra aplicación
pueden ser resumidas de la siguiente forma:
Doce canales para tracking de todos los satélites visibles
Alta sensibilidad
Desmodulación de almanaque y efemérides
Temporización de salida de 1 pulso por Segundo (1 PPS)
Procesador de señal ARM966 integrado
Amplio rango de temperaturas: de -30°C a +80°C
Reducido tamaño
Fig.3.58 Receptor GPS Qinetiq Q20
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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO Y LAYOUT
Fig.3.59 Diseño del módulo GPS
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Fig.3.60 Layout del acelerómetro triaxial
DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL MÓDULO GPS
El módulo GPS utilizado únicamente requerirá una fuente de alimentación, una antena y
dispositivo (nuestro microprocesador) conectado al puerto serie capaz de interpretar los mensajes
de datos correspondientes al protocolo de navegación NMEA utilizado. A continuación mostramos
los principales bloques que lo componen.
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Fig.3.61 Diagrama de bloques funcional del receptor GPS
Fig.3.62 Diagrama de bloques del layout del receptor GPS
Para describir el comportamiento de este dispositivo del modo más práctico posible vamos a ir
explicando las diferentes etapas que las señales recorren desde que son recibidas por la antena
hasta que son transmitidas al microprocesador.
En primer lugar, la señal GPS recibida por la antena es dirigida hacia el filtro front end. Se trata de
un filtro cerámica de alta precisión que elimina eficazmente todas las señales no deseadas, es
decir, aquellas que se encuentren fuera de la banda L1 en la que los códigos C/A son transmitidos).
Una vez filtrada, la señal es amplificada mediante un LNA antes de pasar al front end RF. El front
end es un dispositivo de BiCMOS de Silicio y Germanio que amplifica el bajo nivel de señal propio
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 66
de las señales GPS para llevarlas a niveles adecuados para los circuitos digitales de nuestro
sistema, lo cual requiere una ganancia en exceso de 140 dB. Esta elevada ganancia, aplicada a
todas las señales que inciden en la antena, provocará señales muy grandes en el sistema RF/IF, por
lo que será necesario realizar un nuevo filtrado que excluya las señales situadas fuera del ancho de
banda GPS. La sección RF del receptor, sincronizada con el oscilador de referencia, traslada la
señal GPS a una frecuencia intermedia (IF) que el procesador de banda base es capaz de procesar.
La tabla que aparece a continuación muestra los distintos rangos y frecuencias de corte de los
filtros presentes en el GPS.
Tabla.3.14 Bandas de frecuencias del receptor GPS
La señal IF recibida en la interfaz RF-banda base es una mezcla digitalizada de todos los satélites
recibido que contiene la totalidad del ancho de banda GPS. El procesador identifica y separa la
señal correspondiente a cada satélite mediante una técnica que consiste en la correlación con su
respectivo código Pseudo Random Noise (PRN), a continuación elimina cualquier componente de
frecuencias IF y Doppler, y por último realiza un filtrado a una tasa más apropiada para las técnicas
software.
La adquisición de señal se implementa mediante una búsqueda paralela de ambos, código y
frecuencia. En lo que al código se refiere, cabe decir que este modelo GPS está dotado de un
número sensiblemente mayor de correladores que el de los receptores GPS convencionales.
Respecto a la búsqueda en el dominio de la frecuencia, hay que destacar el potente motor
implementado en hardware dedicado al proceso de Fast Fourier Transform (FFT). Todo el proceso
queda sincronizado por la señal de reloj digital del procesador banda base proporcionada por el
oscilador de referencia.
El procesador banda base integrado en el modulo GPS utiliza las mediciones procedentes del
procesamiento de señal para calcular una precisa solución de navegación (posición, velocidad y
tiempo) utilizando un avanzado filtro Kalman. Del mismo modo, el procesador ejecuta algoritmos
propietarios para eliminar interferencias y reducir el efecto multipath.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 67
Para realizar una rápida adquisición de señal procedente de los satélites, el receptor almacena en
la memoria EEPROM información útil sobre el almanaque, efeméride, última posición conocida y
frecuencia, junto a la información referente a la fecha y la hora proporcionada por el RTC.
A continuación, destacamos aquellas especificaciones que resultan esenciales para el
funcionamiento óptimo del terminal receptor GPS teniendo en cuenta las características de diseño
propias de nuestro sistema.
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
Tensión de alimentación <3.6 V Corriente de alimentación <145 mA Sensibilidad de recepción RF adquisición/tracking
-185/-189 dBW
Tiempos de adquisición fría/templada/caliente
<45/<38/<1 seg
Precisión exterior/interior <5/<50 m Protocolo NMEA 0183 Canales 12 paralelos C/A L 1 (1575.42 MHz)
Medidas 22.0x26.5x3.3 mm
Tabla. 3.15 Especificaciones esenciales para un óptimo funcionamiento de GPS
CONEXIÓN CON EL MICROPROCESADOR
El GPS está provisto de tres UARTs que permiten su comunicación con el microprocesador, cada
uno de las cuales posee 16 buffers FIFO para la transmisión y recepción serie de los datos,
permitiendo la configuración de las mismas para llegar a velocidades de transmisión de 230.400
baudios, lo que da una idea de la versatilidad y gran potencia de nuestro terminal. En cualquier
caso, solo requeriremos de la utilización de una única UART para la interfaz con nuestro sistema.
De esto modo, los datos, que solo requerirán una longitud 8 bits, serán transferidos por el puerto
COM1 del GPS. A continuación queda expresado mediante un diagrama el protocolo de
comunicación serie que la UART del GPS compartirá con el microprocesador para intercambiar
información.
El terminal GPS utilizara tres clases distintas de interrupciones para solicitar la atención del
microprocesador. Así, una interrupción de la UART del GPS se generará cuando se produzca alguna
de las siguientes cinco fuentes de interrupción: un carácter es recibido o la FIFO no esta vacía
cuando vence el temporizador, el buffer de transmisión esta listo para recibir datos, y existe
variación en el estatus del módem o se produce algún error. No obstante, todas las posibles
condiciones que son capaces de generar una interrupción en la UART son susceptibles de ser
enmascaradas por el usuario.
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Fig.3.63 Transmisión serie de un dato entre el GPS y el microprocesador
DESCRIPCIÓN DE LOS PINES
El dispositivo consta de 32 pines, de los cuales únicamente destacaremos aquellos que realmente
tienen una importancia significativa en nuestro diseño. Estos son los dos puertos de transmisión y
recepción serie para la comunicación con el microprocesador, los tres diodos light emitting diode
(LED), los puertos RF para la comunicación y la toma de tierra de la antena, la entrada de
alimentación del GPS y la tierra. Presentamos a continuación un diagrama esquemático donde
podemos apreciar todos los puertos del dispositivo, así como una tabla resumen de la
funcionalidad de cada pin.
Fig.3.64 Pinout del terminal GPS
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 69
Tabla. 3.16 Pinout del terminal GPS
La funcionalidad de los puertos de comunicación serie han quedado descritos anteriormente, por
lo que simplemente nos remitiremos a tal referencia. Los tres LEDs indican el estatus en el que se
encuentra en cada momento el dispositivo. Así, los LED uno y dos indicarán, mediante el número
de pulsaciones, los satélites con y sin efeméride válida respectivamente, mientras que el LED 3
parpadeará durante el proceso de tracking y permanecerá fijo cuando nos encontremos en el
modo fijo de forma estable.
Los puertos de RF (entrada RF y tierra) conectarán la antena al GPS mediante una etapa de
adaptación de impedancias que, por su complejidad e importancia, describiremos separadamente
en un apartado posteriormente.
Por su parte, la alimentación del dispositivo se realizara mediante VCC (3.3V). Sin embargo, es
preciso explicar la razón por la que, en lugar de alimentar directamente al receptor con esta señal,
hemos interpuesto un switcher que regule la alimentación y, por tanto, la situación de apagado o
encendido de nuestro dispositivo. Si bien en el modo de funcionamiento normal de nuestro
sistema desearemos mantener al GPS encendido de forma que pueda proporcionar un trío de
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 70
datos de navegación (posición, velocidad, tiempo) cada segundo, el usuario del sistema tiene la
opción de reconfigurar esta opción. Pongamos por caso una situación en la que el usuario
únicamente quisiera registrar información proveniente de las lecturas de los sensores,
descartando la información de navegación, por ya poseer un dispositivo GPS en la nave o por otras
razones distintas. En tal caso, la solución óptima, para aumentar nuestra eficiencia y disminuir el
consumo, sería la de desactivar el GPS o únicamente encenderlo periódicamente para registrar
datos que pudieran ser una referencia de la ruta seguida por el barco. Para realizarlo, el
microprocesador dará nivel bajo a la señal GPS_POWER (que podemos apreciar en el esquemático
del diseño) correspondiente al shut down del un regulador de tensión o switcher de bajo consumo
que utilizaremos a tal efecto. En caso contrario el microprocesador habilitará al receptor GPS y
dará un nivel de señal alto a la señal de shut down del regulador para que el receptor esté
permanente alimentado.
ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIA
Adaptación de Impedancias
Cuando se conecta un transmisor de radiofrecuencia a una línea de transmisión, siempre se
busca que la impedancia característica de la línea, sea igual a la impedancia de salida del
transmisor, para lograr así la máxima transferencia de potencia. Lo mismo sucede cuando se
desea conectar la antena (carga) a la línea. En caso de que las impedancias de línea y carga
sean distintas, parte de la energía entregada por el transmisor, "rebotará" en la antena,
volviendo como una onda reflejada. Es por eso que ahora analizaremos distintos métodos
prácticos para lograr adaptar la impedancia entre la línea de transmisión y la antena.
Fig. 3.65 Diagrama de una línea de transmisión
Transformador de cuarto de onda
Dependiendo de su longitud, una línea de transmisión con una cierta carga (real o imaginaria)
puede representar una impedancia diferente para el generador. Esto se calcula con la siguiente
fórmula:
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Fig.3.66 Impedancias de un adaptador de cuarto de onda
En la imagen de arriba vemos que dependiendo del largo x, varía la Z de entrada Z(x) o Ze. El
objetivo del primer método consiste en construir un tramo de línea de longitud igual a l/4 (un
cuarto de onda) de una impedancia tal que a su entrada presente una Ze igual al de la línea de
transmisión que se va a emplear: Ze = Zo.
Si consideramos:
x = /4
ZL = RL
Llegamos a una indeterminación, la cual si es salvada nos lleva a:
En conclusión, a una distancia igual a /4 de la carga, la impedancia de entrada depende tanto
de la impedancia característica de la línea como de la resistencia de la carga.
Como es fácil construir una línea de transmisión de una impedancia específica, lo que se hace
es calcular qué impedancia debería tener una línea de l/4 de longitud conectada directamente
a la carga para que represente para la línea de transmisión que se va usar una impedancia
idéntica a la de ésta. Gráficamente sería lo siguiente:
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 72
Fig.3.67 Diagrama de un adaptador de cuarto de onda
Como vemos, la impedancia del transformador ahora la llamaremos ZT y es lo que deseamos
calcular. Las variables serán ZL, que como es resistiva pura la podemos llamar RL también, y Zo,
la impedancia de la línea que usaremos para conectar con el transmisor. Según la fórmula
anterior la impedancia del transformador será:
El tramo de línea de un cuarto de onda ZT deberá ser construido, pudiendo ser tanto línea
coaxial como bifilar, prefiriéndose la línea bifilar para valores de ZT menores que 120W por
razones constructivas
Etapa de adaptación de impedancias del modulo GPS
Una vez demostrada la necesidad de incorporar una etapa de adaptación de impedancia en la
entrada RF del modulo GPS, nos disponemos a mostrar el diseño concreto que hemos
realizado para ello. Se basa en un adaptador de cuarto de onda, también denominado
adaptador /4 o quarterwave, y en una microstrip en la interfaz de cobre entre el conector
MCX de RF y el GPS.
Teniendo en cuenta que las señales GPS poseen una frecuencia de 1.57GHz, el adaptador de
cuarto de onda de 50Ω (impedancia estándar explicada anteriormente y recomendada por el
fabricante del GPS) consistirá en un tramo de línea de transmisión de cobre desde el conector
MCX que tendrá una longitud de 25.4mm y una anchura de 0.2mm. Para lograr la adaptación,
en el otro extremo situaremos dos condensadores de 1 y 0.01 µF respectivamente conectados
en paralelo, y una pequeña resistencia de 22Ω conectada en serie con los condensadores.
Respecto al microstrip, la pista de cobre que une al conector RF y al pin de entrada de RF del
GPS deberá tener una anchura de 0.96mm y una profundidad de 0.53mm. Este último
parámetro de diseño deberá ser especificado al fabricante de la placa sobre la que
construiremos nuestro PCB para realizar una adecuada adaptación de impedancias, ya que, en
caso contrario, no seremos capaces de detectar las débiles señales procedentes de los
satélites.
Ambos elementos, adaptador de cuarto de onda y microstrip, pueden ser observados de forma
conceptual en el diagrama esquemático realizado en ISIS, si bien lo que realmente es
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 73
interesante es su implementación real en el PCB realizada en ARES, ya que es en el layout del
sistema donde estas técnicas de adaptación deben verificar su validez, como, en efecto,
sucede en nuestro diseño.
Fig.3.68 Adaptación de impedancias del modulo GPS
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 74
PRUEBAS Y COMPARATIVA CON OTROS RECEPTORES GPS PRESENTES EN EL MERCADO
Para analizar el comportamiento del dispositivo y verificar la exactitud y fiabilidad del mismo
sometimos al receptor GPS a distintos tipos de tests, tanto en laboratorio como en el exterior,
obteniendo resultados absolutamente satisfactorios. En particular, cabe destacar la elevada
sensibilidad del receptor, que demostró estar habilitado para la detección de señales GPS muy
débiles en situaciones con escasa visibilidad satelital, lo que prueba ser adecuado para los
escenarios en los que va a trascurrir el transporte marítimo de mercancías.
Es notable la rapidez con la que el dispositivo realiza el proceso de tracking de los satélites,
demostrando una respuesta casi inmediata para arranque en frio, y unos mas que aceptables
tiempos de respuesta para los arranques templados y calientes. Recordemos que el arranque
en caliente, el que encontraremos habitualmente en las condiciones de funcionamiento
estándar de nuestro sistema, es aquel en el que la adquisición de señales GPS se realiza
utilizando almanaques y efemérides válidos, posiciones conocidas de precisión menor que 1km
y lapso de tiempo menor que 1ms. El arranque templado utiliza almanaques y efemérides
válidas, posiciones menores a 10km y distancia temporal menor que 1s. El arranque en frío,
aquel que necesita lógicamente un mayor tiempo de adquisición, no utiliza almanaques sino
efemérides anteriores y únicamente cuenta con datos temporales y de posición degradados.
En el funcionamiento estándar de nuestro sistema, el receptor GPS realizará habitualmente
arranques en frío y trabajará en el denominado fix mode o modo fijo, el de mayor consumo
(150mA aproximadamente) pero también el de mayor precisión y el que permite obtener una
solución de posicionamiento exacta de forma continua. Describimos, pues, el comportamiento
de nuestro dispositivo desde que es iniciado y realiza un arranque hasta que entra en fix mode
y proporciona una solución válida de navegación.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 75
Fig.3.69 Cronograma del proceso de arranque del receptor GPS
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 76
Tras iniciar el receptor GPS con un reset, el dispositivo comienza a buscar satélites que se
encuentren disponibles. Esto es indicado mediante la intermitencia del diodo LED 3.
Transcurrido un tiempo variable, que dependerá del emplazamiento y tipo de arranque, el GPS
realiza el tracking de satélites de los que no se disponen datos de efemérides validos, por lo
que aun no es posible obtener una solución de navegación. El número de satélites de este tipo
corresponde el número de parpadeos del LED 2.
Una vez que el dispositivo entra en modo fijo, se inicia el tracking de satélites con información
de efemérides valida, si bien también es posible el rastreo de satélites carentes de tal
información. El número de satélites se representará mediante el número de pulsaciones de luz
del LED 1. En el caso en que dispongamos de un número de satélites mayor o igual que cuatro,
estaremos en condiciones de calcular una posición GPS mediante los procesos y técnicas
previamente detalladas.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 77
1.3.4 Interfaces
1.3.4.1 Interfaces radio
1.1.1.1.1 Interfaz de corto alcance
1.1.1.1.1.1 Bluetooth
1.1.1.1.1.2 Low Power Radio (LPR)
1.1.1.1.2 Interfaz de largo alcance
1.1.1.1.2.1 GPRS (TC65 GSM-GPRS)
En el sistema que hemos desarrollado aparece un objetivo transversal. Perseguimos dotar a
nuestra aplicación de precisión en los datos, versatilidad en su funcionamiento y
personalización en sus interfaces. Si con los apartados dedicados a los sensores y al GPS hemos
conseguido demostrar la exactitud de la información recogida y almacenada por nuestro
sistema, queremos en este explicar de qué modo logramos hacer de nuestro sistema un
dispositivo versátil y altamente configurable.
Esta meta la alcanzaremos mediante una interfaz radio flexible y versátil que podrá utilizar una
amplia variedad de dispositivos electrónicos de comunicación serie basados en tecnología
inalámbrica. El primero de ellos será bien un dispositivo de comunicación de corto alcance que
permita la transmisión de comandos de configuración y control y la recepción de datos dentro
del barco de mercancías, que será realizado mediante un terminal Bluetooth o uno basado en
la tecnología Low Power Radio (LPR). Por defecto, instalaremos el receptor Bluetooth debido a
que, por su muy bajo consumo, se adapta en mejor medida a los requerimientos de
autonomía, si bien es posible su sustitución por un terminal LPR sin perjuicio para el sistema. El
segundo de ellos hace posible la conexión en tiempo real y a larga distancia con un servidor
central que reciba y analice los datos recogidos por el sistema en el último trayecto. El enlace
de telecomunicaciones que utilizaremos con tal fin es la red de telefonía móvil GSM,
basándonos en la tecnología GPRS para la transmisión y recepción de la información.
Si bien, a continuación nos disponemos a describir las características de las tres interfaces
elegidas, cabe decir que nos centraremos en mayor medida en la comunicación Bluetooth por
ser la que será empleada con mayor asiduidad en el funcionamiento estándar de nuestra
aplicación, sin pretender con ello una perdida de generalidad.
1.1.1.1.3 Interfaz de corto alcance
Tal y como hemos avanzado anteriormente, dispondremos de dos posibilidades a la hora de
implementar una interfaz radio de corto alcance que nos permita comunicarnos desde el barco
con el PCB de nuestro sistema que se encuentra instalado en una estancia del propio barco. La
primera consiste en un receptor Bluetooth mientras que la segunda es un elemento de
comunicación LPR. Por motivos de diseño, escogeremos la primera opción, si bien
describiremos someramente algunas referencias básicas de la tecnología LPR.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 78
En cualquier caso, dispondremos en nuestro sistema, y por ende, en nuestro PCB de una
interfaz radio de corto alcance consistente en 12 pines que se conectarán mediante un
adaptador realizado ad-hoc a los correspondientes 12 pines de la interfaz Bluetooth o a los 12
de la interfaz LPR.
No obstante, tal y como hemos anunciado previamente, lo haremos únicamente para el
dispositivo Bluetooth, por ser éste el utilizado en nuestra solución, describiendo para ello el
significado de las señales enviadas y recibidas en estos pines, así como la funcionalidad de los
mismos.
1.1.1.1.3.1 Bluetooth
Consideramos adecuado adentramos, en primer lugar, en aquellos contenidos teóricos que
resultan necesarios para comprender convenientemente el funcionamiento de nuestro
elemento de comunicación wireless. Posteriormente, describiremos las características de la
implementación realizada en nuestro sistema para su comunicación serie vía Bluetooth.
Tecnología Bluetooth
La tecnología inalámbrica Bluetooth es un sistema de comunicaciones de corto alcance, cuyo
objetivo es eliminar los cables en las conexiones entre dispositivos electrónicos, tanto
portátiles como fijos. Las características principales de esta tecnología son su fiabilidad, bajo
consumo y mínimo coste. Varias de las funciones de la especificación principal son opcionales,
lo que permite la diferenciación de los productos.
El núcleo del sistema Bluetooth consiste en un transmisor de radio, una banda base y una pila
de protocolos. El sistema permite la conexión entre dispositivos y el intercambio de distintos
tipos de datos entre ellos.
Descripción general del funcionamiento
La capa física de radio (RF) opera en la banda de 2.4GHz libre para ISM (banda de frecuencia
industrial, científica y médica). El sistema emplea un transmisor de salto de frecuencia para
restar las interferencias y la pérdida de intensidad, y cuenta con gran número de portadoras de
espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS). Para minimizar la complejidad del
transmisor, se utiliza una modulación de frecuencia binaria. La velocidad
de símbolo es de 1 MS/s (megasímbolo por segundo), que admite una velocidad de
transmisión de 1 Mbps en el modo de velocidad básica y una velocidad de transmisión aérea
total de 2 a 3 Mbps en el modo de transferencia de datos mejorada (EDR).
Normalmente, varios dispositivos sincronizados por un reloj y una secuencia de salto de
frecuencia comparten el mismo canal físico de radio. Uno de ellos proporciona los valores de
referencia, el denominado dispositivo maestro. Los demás reciben el nombre de esclavos. Este
tipo de conexión entre dispositivos es lo que se conoce como una piconet, la forma de
comunicación básica en la tecnología inalámbrica Bluetooth.
Los dispositivos de una piconet utilizan una secuencia de salto de frecuencia determinada por
algoritmos en ciertos campos del reloj y de la dirección de especificación Bluetooth del
maestro. La secuencia básica de salto consiste en un ordenamiento pseudo aleatorio de las 79
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 79
frecuencias de la banda ISM. Esta secuencia puede adaptarse para excluir la sección de
frecuencias utilizadas por los dispositivos que están causando interferencias. La técnica de
salto adaptable mejora la coexistencia de la tecnología Bluetooth con los sistemas ISM
estáticos (es decir, sin salto) cuando éstos se encuentran localizados.
El canal físico se subdivide en unidades de tiempo denominadas ranuras. Los datos
intercambiados entre los dispositivos Bluetooth se transmiten en forma de paquetes que se
emplazan en estas ranuras. Cuando la situación lo permite, se pueden asignar varias ranuras
consecutivas a un único paquete. El salto de frecuencia se produce durante la transmisión o
recepción de los paquetes. La tecnología Bluetooth consigue la transmisión bidireccional
mediante la técnica de acceso múltiple o dúplex por división de tiempo (TDD).
Sobre el canal físico hay una capa de enlaces y canales con sus respectivos protocolos de
control. La jerarquía de abajo a arriba de los canales y enlaces es la siguiente: canal físico,
enlace físico, comunicación lógica, enlace lógico y canal L2CAP.
En el canal físico, se forma un enlace físico entre dos dispositivos que se intercambian
paquetes, sea cual sea la dirección. Pero no todos los dispositivos pueden conectarse mediante
un enlace físico dentro de la piconet. Se crea un enlace de este tipo entre un dispositivo
esclavo y el maestro, pero dos esclavos no pueden conectarse directamente de esta forma.
El enlace físico se utiliza como medio de comunicación entre uno o dos enlaces lógicos que
admiten tráfico síncrono, asíncrono e isócrono de unidifusión, y tráfico de difusión. El tráfico
de los enlaces lógicos se multiplexa en el enlace físico ocupando las ranuras asignadas por el
programador del gestor de recursos.
A través de los enlaces lógicos, además de los datos del usuario se transporta el protocolo de
control de la banda base y las capas físicas: protocolo de gestión de enlace (LMP). Los
dispositivos que están activos dentro de la piconet tienen una comunicación lógica asíncrona
predeterminada para el transporte de la señalización del protocolo LMP. Es lo que se conoce
como comunicación lógica ACL. Esta comunicación es la que se establece cuando un dispositivo
se une a una piconet. Se pueden crear comunicaciones lógicas adicionales si resulta necesario
para transportar el flujo de datos síncronos.
El gestor de enlaces se sirve del protocolo LMP para controlar el funcionamiento de los
dispositivos en la piconet y proporcionar servicios de gestión en las capas inferiores de la
arquitectura: capa de radio y de banda base. El protocolo LMP sólo se transporta a través de la
comunicación lógica ACL y la comunicación lógica de difusión predeterminadas.
La capa L2CAP está por encima de la de banda base y se encarga de ofrecer una abstracción de
canales de comunicación a las aplicaciones y los servicios. Realiza la segmentación y la
unificación de los datos de las aplicaciones y la multiplexación y demultiplexación de varios
canales a través de un enlace lógico compartido. La capa L2CAP dispone de un canal de control
de protocolos a través de la comunicación lógica ACL predeterminada. Los datos de la
aplicación enviados al protocolo L2CAP pueden transferirse a través de un enlace lógico
compatible con el protocolo L2CAP.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 80
Arquitectura: núcleo del sistema
El núcleo del sistema Bluetooth se estructura en cuatro capas inferiores con protocolos asociados
definidos por las especificaciones o perfiles Bluetooth. También incluye un protocolo de
comunicación entre capas a nivel de servicios; el protocolo de descubrimiento de servicios (SDP),
que determina los servicios Bluetooth disponibles, y un perfil de acceso genérico (GAP), que
especifica los requisitos generales de los perfiles. Una aplicación completa precisa varios servicios
adicionales y protocolos de capas superiores, que se definen en la especificación Bluetooth.
Las tres capas inferiores se agrupan, a veces, en un subsistema denominado módulo o
controlador Bluetooth. Se trata de una implementación habitual que requiere de una interfaz de
comunicaciones física entre el controlador Bluetooth y el resto del sistema: la capa L2CAP, las
capas de servicios y las capas superiores, lo que se conoce con el nombre de anfitrión Bluetooth.
Aunque esta interfaz es opcional, el diseño de la arquitectura permite su incorporación. La
especificación Bluetooth hace posible la compatibilidad entre distintos sistemas Bluetooth
mediante la definición de los mensajes de protocolo que se intercambian entre las capas
equivalentes. También determina una interfaz común entre los controladores y anfitriones
Bluetooth para compatibilizar los distintos subsistemas.
Define, igualmente, varios módulos funcionales y la ruta seguida por los servicios y datos
intercambiados entre ellos. Los módulos funcionales del esquema aparecen sólo a título
informativo. En general, la especificación Bluetooth no concreta los detalles de las
implementaciones, salvo en los casos donde resulta realmente necesario para garantizar la
compatibilidad.
Así mismo, se indican las interacciones comunes en los diferentes tipos de dispositivos, para que
éstos puedan intercambiar señales de protocolo de acuerdo con la especificación Bluetooth. La
pila de protocolos que conforma el núcleo del sistema Bluetooth está compuesta por: un
protocolo de radiofrecuencia (RF), un protocolo de control de enlace (LCP), un protocolo de
gestión de enlace (LMP) y un protocolo de adaptación y de control de enlace lógico (L2CAP),
todos ellos descritos en la especificación Bluetooth. Además, hay que sumar el protocolo de
descubrimiento de servicios (SDP) requerido por todas las aplicaciones Bluetooth.
El núcleo del sistema Bluetooth ofrece sus servicios a través de varios puntos de acceso que se
muestran en el diagrama como elipses. Consisten, esencialmente, en primitivas básicas que
controlan el núcleo del sistema Bluetooth. Pueden dividirse en tres tipos: servicios de control de
dispositivos que modifican el funcionamiento y los modos del dispositivo Bluetooth; servicios de
control de transporte que crean, modifican y liberan portadores de tráfico (canales y enlaces), y
servicios de datos utilizados para enviar la información de la transmisión a través de portadores
de tráfico. Normalmente, los dos primeros servicios suelen pertenecer al plano C (control) y, el
último, al plano U (usuario).
También se define una interfaz de servicios para el controlador Bluetooth, de forma que pueda
considerarse un componente estándar. En esta configuración, el controlador Bluetooth opera en
las tres capas inferiores, y la capa L2CAP se incluye con el resto de la aplicación Bluetooth en el
sistema anfitrión. La implementación de la interfaz de servicios estándar, denominada interfaz
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 81
HCI o interfaz controladora del anfitrión, es opcional.
Puesto que la arquitectura Bluetooth ofrece la posibilidad de separar la comunicación del
anfitrión y el controlador a través de la interfaz HCI, deben tenerse en cuenta las siguientes
consideraciones. Se presupone que la capacidad de transmisión de datos del búfer del
controlador Bluetooth es limitada en comparación con el anfitrión. Por ello, se espera que la capa
L2CAP realice funciones básicas de gestión de recursos al enviar unidades PDU al controlador,
para la comunicación con un dispositivo idéntico; entre otras: la segmentación de los bloques de
información intercambiados (SDU) en unidades PDU más manejables, la fragmentación de PDU
en paquetes de inicio y continuación de un tamaño adecuado para los búfer del controlador y,
finalmente, la gestión del uso de dichos búfer para asegurar la disponibilidad de canales que
garanticen la calidad de servicio (QoS).
La capa de banda base proporciona el protocolo básico de solicitud de repetición automática
(ARQ) en la tecnología Bluetooth. La capa L2CAP puede ofrecer, opcionalmente, funciones de
detección de errores y retransmisión de PDU, opción que se recomienda en aplicaciones que
precisen disminuir al mínimo la probabilidad de errores no detectados en los datos de los
usuarios. Otra función opcional que ofrece la capa L2CAP es el control de flujo mediante una
ventana que permite gestionar la asignación del búfer en el dispositivo receptor. Ambas
funciones pueden mejorar la calidad de servicio en algunas situaciones.
Todas estas consideraciones pueden no ser necesarias en los casos en los que la tecnología
Bluetooth integrada combina las distintas capas en un único sistema. No obstante, los modelos
generales de arquitectura y QoS se han establecido teniendo en cuenta estos factores para la
aplicación de un denominador común.
Para la implementación del núcleo de sistema Bluetooth es necesario realizar pruebas de
conformidad automáticas. Para ello, el responsable de las pruebas debe controlar la
implementación a través de la interfaz RF, que es común a todos los sistemas Bluetooth, y a
través de la interfaz de control de pruebas (TCI), que sólo se utiliza para las comprobaciones de
conformidad.
A través de la interfaz RF, se realizan intercambios con la implementación bajo prueba (IUT) para
comprobar que las respuestas de los dispositivos remotos a las solicitudes son correctas. A través
de la interfaz TCI, se controla la IUT para que inicie el intercambio utilizando la interfaz RF, de
forma que también se verifique la conformidad en este sentido.
Para probar las diferentes capas y protocolos de la arquitectura, la interfaz TCI se sirve de un
conjunto de comandos distintos (interfaz de servicios): un subconjunto de los comandos HCI
emitidos por la interfaz de servicios TCI para cada una de las capas y protocolos que componen el
subsistema controlador Bluetooth. Las pruebas de la capa y protocolo L2CAP se realizan mediante
otra interfaz de servicios distinta. Puesto que la interfaz de servicios L2CAP no está definida en la
especificación principal Bluetooth, se establece por separado en la especificación TCI. La
implementación de la interfaz de servicios L2CAP sólo se precisa para las pruebas de
conformidad.
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 82
Módulos centrales de la arquitectura
Gestor de canales
El gestor de canales se encarga de crear, gestionar y eliminar los canales L2CAP que se ocupan de
la transferencia de protocolos de servicios y del flujo de datos de las aplicaciones. Este gestor se
sirve del protocolo L2CAP para interactuar con el gestor de canales del dispositivo remoto
(idéntico) y crear, así, canales L2CAP que conecten ambos extremos a las entidades apropiadas. El
gestor de canales se comunica con el gestor de enlaces local para crear nuevos enlaces lógicos,
en caso de ser necesarios, y configurar dichos enlaces para proporcionar la calidad de servicio
requerida atendiendo al tipo de datos transferidos.
Gestor de recursos L2CAP
El módulo de gestión de recursos L2CAP se ocupa de organizar el envío de fragmentos PDU a la
banda base y de la programación de canales para que no se niegue el acceso de los canales L2CAP
con ciertos parámetros QoS al canal físico debido a la saturación de los recursos del controlador
Bluetooth. Esto es necesario porque el modelo de arquitectura no presupone que el búfer del
controlador Bluetooth sea ilimitado o que la canalización de la interfaz HCI tenga un ancho de
banda infinito.
Los gestores de recursos L2CAP pueden supervisar, igualmente, la conformidad del tráfico para
asegurar que las aplicaciones están enviando los SDU de la capa L2CAP dentro de los términos
indicados en los parámetros QoS. El modelo general de transmisión de datos en la tecnología
Bluetooth presupone que las aplicaciones actuarán como corresponde y no define cómo
responderá la implementación ante este tipo de problemas.
Gestor del dispositivo
El gestor del dispositivo es un módulo en la banda base que controla el funcionamiento general
del dispositivo equipado con tecnología Bluetooth. Se encarga de todas las operaciones del
sistema Bluetooth sin relación directa con la transferencia de datos, como la detección de otros
dispositivos con tecnología Bluetooth en las proximidades, la conexión con otros dispositivos o la
activación del modo visible o de conexión de los dispositivos Bluetooth locales.
Para llevar a cabo sus funciones, el gestor del dispositivo solicita acceso al canal de comunicación
desde el controlador de recursos de la banda base.
También controla el funcionamiento del dispositivo local mediante varios comandos HCI, como la
gestión del nombre del dispositivo local o las clave de enlace almacenadas, entre otras funciones.
Gestor de enlaces
El gestor de enlaces se ocupa de la creación, modificación y liberación de enlaces lógicos (y, en
caso de ser necesario, de la comunicación lógica asociada), así como de la actualización de los
parámetros relacionados con los enlaces físicos entre dispositivos. Para ello, se comunica con el
gestor de enlaces del dispositivo Bluetooth remoto mediante el protocolo de gestión de enlace
(LMP).
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 83
Este protocolo permite la creación de nuevos enlaces y comunicaciones lógicos entre los
dispositivos cuando resulta necesario, así como un control general de las características de los
enlaces y la comunicación, tales como la activación del cifrado de la comunicación lógica, la
adaptación de la potencia de transmisión en el enlace físico o el ajuste de los parámetros QoS
para enlaces lógicos.
Gestor de recursos de la banda base
El gestor de recursos de la banda base se encarga del acceso a la capa de radio. Tiene dos
funciones primordiales. Su principal cometido consiste en programar o establecer el tiempo que
permanecerán en los canales físicos las entidades que han negociado su contrato de acceso. Su
otra función clave es negociar, precisamente, el contrato de acceso con dichas identidades. Con
los contratos de acceso, las entidades se comprometen a ofrecer la calidad de servicios (QoS)
necesaria para proporcionar el rendimiento esperado en la aplicación.
Tanto para la negociación del contrato de acceso como para la programación de los canales, se
debe tener en cuenta qué procedimientos utilizan radiofrecuencia Bluetooth, tales como el
intercambio de datos entre dispositivos conectados a través de enlaces y transportes lógicos; el
uso de la capa de radio para llevar a cabo procedimientos de detección, conexión, activación de
modo visible o de conexión; o la lectura de la información de las portadoras no utilizadas durante
el modo de salto adaptable de frecuencia (AFH).
En algunos casos, la programación de los enlaces lógicos provoca un cambio de canal físico
respecto al utilizado anteriormente. Esto puede deberse a la intervención de una scatternet, de
una función de detección periódica o de alguna exploración en busca de señales. Cuando los
canales físicos no están organizados en ranuras de tiempo, el gestor de recursos también
contabiliza el periodo de tiempo necesario para reorganizar las ranuras en el canal físico anterior
y en el nuevo. A veces, las ranuras se organizan sin necesidad de intervenir, ya que se utiliza
como referencia el mismo reloj del dispositivo para ambos canales físicos.
Controlador de enlaces
El controlador de enlaces se ocupa del cifrado y decodificación de los paquetes Bluetooth de la
carga útil de datos y los parámetros relacionados con el canal físico, la comunicación lógica y los
enlaces lógicos.
Sincronizado con el gestor de recurso, el controlador de enlaces lleva a cabo la señalización del
protocolo de control de enlace, que se utiliza para las comunicaciones del control de flujo y
confirmación, así como para la retransmisión de señales solicitadas. La interpretación de estas
señales es una característica de la comunicación lógica asociada al paquete de banda base. La
interpretación y supervisión de la señalización de control de los enlaces se suele asociar al
programador del gestor de recursos.
Radio (RF)
El módulo RF se encarga de transmitir y recibir paquetes de información del canal físico. Una ruta
de control entre la banda base y el módulo RF permite a la banda base controlar el tiempo y la
frecuencia de las portadoras del módulo RF. Este módulo actúa como intermediario entre el canal
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 84
físico y la banda base transformando el flujo de datos al formato requerido en ambos sentidos.
Arquitectura: transporte de datos
El sistema de transferencia de datos Bluetooth funciona mediante una arquitectura de capas. A
continuación se describen las capas de transferencia básicas y los canales L2CAP. Los distintos
modos operativos dentro de la tecnología Bluetooth siguen la misma arquitectura de
transferencia.
Por cuestiones relacionadas con la eficacia y las aplicaciones heredadas, la arquitectura de
transferencia de la capa lógica se subdivide para distinguir entre enlaces lógicos y
comunicaciones lógicas. El enlace lógico permite una comunicación independiente entre dos o
más dispositivos. La comunicación lógica es necesaria para describir la interdependencia entre
algunos enlaces lógicos, principalmente por el proceder de las aplicaciones heredadas.
La especificación Bluetooth 1.1 define los enlaces ACL y SCO como enlaces físicos. No obstante,
con la incorporación del enlace SCO ampliado (eSCO) y puestos a considerar futuras
ampliaciones, resulta más conveniente tratar estos enlaces como lógicos ya que este tipo
obedece mejor a su finalidad. La independencia no es tan grande como cabría esperar debido al
uso compartido de recursos como LT_ADDR y el patrón de confirmación y repetición automática
(ARQ). Por esta razón, la arquitectura es incapaz de representar estas comunicaciones lógicas en
una única capa de comunicación. Para compensarlo, una capa adicional describe este proceder.
Fig.3.70 Arquitectura de capas de la tecnología Bluetooth
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 85
Características técnicas de Bluetooth
Por último, resumimos a continuación las características más significativas de la tecnología
Bluetooth anteriormente descrita antes de detallar el módulo Bluetooh que hemos utilizado
en nuestro sistema.
Ancho de banda: un enlace de radio Bluetooth alcanza una velocidad máxima de
transferencia de datos de 724 kbit/s, o tres canales de voz; la velocidad de
transferencia de datos de un canal de voz es de 64 kbit/s.
Datos o voz: un canal radio Bluetooth habilita la transferencia de datos, comunicación
vocal o ambas a la vez.
Búsqueda de dispositivos: cuando dos o más dispositivos Bluetooth están dentro de su
alcance mutuo, se establece un enlace tras un proceso de búsqueda de dispositivos.
Establecimiento de enlaces: establece y mantiene un enlace robusto entre dos o más
dispositivos casi al instante, incluso si los dispositivos no se ven mutuamente, sin
interferencia de otras señales de radio que operen en la misma banda de frecuencia.
Bajo consumo de energía: el sistema radio Bluetooth ahorra energía, limitando su
potencia de salida a lo que realmente necesita.
Piconet: Bluetooth forma pequeñas redes inalámbricas entre dos o más dispositivos.
Estas reciben el nombre de picoredes o piconets.
Alcance: basado en la transmisión por radio de corto alcance, con un alcance normal
de 10 metros o bien de 100 metros.
Seguridad: dos mecanismos de seguridad avanzada garantizan un elevado nivel de
seguridad: autenticación y codificación.
Tamaño reducido: el sistema radio Bluetooth reside en un pequeño microchip que se
puede integrar en cualquier dispositivo electrónico.
Estandarización: Bluetooth opera en la banda de 2.45GHz, que no requiere licencia y
está disponible para cualquier sistema de radio en todo el mundo.
Características principales del modulo Bluetooth
Hemos seleccionado y empleado un receptor-transmisor Bluetooth que, por sus características
resulta acertado para nuestro diseño. Se trata del Promi-ESD 1.4. Resumimos a continuación
sus principales características y su integración en el PCB.
Interfaz de salida UART
Especificación Bluetooth v1.1
Reducida potencia de transmisión
Amplio rango de señal de recepción
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 86
Fig.3.71 Modulo Bluetooth Promi-ESD 1.4
SISTEMA TELEMÉTRICO DE MONITORIZACIÓN Y REGISTRO DEL TRANSPORTE MARÍTIMO DE MERCANCÍAS 87
Diagrama esquemático y layout
Fig.3.72 Diseño del modulo Bluetooth
Fig. 3.73 Layout del módulo Bluetooth
Descripción de los pins y conexión con el microprocesador
Como anunciamos anteriormente, la interfaz serie de nuestro módulo de comunicación serie
vía radio de corto alcance cuenta con doce pins. Por consiguiente, será necesario que nuestro
módulo Bluetooth disponga del mismo número de puertos.
En efecto, y tal como podemos apreciar en la figura, el receptor inalámbrico tiene doce pins,
cuatro de los cuales corresponden a entradas para la alimentación del dispositivo (la tensión
de alimentación propiamente dicha VDD y dos entradas para la toma de tierra) y la señal de
reset. Como se puede apreciar en el esquemático del diseño, que se puede consultar en el
ANEXO, es el microprocesador quien decide la conexión del dispositivo Bluetooth regulando,
para ello, la alimentación, habilitándola o deshabilitándola en su caso.
Fig.3.74 Interfaz del modulo Bluetooth
Además, existen cuatro entradas y cuatro salidas para la conexión serie mediante el protocolo
RS-232 con el microprocesador. Si quisiéramos operar en modo de control de flujo por
hardware utilizaríamos los pines DCD, DSR, DTR, RTS y CTS. En caso de que simplemente nos
interese utilizar el módulo Bluetooth como si de un módem se tratase, únicamente
emplearemos los puertos de transmisión y recepción de datos serie. La funcionalidad
especifica de cada pin queda resumida en el siguiente cuadro.
[Type the document title] 89
Tabla.3.17 Funcionalidad específica de cada pin.
En cuanto a la conexión con el microprocesador y, teniendo en cuenta que el nivel de señal TTL
de nuestro microprocesador es de 3.3 V, no será necesario añadir una red pasiva de
adaptación y se podrá realizar la conexión directa de sus pins según el siguiente esquema.
Fig.3.75 Conexión del microproesador y el módulo bluetooth
Comentaremos brevemente el modo básico de funcionamiento del protocolo serie RS-232,
que sera el utilizado para la comunicación entre el microprocesador y el módulo Bluetooth.
Este protocolo, también conocido como Electronic Industries Alliance RS-232C, es una interfaz
que designa una norma para el intercambio serie de datos binarios entre un DTE (Equipo
[Type the document title] 90
terminal de datos), en nuestro caso, nuestro microprocesador, y un DCE (Data Communication
Equipment o equipo de terminación del circuito de datos), que en el caso que nos ocupa será
el receptor Bluetooth.
El RS-232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines), aunque es normal encontrar la
versión de 9 pines (DB-9). Ésta es la opción que hemos elegido debido a las características de
nuestro diseño. La interfaz RS-232 está diseñada para distancias cortas, de unos 15 metros o
menos, y para velocidades de comunicación bajas, inferiores a 20 Kbps.
La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half
duplex o full duplex. En un canal simplex los datos siempre viajarán en una dirección, por
ejemplo desde DCE a DTE. En un canal half duplex, los datos pueden viajar en uno u otro
sentido, pero sólo durante un determinado periodo de tiempo. Así, la línea deberá ser
conmutada antes de que los datos puedan viajar en el sentido contrario. En un canal full
duplex, los datos pueden viajar en ambos sentidos simultáneamente. Las líneas de
handshaking del RS-232 se usan para resolver los problemas asociados con este modo de
operación, como por ejemplo, en qué sentido los datos deben viajar en un instante
determinado.
Si un dispositivo de los que están conectados a una interfaz RS-232 procesa los datos a una
velocidad menor de la que los recibe deben de conectarse las líneas handshaking que permiten
realizar un control de flujo tal que al dispositivo más lento le de tiempo de procesar la
información. Las líneas de hand shaking que permiten hacer este control de flujo por hardware
son las líneas RTS y CTS. Los diseñadores del estándar no concibieron estas líneas para que
funcionen de este modo, pero dada su utilidad en cada interfaz posterior se incluye este modo
de uso.
Describiremos a continuación la funcion desempeñada por cada una de las señales que
participan en este protocolo serie. Comenzaremos por las señales de transmisión y recepción
TXD y RXD. Conocido sobradamente su funcionamiento, únicamente notaremos que los
puertos de transmisión y recepción del microprocesador (en adelante DTE) se encuentran
permutados respecto a los del modulo Bluetooth (en adelante DCE), tal y como ocurre en un
modem simple.
La señal RTS (Request To Send o petición de envío ) indica que el DTE desea enviar datos al
DCE. Así, ninguna otra línea se encontrará disponible para el sentido opuesto, por lo que,
desde ese momento, el DTE debe estar siempre listo para aceptar datos. En operación normal,
la línea de RTS estará OFF. Una vez que el DTE tiene preparados los datos para enviar, y ha
determinado que el canal no está ocupado, colocará RTS a ON, y esperará un estado ON en el
CTS desde el DCE, instante en el cual puede comenzar a enviar. Una vez que el DTE finalice el
envío, vuelve a fijar RTS a OFF. Sobre un canal full duplex o simplex, esta señal puede colocarse
a ON una vez durante el reset y mantenerse en esta condición.
Por su parte, la señal CTS (Clear To Send o preparado para el envío) indica que el DCE está
preparado para aceptar datos desde el DTE. En operación normal, la línea CTS estará en la
condición OFF. Cuando el DTE confirma RTS, el DCE hará lo necesario para permitir que los
[Type the document title] 91
datos sean enviados, (por ejemplo, un módem alzaría la portadora, y esperará hasta que se
estabilice). En este momento, el DCE colocaría CTS a la condición ON, que permitiría al DTE
enviar datos. Cuando la línea RTS desde el DTE vuelve a la condición OFF, el DCE descarga el
canal (el módem bajaría la portadora), y entonces CTS restaura la condición OFF.
La señal que informa al DTE que el DCE está funcionando correctamente es DSR (Data Set
Ready o datos prepadados). Es normalmente puesta a ON por el DCE al encenderse este. Por
otro lado, la señal DTR (Data Terminal Ready o terminal de datos listo) provee la señal que
informa al DCE que el DTE funciona correctamente. Es normalmente puesta a ON por el DTE al
encenderse este. Por último, DCD (Data Carrier Detect o portadora de datos detectada) es la
señal por medio de la cual el DCE informa al DTE que tiene una portadora entrante. Puede ser
usado por el DTE para determinar si el canal está desocupado, permitiendo que el DTE pueda
pedir un RTS.
En un canal asíncrono, como es nuestro caso, ambos extremos proveen su reloj interno propio.
En caso de que ambos estén dentro de un rango del 5%, no es necesario enviar ninguna
información adicional de reloj sobre la interfaz entre los dos dispositivos para acordar si los
bits pertenecen a un carácter simple. En un canal síncrono, sin embargo, ambos extremos
deben estar de acuerdo sobre el instante en el que ocurre la salida y llegada de los bits, ya que
posiblemente el número de caracteres sea del orden de mil. En este caso, ambos dispositivos
deben usar los mismos relojes. El transmisor y el receptor pueden correr a diferente tasa de
transmisión y recepción pero ambos relojes deben ser provistos por el DCE.
Descripción del funcionamiento Una vez descritos los puertos y señales que intervienen en el proceso de transmisión serie
desde el microprocesador al terminal Bluetooth realizado con una interfaz RS-232,
comentaremos de que modo y en que instantes utilizaremos este tipo de comunicación.
Teniendo siempre en cuenta que la búsqueda de la reducción del consumo de nuestro sistema
es un objetivo transversal en nuestro proyecto y considerando que la interfaz Bluetooth será
utilizado con muy baja frecuencia (únicamente cuando el usuario desee reconfigurar la
aplicación o descargar los datos, operaciones que aunque efectivamente suceden, lo hacen
con baja frecuencia) sólo necesitaremos encender el Bluetooth periódicamente y comprobar si
el usuario esta intentando iniciar una comunicación con el sistema. En caso afirmativo, el
módulo Bluetooth permanecerá encendido y alimentado con tensión igual a 3.3V mediante la
señal BLUE_T_3.3V hasta que finalicen las operaciones pertinentes, rigiéndose la comunicación
entre el usuario y el sistema por la interfaz y el protocolo RS-232. En caso contrario, el modulo
se desconecta y permanece así hasta que se realice el siguiente sondeo.
La señal BLUE_T_3.3V, como podemos observar en el esquemático presente en el ANEXO, es la
salida de un regulador lineal de tensión de 3.3V controlado por el microprocesador mediante
la señal de encendido o apagado BLUE_TOOTH_ON. Cuando el microcontrolador activa esta
señal, la salida el regulador producirá 3.3V que alimentarán al módulo Buetooth, permitiendo
sus operaciones. Cuando BLUE_TOOTH_ON es desactivada, la salida queda a 0V,
produciéndose el apagado del terminal inalámbrico. De este modo, y guiado mediante el
[Type the document title] 92
correspondiente programa en memoria, el microprocesador controla las operaciones de
sondeo y comunicación Bluetooth.
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
Especificación Bluetooth V 1.1 - Rango 100 m Potencia de transmisión Clase 1/63 (18) (dBm) Tensión de alimentación 3.3 V Corriente de alimentación 3 mA
Medidas 27x27 mm
Tabla. 3.18 Parámetros de diseño del modulo Bluetooth
1.3.1.1.1.2 Low Power Radio (LPR)
Ofrecemos a contiunación, y como valor añadido a nuestro proyecto, una alternativa a la
opción elegida para implementar una interfaz inalámbrica de corto alcance. Se trata, en efecto,
de un receptor Low Power Radio (LPR). Es por tanto nuestra intención apuntar a grosso modo
las características fundamentales con las que cuenta esta tecnología radio.
Existen dos bandas de asignadas a los dispositivos LPR. La primera banda tiene frecuencia
central de 418MHz y un ancho de banda de 200 KHz, mientras que a la banda centrada en
433.92MHz le corresponde una ancho de banda de 418Mhz. Ningun dispositivo LPR esta
autorizado parta operar fuera de estas dos bandas de frecuencias.
Fig.3.76 Utilización del espacio radioeléctrico de baja frecuencia en el Reino Unido
[Type the document title] 93
En la figura también podemos apreciar las curvas de selectividad, que indican la sensibilidad de
los receptores LPR a distintas frecuencias, para un receptor de 433.92MHz de bajas
prestaciones y para uno de altas prestaciones. Toda señal que posea suficiente potencia para
cruzar esta curva de selectividad será detectada y recogida por el receptor, pudiendo interferir
con las operaciones del sistema de baja potencia y corto alcance LPR.
Es conveniente destacar que los receptores LPR son sensibles a un amplio rango de
frecuencias, incluidas aquellas asignadas a radioaficionados y TETRA, que es un sistema radio
móvil, celular y digital extendido en servicios de emergencias y aplicaciones de negocios. Esta
situación de adyacencia e incluso, en algunos casos, de yuxtaposición, representa un problema
potencial que debemos analizar detenidamente, dada la importancia de los esfuerzos
realizados por las instituciones comunitarias para lograr la armonización del espectro
radioeléctrico en un espacio único como pretende ser la Unión Europea.
Para ilustrar esta situación pondremos un ejemplo habitual. Consideremos un dueño de un
vehículo tratando de abrirlo mediante una llave electrónica que transmite a la cerradura
mediante un dispositivo LPR. Supongamos que el dueño se encuentra relativamente cerca de
un usuario que transmite en ese instante en una frecuencia adyacente, por ejemplo, un
radioaficionado. La situación se representa a continuación mediante la siguiente figura.
Fig.3.77 Interferencia presente en un sistema LPR de bajas prestaciones
Observamos que, debido a que la señal radio del aficionado es mucho mas potente que la
frecuencia asignada al receptor LPR (hasta 40000 veces superior), aquella eclipsará a la señal
del transmisor LPR y el sistema fallará, por lo que el dueño no conseguirá abrir su vehículo. Es
fundamental señalar que esta situación no es responsabilidad del transmisor del
[Type the document title] 94
radioaficionado, sino de las especificaciones del receptor del sistema LPR situado en el
vehículo.
Por consiguiente, para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema LPR, el receptor
deberá atenerse a unas restricciones de sensibilidad más estrictas, siendo sensible a un rango
de frecuencias, alrededor de la frecuencia del transmisor LPR, sensiblemente mas estrecho.
Esto incrementará el coste del receptor LPR, pero lo hará prácticamente inmune al bloqueo
producido por interferencias como las del radioaficionado, por lo que es absolutamente
necesario proceder de este modo.
Debido a que el comportamiento de cada receptor LPR diferirá de los otros en función del
fabricante, se muestran a continuación dos resultados tipo de dispositivos operando a 418Mhz
en las inmediaciones de un transmisor TETRA. En este caso, el receptor A es de mayor calidad
(y coste) que el receptor B.
Fig.3.78 Distancia de exclusion LPR desde TETRA
Podemos observar la mínima distancia estimada desde el transmisor TETRA a 420MHz a la que
el dispositivo LPR, operando a 418MHz, podría situarse para asegurar un funcionamiento
correcto, en función del rango máximo de alcance especificado en el dispositivo LPR. Como
podemos apreciar, a mayor rango, mayor deberá ser la sensibilidad del dispositivo, por lo que
sera mas vulnerable a interferencias, y deberá situarse mas lejos de la estación TETRA para
operar adecuadamente. Así, comprobamos que, incluso con un rango de operación de tan sólo
10 metros, el receptor B es susceptible de experimentar problemas al operar a distancias
[Type the document title] 95
inferiores a 1Km de la estacion base TETRA, mientras que el receptor A lograría operar
practicamente en cualquier emplazamiento, teniendo en cuenta que las estaciones base TETRA
se encuentran habitualmente a 20 metros del suelo.
Por consiguiente, podemos concluir que sera conveniente incorporar al sistema LPR receptores
de buena calidad y margen de selectividad estrecho. De este modo, en caso de que el usuario
de nuestro sistema deseara sustituir el modulo receptor Bluetooth, que incluimos por defecto
en nuestro diseño para las comunicaciones inalambricas de corto alcance, por un receptor LPR,
exigiremos paraeste dispositivo unas especificaciones bastante restrictivas en cuanto a
selectividad de frecuencia se refiere.
En particular, recomendaremos al usuario la utilización de dispositivos basados en la
tecnología RF de ondas acústicas de superficie, comunmente denominadas SAW (Surface
Acoustic Wave). Como ejemplo, presentamos un receptor LPR basado en SAW del fabricante
RFM, cuyas especificaciones quedan recogidas a continuacion.
Fig.3.79 Receptor LPR
Tabla. 3.19 Especificaciones tecnicas del receptor LPR
[Type the document title] 96
1.1.1.1.2 Interfaz de largo alcance
1.1.1.1.2.1 GPRS (TC65 GSM-GPRS)
Si en el apartado anterior nos hemos ocupado de la implementación de la interfaz radio de
corto alcance, queremos a continuación describir el modo en que realizaremos la interfaz de
amplio rango o de largo alcance, que nos permitirá emitir, siempre y cuando nos encontremos
en una zona de cobertura radio, los datos recogidos por nuestro sistema desde el PCB hasta un
servidor habilitado a tal efecto. Del mismo modo, lograremos recibir información desde el
servidor con distintas finalidades, como pueden ser la actualización del firmware del sistema o
la configuración de los parámetros y modos de operación del sistema.
El servidor de datos, que recogerá los datos de nuestra tarjeta y desde el que se enviará
información de control, podrá estar situado en cualquier parte del mundo, gracias al alcance
global de la tecnología móvil digital GSM/GPRS en la que se basa el dispositivo que
instalaremos en nuestro sistema. Esta característica global resulta completamente idónea si
tenemos en cuenta el carácter internacional de la actividad económica en la que emplearemos
nuestro sistema: el transporte marítimo de mercancías.
Creemos conveniente señalar que queda fuera del alcance de este proyecto exponer aquí las
características de la tecnología GSM, por tratarse de un paradigma de las telecomunicaciones
móviles expuesto en multitud de contextos y aplicaciones de forma suficiente. Nos
disponemos, pues, a profundizar en los aspectos relevantes de un dispositivo específico que se
sirve de la tecnología GSM y del protocolo GPRS de transmisión de datos mediante paquetes.
Se trata del terminal TC65 de Siemens.
Características principales del módulo GSM/GPRS
Este potente elemento de radiocomunicación del gigante alemán de las comunicaciones
representa el estado del arte en cuanto a comunicaciones inalámbricas máquina a máquina se
refiere. Consiste, a grandes líneas, en un módulo de altas prestaciones que presenta un
software flexible basado en Java y un potente hardware que permiten grandes posibilidades
de comunicación.
L a maquina virtual de Java cuenta para su implementación con un potente procesador, una
amplia memoria para programas de aplicaciones y datos , una pila TCP/IP integrada e
interfaces estandarizadas. Las actualizaciones de software se realizan de forma segura
mediante la interfaz aire OTAP, una tecnología probada innumerables veces en los teléfonos
móviles, que proporciona transmisiones seguras mediante la codificación de los datos.
Respecto a las características referentes a la comunicación propiamente dicha, el dispositivo
presenta unas características avanzadas, como tecnología cuatribanda o GPRS Clase 12, que,
sin lugar a dudas, permiten un uso global de la aplicación y proporcionan elevadas tasas de
transferencia de datos. Prueba de ello es que el dispositivo ha sido certificado por las mayores
operadoras mundiales, incluyendo aquellas de los Estados Unidos.
[Type the document title] 97
Si bien únicamente requeriremos algunas funcionalidades básicas de este modulo, creemos
conveniente indicar las especificaciones más significativas de este dispositivo, que podrán ser
ampliadas en detalle gracias a la extensa información proporcionada por el fabricante.
Presentamos estas características clasificadas, por criterios prácticos, según el tipo de
característica.
Especificaciones generales
Tecnología cuatribanda GSM 850/900/1800/1900MHz
GPRS multi-slot Clase 12
GSM versión 99
Potencia de salida:
o Clase4 (2 W) para EGSM850
o Clase 4 (2 W) para EGSM900
o Clase 1 (1 W) para GSM1800
o Clase 1 (1 W) para GSM1900
Control mediante comandos AT
SIM Application Toolkit
Acceso a la pila TCP/IP mediante comandos AT
Servicios Internet: TCP, UDP, HTTP, FTP,SMTP, POP3
Rango de alimentación variable: 3.2 a 4.5 V
Consumo de corriente
o Apagado: 50μA
o Sleep mode: 3.0mA
o Speech mode: 300mA
o GPRS class 12: 600mA
Control de carga para baterías de litio
Rango de temperaturas elevado
Dimensiones: 34x45x3.5mm
Peso: 7.5g
Especificaciones para transmisión GPRS de datos
GPRS clase 12: 86kbps máximo (DL & UL)
Estación móvil clase B
PBCCH
Esquemas de codificación CS 1-4
Especificaciones para transmisión CSD de datos
Hasta 14.4kbps
V.110
Modo no transparente
USSD Especificaciones para SMS
MO punto a punto y MT
Broadcast de celda SMS
[Type the document title] 98
Modo texto y PDU Recursos de aplicación Core ARM y DSP Blackfin
Memoria: 400KB (RAM) y 1.7MB (Flash)
Modos de bajo consumo mejorados Actualizacion SW de aplicacion: OTAP
Firmware: FOTA (OMA) Interfaces Conector de antena Hirose U.FL-R-SMT 50Ω
Punto de soldadura de antenna
Conector placa a placa Molex 80-pin
Alimentación
Audio: 2xanalogico, 1xdigital
2xinterfases series (ITU-T V.24)
USB 2.0 full speed
Interfaz SIM card 3V, 1.8V Bus I2C y bus SPI
2xanalogico (ADC)
1xanalogico (PWM)
Múltiple GPIOs
Fig.3.80 Terminal de comunicación GSM/GPRS TC65
Simplemente detallaremos brevemente alguna de las características que resultan más
relevantes para nuestro diseño. En primer lugar, el modem cuatribanda
(850/900/1800/1900MHz) habilitará a nuestro sistema para operar en distintas zonas del
mundo en las que la distribución de las frecuencias utilizadas sea distinta, tal y como ocurre
con Europa y Estados Unidos. Mediante la mensajería SMS, se podrá enviar y recibir mensajes
SMS de alerta hacia o desde el servidor en formato texto o PDU. Por su parte, la capacidad
Java permite integrar aplicaciones propietarias, disponiendo de 1.7MB de memoria FLASH y
400KB de memoria RAM para ello. Esto es importante, ya que el hecho de integrar una
aplicación dentro del módem supone, en ocasiones, un ahorro importante, por no ser
necesario utilizar periféricos externos adicionales.
Por otro lado, debido a que el protocolo TCP/IP está implementado en el módem, las
conexiones GPRS serán realizadas mediante el envío de comandos AT a través del puerto
[Type the document title] 99
serie. Además, tenemos la posibilidad de actualizar el firmware del modem vía ASC0 ó ASC1
(por los puestos serie del módem), por USB, por bus SPI o por OTA (Over The Air, es decir, por
GPRS). El OTA otorga una ventaja extremadamente útil, permitiendo actualizar en paralelo
distintos terminales instalados en diferentes sistemas desde un mismo servidor central. En
cuanto a tasas de transferencia, los dos puertos serie permiten una velocidad de hasta
460800bps, el puerto USB2.0, hasta 12Mbits, mientras que el Bus SPI admite hasta 6.5Mbps.
El TC65 admite tarjetas SIM de 1.8 y 3V, si bien la tendencia es utilizar las segundas. Mediante
el RTC (Real Time Clock) el dispositivo dispone de un reloj en tiempo real en su interior,
pudiéndose configurar, leer y programar alarmas mediante comandos AT. Así mismo, los diez
pines GPIO digitales permiten configurar hasta 10 puertos como entradas o salidas digitales,
posibilitando la conexión de elementos tales como sensores, volumétricos, etapas relé u otros
dispositivos adicionales. Por último, el módulo cuenta con un convertidor analógico digital
(ADC) con dos entradas diferenciales, y de un convertidor digital analógico (DAC) que también
puede utilizarse para generar PWM (Pulse Width Modulation).
Fig.3.81 Diagrama de bloques del modulo GSM/GPRS
[Type the document title] 100
Diagrama esquemático y layout
Fig.3.82 Diseño del TC65 perteneciente al modulo GSM/GPRS
[Type the document title] 101
Fig.3.83 Diseño de la interfaz SIM del modulo GSM/GPRS
Fig.3.84 Layout del modulo GSM/GPRS
Descripción del funcionamiento y conexión con el microprocesador
Considerando que la gran mayoría de la electrónica utilizada en nuestro sistema es de muy
bajo consumo, el funcionamiento en modo continuo del terminal TC65 elevaría
significativamente la potencia consumida por el PCB. Si además tenemos en cuenta que el
objetivo de este dispositivo es iniciar la comunicación, en bajada o en subida, con un servidor
de datos mediante la red GSM, llegaremos a dos conclusiones. Por un lado, que dada las
limitaciones celulares del sistema GSM, no dispondremos de cobertura durante la gran
mayoría de los trayectos (que transcurren en alta mar). Es decir, únicamente podremos utilizar
la red GSM cuando el barco se encuentre estacionado en un puerto marítimo realizando
cualquiera de las operaciones pertinentes. Por otro lado, que, precisamente, solamente es
interesante subir al servidor los datos de un nuevo trayecto cuando éste haya finalizado, es
decir, cuando el transporte se encuentre en el puerto.
Por consiguiente, si vamos a limitar el funcionamiento de nuestra interfaz radio de alcance
global a los periodos en los que el barco se encuentre en un puerto, podremos tomar como
[Type the document title] 102
solución óptima mantener la mayoría del tiempo el módulo apagado, disminuyendo con ello el
consumo de potencia, despertándolo periódicamente para sondear si existe alguna red GSM
disponible, suceso que tal como hemos descrito, únicamente ocurrirá cuando nos
encontremos cerca de tierra firme.
En caso de que en efecto, dispongamos de la red de telefonía móvil, el modulo permanecerá
encendido para realizar las operaciones pertinentes de subida o bajada (hacia o desde el
servidor). En caso contrario, el módulo se volverá a apagar hasta que venza el temporizador
que regula la periodicidad del sondeo de la red GSM. El proceso de encendido, sondeo y
apagado, sería dirigido por el microprocesador de nuestro sistema de forma similar a lo
descrito anteriormente para el receptor Bluetooth.
No obstante, en este caso hemos decidido seguir las recomendaciones del fabricante. Así, el
dispositivo dispone de un circuito de carga para baterías de litio, un circuito de control de
carga, para garantizar la alimentación del dispositivo en cada momento, y un modo de bajo
consumo o Sleep Mode. De este modo, añadiremos una batería de litio en la parte posterior
de nuestro PCB que alimentará, exclusivamente, al módulo GSM/GPRS implementado por el
TC65, y sondearemos el nivel de carga existente para que, en caso de descarga, se proceda a la
recarga de la misma. Además, el modo de bajo consumo, que el microprocesador iniciará al
dar un pulso de duración mayor a un segundo y mantendrá o conmutará por software
mediante comandos AT reducirá el consumo de corriente hasta niveles cercanos a 50µA, lo
que representa un valor aceptable para las posibilidades que ofrece este módulo.
El circuito de sondeo y recarga de la batería de litio de 3.7V, que podemos apreciar en el
esquemático siguiente, presenta el funcionamiento que describimos a continuación.
Fig.3.85 Circuito de carga de la batería de litio del modulo GSM/GPRS
Cuando la batería está cargada, el subcircuito a la derecha de la señal de alimentación
procedente de la batería (BATT+) es desacoplado. En esta situación, el módulo será alimentado
por la batería y únicamente tendremos que vigilar que el nivel de carga de la batería es
[Type the document title] 103
adecuado. Esto se efectuará mediante sondeo de la tensión e intensidad de las señales VSENSE
e ISENSE, respectivamente. Si detectamos que la carga dela batería disminuye, empezaremos a
cargarla con 5V, acoplando el subcircuito mencionado previamente. Podemos notar que las
señales de alimentación, BATT+ y 5V, están conectadas mediante una resistencia de pequeño
valor, que únicamente evita que se produzcan situaciones de cortocircuito entre ambas
señales.
El proceso de carga se efectúa de forma conmutada, y no continúa, a través de la puerta de
carga, pudiéndose elegir el tipo de modulación de la señal CHARGEGATE. La frecuencia de la
conmutación y, por ende, de la recarga de la batería, deberá ser disminuida de forma
inversamente proporcional al nivel de carga de la batería. Una vez que detectemos que la
batería se encuentra suficientemente cargada, lo cual notaremos por una reducción en la
demanda de intensidad, volveremos a desacoplar el subcircuito de recarga de la derecha.
Nótese que, en todo momento, la alimentación al módulo T65 se efectúa desde la batería, a
través de BATT+, incluso cuando ésta se encuentra en proceso de recarga. De este modo, el
funcionamiento continuo del TC65 no tiene impacto significativo en el consumo de nuestro
sistema, ya que es casi autónomo en cuanto a alimentación se refiere.
Con la solución adoptada, incorporamos una ventaja adicional a nuestra interfaz de alcance
global: la rapidez de respuesta. En el preciso instante en que el modulo detecte la existencia de
una red GSM, el dispositivo iniciará una comunicación con el servidor, comprobando si existen
operaciones a realizar y, en su caso, transmitiendo o recibiendo los datos correspondientes. El
tiempo de conexión con la red desde que es detectada ser, pues, mínimo, no siendo necesario
esperar al siguiente ciclo de sondeo de red de la primera solución apuntada. Por consiguiente,
ganamos en respuesta y en disponibilidad, mejorando el rendimiento global de nuestra
aplicación. De este modo, la interfaz radio de nuestro dispositivo permanecerá habilitada en
todo momento.
En lo que respecta a la conexión con el microprocesador, diremos que, básicamente, el
esquema de funcionamiento es el de un módem. De hecho, el dispositivo y el microprocesador
se comunicarán por medio de una de sus respectivas UART a través de dos puertos series,
TXD0 y RXD0, para el acceso a las memorias RAM o FLASH del sistema, con velocidades que
podrán llegar a 460800bps. Además, el microprocesador será programado para que, al llegar el
barco a un puerto, el TC65 envíe un mensaje SMS de alarma al servidor central, indicando que
nos encontramos en punto intermedio o final de un trayecto y que estamos en disposición de
realizar las operaciones pertinentes de subida o bajada de información.
[Type the document title] 104
1.3.4.2 Interfaces mediante conectores
Una de las características principales de nuestro sistema es la capacidad que tiene para
comunicarse con el exterior mediante una gran variedad de conectores físicos e interfaces
inalámbricas estandarizadas, lo cual proporciona al sistema una gran versatilidad y permite
grandes posibilidades de expansión y actualización.
1.3.4.2.1 Interfaz de programación
La interfaz que describimos a continuación nos permitirá acceder mediante cables a la placa
del sistema para enviar instrucciones de control y configuración. Esta interfaz será utilizada
preferentemente por el diseñador para realizar pruebas y tests previos a la comercialización
del modelo, ya que una vez instalada y encapsulada la aplicación en un barco, el usuario no
tendrá habitualmente acceso físico y utilizara las interfaces wireless para comunicarse con el
sistema.
Simplemente aportaremos un detalle que merece destacar. Los puertos TXD1 y RXD1, que en
principio pertenecen a la interfaz microprocesador-GPS para su comunicación serie, se
encuentran compartidos con esta interfaz de programación. Sí, aunque durante el
funcionamiento estándar de la aplicación estos puertos serán utilizados para transmitir y
recibir señales del modulo GPS, en la etapa de diseño pueden ser utilizados, por ejemplo, para
programar la memoria FLASH del microprocesador.
Fig 3.87. Diseño de la interfaz de programación
1.3.4.2.2 Interfaz analógica
Como hemos puesto de manifiesto repetidas veces, nuestro diseño trata de dotar al sistema
de versatilidad y posibilidades de expansión y personalización de la aplicación. Es debido a ello
que incorporamos en nuestro PCB ocho entradas analógicas, de las cuales dos estarán
dedicadas a dispositivos con tecnología ICP, mientras que las seis restantes, serán entradas
[Type the document title] 105
analógicas de propósito general que el usuario del sistema habilitará o no, según la aplicación
especifica que quiera implementar.
Sin embargo, cabria preguntarse si el sistema, y por tanto, el microprocesador, posee puertos
analógicos como para añadir estas nuevas seis entradas de propósito general a las seis
entradas analógicas existentes por defecto, para la aplicación de monitorización y registro del
transporte marítimo de mercancías que desarrollamos en este proyecto, correspondientes a
los sensores de aceleración e inclinación. La respuesta es no, ya que el microprocesador que
vamos a emplear en nuestro diseño cuenta, precisamente, con ocho entradas analógicas.
Por consiguiente, debemos hallar una solución que, sin perdida de generalidad, permita al
usuario configurar el uso de estas seis entradas analógicas, habilitándolas como señales de
lectura de los sensores o como señales de propósito general. La solución que hemos diseñado
para ello consiste en seleccionar mecánicamente, mediante jumpers, las señales que
deseamos utilizar.
Por defecto, los jumpers estarán situados en el conector de 24 pines de la interfaz analógica de
la figura alineados verticalmente en la columna de la derecha (pines 13 a 24), conectando la
señal de cada sensor analógico a su respectiva entrada analógica del microprocesador con lo
que, en principio, quedarán conectados al microprocesador las seis entradas analógicas
correspondientes al acelerómetro y al inclinómetro.
Si el usuario quisiera modificar esta configuración, bastaría cambiar la situación de los pines,
conectando cada pin de la columna izquierda (pines 13 a 24, que corresponde a las salidas del
circuito de condicionamiento de las señales analógicas de propósito general)de forma
horizontal con el correspondiente pin de la columna de la derecha, conectando las señales de
propósito general a los puertos analógicos del microprocesador.
En el caso en que el usuario elija la segunda opción indicada, será necesario realizar el
condicionamiento o acondicionamiento de tales señales analógicas de propósito general para
adaptarlas a los valores de señal adecuados para el tratamiento por parte del
microprocesador. Este proceso lo realizaremos para cada una de las seis señales de este tipo
con la que hemos dotado al sistema, tal como podemos comprobar en el ANEXO, si bien, para
ilustrar el modo en que hemos diseñado esta etapa, bastará mostrar el funcionamiento de dos
de ellas, extrapolando este circuito al resto.
El diseño que lo implementa está basado en ajustes de tensión mediante divisores de
tensiones y amplificadores operacionales de muy bajo consumo. Para mostrarlo, vamos en
primer lugar a presentar esquemáticamente algunas referencias básicas sobre los
amplificadores operacionales. A continuación, seguiremos el condicionamiento de la señal de
izquierda a derecha del circuito.
[Type the document title] 106
Fig.3.88 Amplificador operacional inversor
Fig.3.89 Amplificador operacional diferencial
En primer lugar, será necesario generar el offset de las señales analógicas, para disponer de un
mecanismo de calibración de las mismas, lo cual haremos a través de los seis potenciómetros
regulables que están presentes en nuestro PCB. Para su realización, lo primero que
encontramos es un sumador inversor, que invertirá la señal VCC, produciendo -3.3V. De este
modo, conseguimos acotar el rango del potenciómetro a valores entre VCC y –VCC. Para
desacoplar esta señal de offset, añadiremos un seguidor de tensión, que, como es sabido,
entrega a su salida la señal presente a su entrada permitiendo valores de intensidad de salida
mayores a los de la entrada.
Fig.3.90 Generación del offset de una entrada analógica
Una vez generada tal señal, la restaremos a la entrada analógica propiamente dicha, a la que
se ha disminuido a la mitad su valor (mediante un divisor de tensión) y se ha desacoplado del
[Type the document title] 107
circuito (mediante un seguidor de tensión) de igual manera a la indicada anteriormente para la
señal de offset. La diferencia se implementa a través de un amplificador operacional
diferencial. Como resultado, obtenemos la señal analógica acotada y balanceada, por lo que
podemos afirmar que se encuentra ya convenientemente acondicionada.
No obstante, para optimizar el diseño, añadiremos una resistencia que evitará entregar al
microprocesador corrientes elevadas, una etapa de filtrado de 3KHz que eliminará el ruido
acumulado por la señal durante su trayecto por el circuito, y una protección de sobretensiones
realizada con una red Schottky. Los diodos Schottky protegen a los amplificadores de posibles
valores de offset mayores de VCC y los acotan al rango entre 0 y 3.3V.
Fig.3.91 Diseño del condicionamiento de las señales analógicas y de la interfaz analógica
La señal resultante, condicionada, filtrada y protegida, se encontrará de este modo en
situación de ser entregada al conector de 24 pines que representa la interfaz etapa analógica-
microprocesador.
1.3.5 Alimentación y consumo
En este apartado analizaremos los distintos componentes y dispositivos que intervienen en la
alimentación y regulación de la tensión y la corriente necesarias para el funcionamiento del
conjunto de los módulos presentes en nuestro PCB, de forma que la totalidad de la electrónica
de la tarjeta de nuestro sistema disponga de valores eléctricos adecuadamente condicionados.
1.3.5.1 Circuito de alimentación
Como hemos comentado anteriormente en las especificaciones generales del proyecto,
nuestro PCB estará preparado para la toma de corriente desde dos fuentes de alimentación
potenciales.
[Type the document title] 108
La primera fuente consiste en una toma de alimentación externa de 12V y 3A procedente de la
red de instalación eléctrica del barco. Esta fuente será la fuente primaria, y por lo tanto será
utilizada por defecto de forma continua, logrando una autonomía ilimitada y un rendimiento
máximo, con lo que evitaremos operaciones de mantenimiento como pudiera ser la
sustitución de las baterías.
La segunda, la fuente secundaria, será una fuente de alimentación presente en el PCB,
consistente en una asociación serie-paralelo de baterías que dotará al sistema de la autonomía
requerida por los modos de operación de bajo consumo y de emergencia, según las
especificaciones. Además, desarrollará funciones de fuente de alimentación de seguridad, en
el caso de que existan fallos puntuales de suministro en la instalación eléctrica del barco, en
los que la fuente externa primaria deje de funcionar, dotando de redundancia al sistema y
proporcionando un doble circuito de alimentación que permite a la aplicación ganar en
fiabilidad.
Fig.3.92 Diseño del circuito doble de alimentación
Si atendemos al circuito esquemático de la figura, observaremos la presencia de ambas
fuentes de alimentación, externa e interna, esto es, primaria y secundaria, de 12 y 7.2 voltios
respectivamente. El funcionamiento es claro: a través de sus respectivos diodos de seguridad,
la fuente de mayor voltaje entregará la señal de alimentación a la entrada del regulador
principal del circuito. Esto significa que en el caso en que dispongamos de la fuente primaria
(de 12V) será ella la que aporte la alimentación mediante la señal EXT DC, mientras que en
caso de que, puntualmente, carezcamos de ella, será la fuente secundaria (de 7.2V) la que
llegue al regulador a través de la señal EXT BATT.
En cualquiera de estas dos posibles situaciones, la señal de entrada del regulador, una vez
disminuida en 0.7V (que corresponden a la caída de tensión del diodo) se tratará
indistintamente, y se denominará a partir de este momento V EXT. Esta señal de alimentación
tendrá, pues, un valor máximo de 11.3V, y un valor mínimo de 6.5V, respectivamente.
[Type the document title] 109
1.3.5.1.1 Fuente de alimentación primaria
Respecto a la fuente de alimentación primaria, simplemente requeriremos tres
especificaciones que, no obstante, deben ser estrictamente seguidas por el usuario del sistema
para lograr un correcto comportamiento de la aplicación. Las dos primeras fueron ya
enunciadas y corresponden a las especificaciones eléctricas. De este modo, la toma de
electricidad de esta fuente de alimentación primaria derivará de la red eléctrica del barco 12V
y 3A de corriente continua.
El otro requisito que debe ser cumplido es que, teniendo en cuenta que nos encontramos en
escenarios donde es segura la presencia de agua, la toma de corriente debe estar dotada con
un conector wáter-proof o a prueba de agua, lo que implementaremos incorporando una
protección IP67 para ambientes hostiles.
Fig.3.93 Conectores de alimentación primaria con protección IP67
1.3.5.1.2 Fuente de alimentación secundaria
Teniendo en cuenta que las especificaciones generales de diseño de nuestro PCB imponen una
tensión de alimentación de 7.2V y una corriente mínima garantizada de 1A y, considerando
que la celda básica de alimentación de tamaño estandarizado D que utilizaremos en este
proyecto, es decir, la batería de litio LS 33600 del fabricante SAFT, asegura una tensión
nominal fija de 3.6V y una corriente continua máxima garantizada de 250mA, necesitamos
implementar una asociación mixta, serie y paralelo, que, a partir del elemento básico que
constituye la batería anterior, forme una red de alimentación acorde a los requerimientos
descritos. Esta red se representa a continuación de forma esquemática.
[Type the document title] 110
Fig.3.94 Batería de litio SAFT LS 33600
Fig 3.95. Red de alimentación secundaria
[Type the document title] 111
Con la asociación en serie de dos baterías conseguiremos duplicar los 3.6V nominales,
obteniendo los 7.2V requeridos por el sistema, mientras que la configuración en paralelo de
cuatro de estos módulos serie multiplicará por cuatro los 250mA ofrecidos por cada módulo
serie, alcanzándose la intensidad de un amperio demandada.
Como podemos apreciar en las siguientes gráficas, dos características destacan sobremanera
en el rendimiento de estas baterías: por un lado, su comportamiento es lineal durante la
mayoría de su tiempo de vida, y por otro, presenta pérdidas de valores aceptables con aporte
de corriente alto y rangos de temperatura extremos. Estas dos importantes características
para el diseño de nuestra aplicación hacen recomendable la elección de este modelo concreto
de baterías, si bien la utilización de baterías diferentes, siempre y cuando cumplan los
requerimientos indicados, no influirá en el rendimiento y funcionamiento de nuestro sistema.
Fig.3.96 Perfiles típicos de descarga de la batería a +20C
Fig3.97. Capacidad de la batería frente a la corriente proporcionada y la temperatura
[Type the document title] 112
Por último, demostrado el cumplimiento de los valores instantáneos de tensión e intensidad,
corresponde probar que la red de baterías permite a nuestro diseño alcanzar las
especificaciones de autonomía del sistema anunciadas previamente. Es necesario aclarar que,
por limitaciones de dimensionamiento físico del sistema, no podremos disponer de un mayor
juego de baterías que permitieran aumentar la capacidad de nuestra fuente de alimentación
secundaria, por lo que estamos obligados a llegar a una solución de compromiso autonomía-
tamaño que permita a la fuente secundaria realizar las funciones que a ella se le atribuyen: las
de redundancia y garantía del suministro eléctrico.
No obstante, esta solución de compromiso adquirida en el diseño de nuestro sistema, lejos de
resultar insuficiente, nos permite reducir considerablemente el volumen de nuestra aplicación
y, al mismo tiempo, disponer de suficiente potencia eléctrica como para permitir que el
sistema opere en dos de sus tres modos de funcionamiento: el modo de bajo consumo y el
modo de emergencia. Describamos, entonces de qué manera la fuente secundaria permite
ajustarse a las especificaciones de autonomía de estos dos modos de operación.
Modo de bajo consumo
Como expusimos en la descripción de los modos de operación, en el modo de bajo consumo
únicamente procederemos a registrar la información del GPS y de la interfaz radio GSM/GPRS
de forma periódica, con periodicidad variable y con valor por defecto de 30 minutos, o bien
cuando se produzca un evento significativo en la lectura de alguno de los sensores del sistema.
Teniendo en cuenta que estos dos dispositivos son, precisamente, los que presentan un mayor
consumo (significativamente superiores al consumo del resto de componentes electrónicos del
PCB), la limitación en su uso representara un sensible ahorro de potencia al sistema,
aumentando la vida de las baterías y, por lo tanto, de la fuente secundaria. Las
especificaciones que hay que respetar son representadas en el siguiente cuadro.
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
MODO BAJO CONSUMO -
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN 7.2 V
CONSUMO DE OPERACIONES BÁSICAS 70 mA
CONSUMO DE OPERACIONES W&S 150 mA
AUTONOMÍA MÍNIMA 1680 Horas
Tabla.3.19 Especificaciones del modo de operación de bajo consumo
Como podemos apreciar, las operaciones W&S (Wake&Store), es decir, las operaciones de
encendido, sondeo y almacenamiento representan más del doble del consumo general en este
modo de operación del sistema. En la tabla aparecen representados los consumos
instantáneos de los distintos tipos de operaciones, por lo que para calcular la capacidad
eléctrica que requieren de la fuente de alimentación implementada por baterías, tendremos
en cuenta que las operaciones básicas ocurrirán continuamente, mientras que las operaciones
[Type the document title] 113
W&S se efectuarán periódicamente. Para el periodo por defecto (30 minutos), estas
operaciones representan un tiempo de 1.2 horas diariamente.
De este modo, las operaciones básicas requerirán una capacidad diaria de 1.68Ah, mientras
que las W&S demandarán 0.18Ah diariamente. Esto representa a una demanda de capacidad
eléctrica de 1.86Ah al día. Considerando que la autonomía en este modo es de 70 días o 1680
horas de funcionamiento, ello supone una demanda total de 130.2Ah. Mostramos
seguidamente los cálculos utilizados para hallar los datos anteriores.
𝐻 =𝐶𝑡
𝐶𝑑→ 𝐶𝑡 = 𝐻 × 𝐶𝑑
Donde
𝐷 ≡ 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 𝑑í𝑎𝑠 = 70𝑑í𝑎𝑠
𝐶𝑡 ≡ 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴ℎ = 130.2𝐴ℎ
𝐶𝑑 ≡ 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 𝐴ℎ = 70𝑚𝐴 × 24ℎ + 150𝑚𝐴 × 1.2ℎ = 1.86𝐴ℎ
En estos cálculos, y debido a que vamos a sobredimensionar, para mayor fiabilidad del
sistema, la capacidad mínima que imponemos a las baterías, podremos despreciar los picos de
consumo puntuales correspondiente a las operaciones W&S no periódicas que se producen
cuando ocurre un evento. En cualquier caso, este consumo puntual está incluido en el
sobredimensionamiento de las baterías.
Si tenemos en cuenta que la capacidad total del conjunto de las baterías es igual,
aproximadamente, a 135Ah, convendremos en afirmar que las especificaciones anteriormente
enunciadas quedan respetadas.
Modo de emergencia
Recordemos que el modo de emergencia permite, en aquellas situaciones excepcionales en las
que ocurran fallos generales en el barco por causa de un accidente marítimo, proceder a la
monitorización y el registro en la memoria de las condiciones del transporte de forma
continuada, hasta el agotamiento de las baterías o la rotura del sistema debido a situaciones
críticas, como pueda ser el hundimiento del barco.
En tales casos, es vital tener un registro de las circunstancias en las que se ha producido la
emergencia, lo cual implica muestrear y memorizar la información de los ocho canales de
datos del sistema de forma continua. En dichas circunstancias, un fallo general en las
instalaciones eléctricas del sistema es bastante probable, por lo que, tras ser detectada por el
microprocesador la situación de emergencia y la avería en el suministro eléctrico, se activaría
inmediatamente la fuente secundaria implementada con baterías. A continuación se muestran
las especificaciones correspondientes a este modo.
[Type the document title] 114
Tabla.3.20 Especificaciones del modo de operación de emergencia
En este modo, el consumo total instantáneo del PCB será de 750mA, por lo que si disponemos
de 135Ah de capacidad en las baterías, lograremos una autonomía máxima de 180 horas, tal y
como podemos observar en los resultados obtenidos.
𝐻 =𝐶𝑡
𝐼𝑐
Donde
𝐻 ≡ 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 181.33ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
𝐶𝑡 ≡ 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴ℎ = 136𝐴ℎ
𝐼𝑐 ≡ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡á𝑛𝑒𝑎 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑜 𝑚𝐴 = 750𝑚𝐴
Se acordará que la duración de la situación de emergencia es limitada, ya que la solución y el
correspondiente desenlace, positivo o negativo, de la misma es, en la mayoría de los casos,
inminente. De este modo, las 180 horas de funcionamiento que, como máximo, proporcionan
las baterías, parecen suficientes para permitir una adecuada monitorización del escenario
descrito.
1.3.5.2 Reguladores de tensión
Una vez descritas los valores absolutos de tensión e intensidad que nuestro PCB requiere,
haremos notar una propiedad importante de los distintos componentes que conforman
nuestra tarjeta: no todos ellos necesitarán tales valores de alimentación. Es más, debido a la
complejidad del diseño, coexisten en nuestra placa una pluralidad de valores de alimentación
correspondientes a los distintos dispositivos electrónicos presentes en ella.
Es por ello que es necesario regular la tensión e intensidad a la entrada de los dispositivos,
para adecuarlos a sus respectivas especificaciones eléctricas. Para ello, utilizaremos una serie
de dispositivos electrónicos reguladores de tensión, que variarán según su funcionalidad y su
CARACTERÍSTICA VALOR UNIDAD
MODO EMERGENCIA -
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN 7.2 V
CONSUMO TOTAL 750 mA
AUTONOMÍA MÍNIMA 180 horas
[Type the document title] 115
rango de valores que entregaran a su salida. Mostraremos, junto a su explicación, los
esquemáticos de tales circuitos reguladores para ilustrar su funcionamiento.
Los dos reguladores más importantes que utilizamos en nuestro diseño son los circuitos que
generarán 5 y 3.3 voltios respectivamente. El primero de ellos, basado en el switcher LM2596
del fabricante National Semiconductor, convertirá la señal de alimentación V EXT de 11.3V o
6.5V al valor fijo de 5V. Este eficiente convertidor de potencia es capaz de drenar hasta 3A de
intensidad en salida, si bien nuestro sistema no requerirá mas de 1A de corriente, por lo que
disponemos de un margen más que aceptable. Para el diseño de este circuito hemos escogido
dos condensadores electrolíticos de entrada y salida de elevadas prestaciones, que
proporcionan una reducida ESR (Equivalent Series Resistance) necesaria para un bajo rizado y
para garantizar la estabilidad del sistema.
La segunda precaución que debemos tomar en este circuito es la de situar a los componentes
de forma que se minimicen las distancias entre ellos. Es por ello que hemos situado este
circuito en la parte posterior de la placa, donde disponemos de mayor superficie libre, y donde
conseguimos aislar eléctricamente a este circuito de la interferencia de otros módulos del PCB.
Fig.3.98 Diseño y layout del generador de 5V
El circuito que genera la señal VCC de alimentación de los dispositivos digitales y de los
sensores de nuestro PCB es un elemento crítico de nuestro diseño, dada la importancia de esta
señal. Está basado en el regulador lineal de LP3964 del mismo fabricante anterior, que tiene
como características más significativas la rapidez de su respuesta y una intensidad de salida de
800mA, más adecuada para generar una salida de señal que el anterior regulador. Este
dispositivo recogerá los 5V generados y estabilizados por el anterior regulador y los convierte a
3.3V.
[Type the document title] 116
Fig.3.99 Circuito generador de VCC
Por último, los dos siguientes circuitos realizan operaciones de inversión o duplicación de la
tensión de la señal de alimentación del circuito V EXT, independientemente de que su valor
sea 11.3V o 6.5V. La inversión es necesaria para la alimentación rail-to-rail de los
amplificadores operacionales del PCB, mientras que la duplicación es necesaria para el circuito
de condicionamiento de tecnología ICP. Ambos se basan en el Si7661, un regulador de
tensiones CMOS del fiable fabricante Maxim, que permite obtener a la salida rangos de valores
más amplios respecto a lo permitido por los reguladores de National comentados
previamente.
Fig.3.100 Circuito inversor y duplicador de la señal de alimentación
[Type the document title] 117
1.3.6 Microprocesador
El elemento que controlará, supervisará y realizará todas las operaciones que se realicen en el
sistema es el microprocesador. Se trata, pues, del director de orquesta de este complejo
concierto donde todos los procesos puntuales o periódicos, desde las operaciones de sondeo,
lectura, escritura, hasta el apagado o encendido, de los distintos dispositivos electrónicos que
integran nuestro diseño deben ser en todo momento guiados, controlados y sincronizados por
el microprocesador, que, desde el punto de vista conceptual del sistema de control que
estamos desarrollando, también puede ser denominado microcontrolador.
En cualquier caso, considerando la diversidad y complejidad de las tareas que debe efectuar
este dispositivo, y la potencia del procesador que vamos a escoger para nuestro diseño, la
denominación de microprocesador parece más adecuada que la de microcontrolador. Toda vez
que la mayoría de las funciones encomendadas al microprocesador fueron ya
convenientemente descritas al detallar el funcionamiento del sistema, corresponde en este
momento destacar aquellas cualidades que permiten al procesador cumplir con tales tareas, e
indicar el conexionado que hemos diseñado, destacando aquellas señales que permiten al
cerebro de sistema realizar sus procesos más significativos.
El microprocesador elegido para diseñar nuestro sistema es el Mitsubishi M16C. Este
dispositivo representa un gran avance en dispositivos de control que requieren un bajo
consumo y una elevada tasa de procesado de señal. Este microcomputador de chip único,
construido con tecnología CMOS, opera utilizando sofisticadas instrucciones y un espacio de
direccionamiento de 1MB que proporcionan un elevado nivel de eficiencia y velocidad,
haciéndolo idóneo para aplicaciones de comunicaciones y control que requieran gran
velocidad de procesado. En el siguiente cuadro aparecen destacadas y resumidas las
funcionalidades y características más significativas de este microordenador.
[Type the document title] 118
Tabla.3.22 Características del microprocesador M16C
De las anteriores características es conveniente resaltar, aparte del bajo consumo y la elevada
velocidad de procesado, las tres UART que permitirán su comunicación serie, dos relojes que
podrán ser utilizados en protocolos como SPI, ocho convertidores analógico-digitales (CAD), un
watchdog y un elevado numero de fuentes de interrupciones.
[Type the document title] 119
Fig.3.101 Pinout e imagen del microprocesador
Además, el microprocesador, que cuenta con cien pins, es capaz de implementar diez puertos
de entada-salida de ocho bits. En el diagrama de bloques del microcomputador se pueden
identificar los bloques anteriores, así como un número elevado de registros y bloques internos.
Fig.3.102 Diagrama de bloques del microprocesador
La implementación que hemos desarrollado en nuestro diseño utiliza gran parte de los bloques
y puertos del microprocesador. A continuación, describiremos, desde el diez hasta el cero, los
puertos que le permiten conectarse a los dispositivos de nuestro PCB, y las señales que utiliza
para ello. Todos ellos son desarrollados profusamente en los apartados específicos
correspondientes a cada uno de los elementos del PCB, donde tendremos la oportunidad de
analizarnos con mayor profundidad. Por consiguiente, simplemente es nuestra intención en
este momento, por motivos prácticos y pedagógicos, realizar una síntesis de la conexión del
microprocesador con los diferentes módulos que constituyen nuestra aplicación.
[Type the document title] 120
Fig.3.103 Diseño del microprocesador
En primer lugar, el microprocesador utilizará el puerto numero diez para recibir las ocho
entradas analógicas, que serán dirigidas al CAD interno del mismo. Para los puertos de
excitación y conmutación del sensor de inclinación, así como para la selección del rango del
acelerómetro, se utilizara el puerto numero nueve. Por otro lado, conectaremos entre los
pines XIN y XOUT un oscilador de 10M que proporcionará el reloj general del sistema.
[Type the document title] 121
En cuanto a las interfaces radio, los puertos siete y ocho se dedicarán a conectar las señales
procedentes de los distintos módulos de conexión de los dispositivos RF. El puerto seis se
reservara para la conexión de las UART de los dispositivos de comunicación serie del PCB con
aquellas del microprocesador, respectivamente. En cuanto a los dispositivos de
almacenamiento, el puerto cinco acoge las señales de control de las memorias del diseño,
mientras que los puertos 4, 3 y 2 se dedican al direccionamiento y selección de las mismas y el
cero, al respectivo bus de datos de la memoria SRAM.
El resto de puertos se ocuparán para la alimentación y toma de tierra del dispositivo, para
generar señales de reset, apagado o encendido de los dispositivos del PCB, o bien para la
conexión de elementos de supervisión. Finalmente, se incluye el diseño del layout del
microprocesador que, debido a su responsabilidad y a sus funciones, será situado
estratégicamente en la zona central de la capa frontal del PCB, optimizándose así las distancias
desde los distintos componentes electrónicos hasta el microprocesador.
Fig.3.104 Layout del microprocesador
[Type the document title] 122
1.3.7 Memorias
Uno de los procesos que dan origen a nuestra aplicación consiste en el registro en memoria de
las condiciones del transporte de la mercancía del barco. Tal como se ha detallado
previamente en el apartado correspondiente al registro de datos, este proceso requiere de dos
tipos de memoria distintas.
Una de ellas, la RAM, permitirá el mantenimiento transitorio de los datos de monitorización
procedentes de los distintos canales, posibilitando el acceso y el procesamiento de los mismos
por parte del microprocesador de una forma rápida. La segunda memoria, es una memoria de
tipo FLASH estandarizada. El formato elegido en el diseño es una tarjeta de memoria
multimedia MMC con una capacidad (128MB) suficiente para albergar la información útil
definitiva, correctamente procesada por el microprocesador, que será entregada al usuario.
El microprocesador, por su parte, utilizara dos señales de selección de dispositivo (chip select)
para elegir con cual de las dos memorias se va a conectar. La señal 𝐶𝑆0 habilitara la memoria
SRAM, mientras que la señal 𝐶𝑆1 hará lo propio con la memoria FLASH. Es importante destacar
que no es posible que ambas memorias estén conectadas al procesador a la vez, ya que este
solo es capaz de direccionar una sola de las memorias en cada instante, por lo que las señales
de control para escritura y lectura de la memoria podrán ser compartidas por ambas, SRAM y
FLASH, que describimos a continuación.
SRAM
La memoria SRAM (Static RAM) que incluiremos en nuestro diseño es un dispositivo de baja
tensión de capacidad 4Mbit organizados en 524288 palabras de memoria de ocho bits cada
una, fabricadas en tecnología CMOS. Hemos elegido el modelo M5M5V408BKV de Mitsubishi
porque a sus excelentes prestaciones incorpora un comportamiento de consumo idóneo para
las características de nuestro sistema. Añadiremos que todas las entradas y salidas de la
memoria son compatibles con los valores TTL, por lo que no es necesario realizar ningún
condicionamiento a las señales con las que la SRAM opera.
Fig.3.105 SRAM de 4Mbit
En la figura anterior y en las tablas siguientes podemos observar el pinout del dispositivo y la
función de cada uno de los pines. Como en la mayoría de las memorias RAM que se
encuentran en el mercado, nuestro dispositivo de almacenamiento cuenta con un puerto para
el direccionamiento de la memoria (A0-A18), otro para la transmisión y recepción de datos
[Type the document title] 123
(DQ1-DQ8), tres señales de control (𝑆 , 𝑊 y 𝑂𝐸 ) y dos de alimentación (Vcc y GND). En cuanto a
los modos manejados por las señales de control, el comportamiento es el mismo que podemos
encontrar en memorias RAM estándares, disponiéndose de dos modos para la lectura y
escritura de datos y otros dos modos de alta impedancia para deseleccionar el dispositivo o
mantenerlo en lectura.
Fig.3.106 Pinout y modos de operación de la SRAM
La implementación que hemos llevado a cabo es sencilla, realizando la conexión de los pines
de datos con uno de los puertos digitales de ocho bits del microprocesador, y de los pines de
direcciones con los puertos del microprocesador habilitados para el direccionamiento de
memorias. Por su parte, las señales de control 𝑆 , 𝑊 y 𝑂𝐸 , se conectarán a 𝐶𝑆0 , MEMWR Y
MEMRD, respectivamente. Esto queda representado a continuación.
Fig.3.107 Diseño y layout del modulo de memoria SRAM
Por último, es fundamental que los procesos de lectura y escritura de la memoria estén
correctamente sincronizados con el microprocesador, ya que, en caso contrario, no lograremos
realizar el registro de los datos recogidos por nuestros sensores y nuestra aplicación no
alcanzará su objetivo. Para ello, se programara el microprocesador con rutinas estandarizadas
[Type the document title] 124
provistas por el fabricante. Para ilustrar los procesos de lectura y escritura, mostraremos los
cronogramas ambas operaciones.
Fig.3.108 Ciclo de escritura en la memoria SRAM
Fig.3.109 Ciclo de lectura de la memoria SRAM
[Type the document title] 125
FLASH
Como fue detallado en el apartado correspondiente al registro de la información, requerimos
una memoria portátil y extraíble que almacene las pilas de los eventos más significativos
recogidos durante los distintos trayectos del barco de transporte de mercancías. Esto se hará
por volcado de la información de los distintos canales de información desde la memoria SRAM
hasta la memoria portátil. Para ello, el microprocesador utilizará un protocolo de
transferencia serie, el SPI, para enviar datos y comandos a la tarjeta y recibir de ella
información de control. La memoria idónea, dada sus reducidas dimensiones, su portabilidad y
su estandarización, es la memoria FLASH de una tarjeta MMC.
El protocolo SPI (Serial Peripheral Interface) es un estándar de comunicaciones, usado
principalmente para la transferencia de información entre circuitos integrados en equipos
electrónicos. El bus de interface de periféricos serie o bus SPI es un estándar para controlar
casi cualquier electrónica digital que acepte un flujo de bits serie regulado por un reloj.
Incluye una línea de reloj, dato entrante, dato saliente y un pin de chip select, que conecta o
desconecta la operación del dispositivo con el que uno desea comunicarse. De esta forma, este
estándar permite multiplexar las líneas de reloj.
Fig.3.110 Protocolo SPI de transferencia serie de datos
Los sistemas digitales suelen contener periféricos útiles pero, a la vez, lentos. La ventaja de un
bus serie es que minimiza el numero de conductores, pines y el tamaño del circuito integrado,
reduciéndose el coste de fabricación y prueba de la electrónica. Un bus de periféricos serie es
la opción más flexible cuando diferentes tipos de periféricos serie están presentes. El hardware
consiste en señales de reloj, data in, data out y chip select para cada circuito integrado que
tiene deba ser controlado. Así, casi cualquier dispositivo digital puede ser controlado con esta
combinación de señales.
En el caso de una tarjeta de memoria MMC, las señales descritas se muestran a continuación
mediante una tabla. Estas especificaciones, si bien pertenecen a una memoria SanDisk,
variarán insignificantemente si decidimos incluir un modelo perteneciente a un fabricante
distinto.
[Type the document title] 126
Tabla. 3.23 Pinout e imagen de la memoria FLASH
Presentamos a continuación la implementación concreta que hemos realizado en nuestro
diseño para la conexión de la tarjeta MMC con el microprocesador. En ella, en lugar de utilizar
el modo multimedia de la memoria (utilizado en otras aplicaciones como cámaras digitales),
emplearemos el modo SPI por las razones anteriormente expuestas.
Fig.3.111 Diseño y layout de la memoria FLASH
En este caso, las señales que permiten comunicación de nuestra memoria FLASH con el
microprocesador son D_IN, D_OUT, 𝐶𝑆1 y CLK. A través de la señal D_IN, el microprocesador
enviará a la memoria dos clases de datos: información útil para almacenar (pilas de eventos) e
información de control (comandos). Mediante D_OUT, la memoria enviara datos de control y
estado al microprocesador. Todos los ciclos de lectura y de escritura, cuyos cronogramas
mostramos a continuación, estarán sincronizados gracias a la señal de reloj CLK provista por el
microprocesador, y se regirán por el protocolo serie SPI. Por ultimo, el microprocesador, por
medio de la señal 𝐶𝑆1 , habilitará o deshabilitará la memoria, evitando cualquier tipo de
colisión con la memoria SRAM.
[Type the document title] 127
Fig.3.112 Ciclo de lectura de la memoria FLASH
Fig.3.113 Ciclo de escritura en la memoria FLASH
[Type the document title] 128
2 CONCLUSIONES
El propósito de este capitulo es el de presentar los resultados mas significativos fruto del
análisis del escenario en el que desarrollamos nuestra aplicación, de la interpretación de los
estudios realizados para el entendimiento de las singularidades y las problemáticas que
caracterizan a este contexto, y de la síntesis de la solución adoptada que, considerando lo
anterior, satisfará los objetivos marcados en el proyecto y las especificaciones impuestas al
sistema para una implementación eficaz y eficiente.
Los resultados del estudio realizado sobre la economía marítima mundial reflejan una
tendencia creciente sin precedentes en el contexto del transporte de mercancías, en el que se
encuentran involucrados un número cada vez mayor de países pertenecientes a los distintos
continentes de la geografía mundial. Esta actividad supone un volumen de negocios total que
constituye un elemento fundamental de la economía mundial.
El análisis sobre la actividad económica que representa el transporte marítimo de mercancías,
pone de manifiesto la justificación de la adopción de aquellas medidas destinadas a invertir en
el desarrollo de sistemas de monitorización del transporte para alcanzar cotas adecuadas de
seguridad en el mar, fiabilidad en el transporte y satisfacción por parte de las empresas y los
usuarios que intervienen en este sector. Los esfuerzos realizados por las corporaciones líderes
del sector y por instituciones como la Unión Europea prueban la rentabilidad y la necesidad de
la inversión en innovación de este sector, logrando con estas aplicaciones disminuir las
pérdidas y realizar mapas y modelos de previsiones que contribuyan a optimizar las rutas y las
condiciones de navegación.
Nos encontramos aún, no obstante, en una situación internacional de vacío legal donde el
cumplimiento de los estándares y normas que se vienen desarrollando en las ultimas décadas
por la comunidad internacional no son respetadas de igual forma por todos los países. Esto
supone la existencia de una gran variedad de situaciones en las que la parte en que recae la
responsabilidad de una hipotética pérdida, debida a factores meteorológicos o a negligencias
en la navegación, no está completamente determinada, lo que produce finalmente una
disminución de la productividad en el sector y un aumento de las pérdidas derivadas de los
procesos de depuración de responsabilidades.
La monitorización y el registro de las condiciones en las que se lleva a cabo el transporte
marítimo de las mercancías, objeto de nuestro proyecto, se presenta como una opción óptima
para garantizar el seguimiento de las condiciones de la mercancía y la aclaración de las
responsabilidades en caso de accidentes, ya que somos capaces de disponer de una gran
cantidad de datos que describan y prueben la situación y las condiciones en las que se produce
el accidente, con lo que estaremos habilitados para discernir objetivamente si el accidente se
debe a factores humanos o a factores ajenos al hombre.
Los sensores de aceleración e inclinación que hemos incluido en el diseño de nuestro sistema
proporcionarán la información que determinara las condiciones en que los accidentes o
situaciones críticas se producen. Los dispositivos integrados en nuestro PCB y los circuitos de
[Type the document title] 129
condicionamiento de señal que los conectan al microprocesador del sistema producirán
información precisa y veraz para su posterior registro y análisis.
El sistema de navegación por satélite implementado por medio de un receptor GPS
proporcionara información sobre la trayectoria exacta seguida por el transporte, por lo que
será posible verificar, con la ayuda de partes meteorológicos, las condiciones climatológicas de
la mar en el instante en que se detecta y registra un evento significativo o crítico en el barco y
en su mercancía.
Los dispositivos de almacenamiento incluidos en el diseño posibilitarán una gran velocidad de
procesado y un almacenamiento inteligente de los eventos significativos producidos durante
un transporte. De este modo, la información final, convenientemente procesada y ordenada
en memorias extraíbles y portables, estará organizada en pilas que contendrán las condiciones
de los distintos canales de información anterior y posteriormente al instante en que se
produce un evento crítico.
Las interfaces con las que hemos equipado a nuestro sistema permiten alcanzar cotas de
conectividad máximas. En este modo, tenemos la opción de elegir una gran variedad de
protocolos y dispositivos de comunicación, tanto inalámbricos como con cables, entre el
sistema y el exterior. Las interfaces radio de corto alcance basadas en tecnología Bluetooth y
LPR permitirán la conexión del usuario, presente en el transporte marítimo, con el sistema
desde un puesto de control de situación variable, evitando el inconveniente de la conectividad
física.
La interfaz de largo alcance, implementado con un modulo de comunicación GSM con
tecnología GPRS para la transferencia de datos, permitirá la conexión a la red de telefonía
móvil digital, posibilitando un acceso global desde cualquier punto de la geografía mundial.
Esto hará posible la implementación de un sistema telemétrico de seguimiento cliente-servidor
mediante el que será posible, en tiempo real, disponer de los datos de monitorización y
actualizar, configurar y controlar el sistema de forma remota.
Los distintos elementos con los que hemos dotado al sistema, tales como la preinstalación de
circuitos de condicionamiento de señales analógicas de propósito general o las interfaces de
programación y reconfiguración, lo habilitan para tareas distintas a las descritas en las
especificaciones del proyecto, aumentando así las funcionalidades y posibles aplicaciones que
el sistema está capacitado para llevar a cabo, sin necesidad de modificar el hardware del
sistema e, incluso, sin necesidad de acceder físicamente al sistema. Esto garantiza, además, la
realización de tareas de mantenimiento, como la actualización del firmware del
microprocesador, o de personalización del funcionamiento del sistema.
El diseño implementado contiene modos de operación de bajo consumo que, junto al reducido
consumo de potencia del PCB y a la existencia de distintas fuentes de alimentación primarias y
secundarias, otorgan a la aplicación una gran autonomía y flexibilidad que resultan coherentes
con los objetivos del sistema.
[Type the document title] 130
Para concluir, resumiremos en breves palabras la relevancia que la aplicación diseñada
representa. El riesgo cero en el mar no existe, pero gracias al sistema telemétrico de
monitorización y registro del transporte marítimo que hemos desarrollado en este proyecto,
podremos conocer y analizar las situaciones adversas para, en el futuro, disponer de
elementos de juicio y de información fiable que nos permitan prever cuáles serán las
situaciones más favorables para llegar al destino deseado con la mercancía en perfectas
condiciones, obteniendo de esta forma un mayor margen de acción y reacción, y
contribuyendo al aumento de la productividad, la eficiencia y, especialmente, la eficacia, de la
actividad comercial.