Plantilla para la confeccin de informes de laboratorio

UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA

DEPARTAMENTO DE ELECTRNICA

Proyecto de Titulacin

Estado del Arte de Proyecto de TitulacinUnidad repetidora inalmbrica de seales de audio, conexin wifi y carga de dispositivos mviles

Presentado por:Felipe Daz Flores

ROL USM:2421062-6

Profesor gua:Sr. Alejandro Surez Sotomayor

Fecha: 12/10/2014

INTRODUCCIN

Vivimos en una poca especialmente buena para desarrollar productos, sistemas propios, en realidad cualquier clase de idea que uno tenga. El rea de la electrnica no es la excepcin, cada vez se observan ms mdulos accesibles a cualquier persona y cada vez ms completos y verstiles, esto, sumado a la capacidad que se tiene de compartir informacin de todo el mundo gracias al internet, hace que cualquier persona con cierta cantidad de conocimientos y ganas de hacer algo, pueda crear cualquier cosa que se imagine.

TRABAJOS RELACIONADOS

- En el trabajo del Alumno Jorge Williams Guibert [REF 1], propone desarrollar una red de sensores inalmbricos destinado a la industria, de los diversos instrumentos y sensores a sala de control. La importancia de este trabajo en relacin al propio radica en examinar la manera en que se planea adquirir los datos, y que se ocupa para luego transmitirlos.Se utiliza un mdulo XBee de la serie 2 Wire Antenna por la relacin entre su alcance y precio, que segn l, son ideales para el desarrollo de su proyecto, adems de tener un consumo y requiriendo alimentacin mnima, y a la vez permite el transporte confiable de datos entre dispositivos remotos.Luego, para enviar los comandos AT al mdulo XBee, el Alumno utiliza una tarjeta Arduino, especficamente la Arduino modelo UNO. La escoge debido a su bajo costo y porque dispone de salidas de 3.3[V] reguladas, que es la tensin que requiere XBee para trabajar, por lo que se puede energizar directamente la XBee desde la placa Arduino. Adems de ofrecer ventajas en el alambrado y por su fcil programacin.Una de las dificultades durante el desarrollo (del prototipo) fue la incompatibilidad de los pines de conexin del XBee, que tienen una separacin de 2[mm], con las ranuras de los protoboard que son de unos 25[mm], por lo que fue necesario la adquisicin de una tarjeta adaptadora. Otra dificultad, se hizo presente al conectar los pines de comunicacin entre la placa Arduino y el XBee, dado que el primero usa 5[v] en sus pines de entrada/salida y el segundo 3.3[v], por lo que fue necesario otra placa adaptadora para acondicionar la seal.La interfaz grfica para la medicin de sensores en PC, est hecha en Processing, que es un software libre creado por Casey Reas y Ben Fry. El programa est basado en Java, por lo cual hereda todas sus funcionalidades. Est pensado para electrnicos, artistas, diseadores y programadores que quieran expresarse con el lenguaje digital, enfocado por supuesto a las creaciones artsticas visuales o instalaciones multimedia. Al ser un lenguaje en cdigo libre es una herramienta alternativa al software propietario, como photoshop o Illustrator.Finalmente, el autor destaca al final de la experiencia la evolucin de la electrnica que hoy permite implementar este tipo de redes de sensores en el rea industrial de manera sencilla; el potencial de las distintas aplicaciones que tiene esta tecnologa; y el ahorro en licencias para software, dado que los programas necesarios para realizar el proyecto son todos de libre disposicin.

- En el trabajo de Felipe Andrs Serra Almonacid [REF 2], se dispone a crear un afinador digital de guitarra elctrica. Se examina este proyecto, con el fin de verificar que se utiliza para el manejo de seales anlogas en entornos digitales, que es uno de los temas a tratar en el propio trabajo de ttulo, y por supuesto, aprender de su experiencia y dificultades.El escrito plantea la solucin del problema paso a paso partiendo por los diagramas de bloques bsicos y termina desarrollando en detalle los principios enunciados en su primer captulo. Incluye tambin pruebas con software de edicin de audio, una introduccin al filtrado digital y su aplicacin directa a este proyecto, junto con el desarrollo de la parte de hardware explicada paso a paso. Por ltimo, se dedica un captulo a los resultados de la prueba final.Se parte definiendo especficamente que micro-controlador se utilizar para llevar a cabo el trabajo, siendo este el PIC18F2550. Y lo escoge porque estima que sus caractersticas de clock de 48[MHz], 2048 bytes de memoria SRAM y 32KBytes de memoria FLASH son las adecuadas para llevar a cabo su proyecto.Adems, agrega como interfaz de salida un display LCD compatible con este micro-controlador HITACHI HD44780 y comenta como ventaja, que es un display de propsito general, y que se suele encontrar fcilmente en el comercio.Como dificultad, en el transcurso del desarrollo se percata de lo sensible a los trancientes, y a otras fuentes de ruido, que son los conversores Analogo/Digital del PIC18F2550. Adems que la seal de la guitarra es demasiado tenue para dicha entrada, y que esta requiere una diferencia de al menos 2[V] entre el mnimo y mximo de la seal analgica, por lo que es necesaria una etapa de amplificacin previa al conversor, lo que conlleva un nuevo set de dificultades, dado que estos amplificadores operacionales agregan ruido y pueden sufrir de saturacin de la seal, lo que agregara an ms armnicos. En un comienzo se utiliz conversor A/D de 8 bits de resolucin, pero se estim que no era suficiente y se aument a 10 bits de resolucin. Sin embargo, aqu se difiere un poco este proyecto del mo, dado que el afinador requiere muchsima ms precisin para aislar los armnicos correctamente, en cambio en el propio trabajo no es necesaria tanta precisin, si se rescata el hecho de que es posible necesitar de una etapa de amplificacin previa al conversor A/D.Finalmente el autor concluye que si bien el prototipo funciona, no est 100% conforme con la precisin del mismo, y esto se debe en parte a que pudo haber utilizar filtros de mayor orden (para aislar las fundamentales), si el micro-controlador hubiese tenido ms velocidad de procesamiento, adems de los problemas de precisin del conversor A/D (es de 10 bits mximo) del mismo. Por lo que la eleccin del PIC18F2550 no fue necesariamente la mejor.

- En el trabajo de Juan Gerardo Torres Mayorga [REF 3], se dispone a realizar un estudio acabado de un prototipo que le permita realizar mediciones y el control necesario para un estanque de agua potable, de manera inalmbrica. El tema es parecido al primer trabajo mencionado en este informe, pero se quiere tener cierta variedad a la hora de examinar cmo se resolvieron problemas que tengan que ver con comunicacin inalmbrica, los cuales guardan relacin al presente trabajo de ttulo.El Alumno Juan Torres, escoge un mdulo bluetooth llamado Analogblue, y lo elige por su distancia de transmisin, que no abarca mucho en comparacin con otras tecnologas unos 10 a 20 [m], ampliable hasta 100 [m] mediante el uso de antenas, pero que segn los requerimientos de su projecto, dice ser suficiente. Adems, el autor agrega como ventaja, que es una tecnologa perfecta para ser utilizada en el mbito industrial debido a que posee una comunicacin que anula cualquier interferencia, completando as fielmente cualquier transferencia de datos. Y finalmente, destaca sus puntos fuertes: bajo consumo, mnimo costo, gran seguridad, fiabilidad, facilidad de uso, entre otros.Para interactuar con el mdulo bluetooth, elige un micro-controlador PIC18F452, principalmente por sus entradas anlogas, que menciona, son fundamentales para su proyecto, adems de otras caractersticas tcnicas que no vale la pena mencionar en estas instancias.El proyecto de Juan Torres es ms bien un estudio acabado de un prototipo, y por lo mismo no se puede concluir mucho sobre dificultades tcnicas que pudo haber enfrentado, puesto que todo es muy terico, pero l concluye que: El correcto desarrollo de este dispositivo puede crear innumerables soluciones para todo tipo de procesos logrando as aumentar el mercado con productos pequeos pero inmensamente potentes y confiables capaces de transmitir datos inalmbricamente sin mayores limitaciones, lo cual se comparte.

- En un trabajo conjunto realizado en la Universidad Autnoma Indgena de Mxico [REF 4] se dispone a realizar el diseo y construccin de una unidad de control con capacidad de comunicacin en mltiples protocolos, en red inalmbrica y cableada, con la finalidad de desarrollar una unidad de control de procesos poderosa, fcil de utilizar, flexible y bajo costo, a travs de la cual, sea posible el implementar sistemas de control distribuidos inalmbricos y cableados basados en topologas de red avanzadas como estrella, rbol y malla.Para dotar al sistema de un puerto WiFi se utiliz el mdulo WIZ610wi de la empresa coreana Wiznet, este mdulo proporciona un puente entre comunicacin UART a inalmbrica IEEE 802.11 b/g. Este mdulo posee el Stack de TCP/IP implementado en hardware y cuenta con unconector U.FL para conectar una antena externa. Fue necesario hacer un acondicionamiento de seales para este mdulo, puesto que trabaja a 3.3[v], siendo que el mdulo central trabaja a 5[v].Para agregar la interfaz de comunicacin ZigBee, se agrega un mdulo Xbee de Digi, en su modo de trabajo ms simple (modo Transparente), que acta como un transceptor de comunicaciones seriales UART TTL a inalmbricas Zigbee. Est mdulo comparte la entrada UART con el WIZ610wi mencionado anteriormente, y para hacer esto posible el sistema electrnico cuenta con un selector de puerto de comunicacin inalmbrica, el cual es un switch entre uno u otro controlador segn se requiera.Como mdulo central, se utiliza un micro-controlador ATMEGA328. Una de las razones es que provee de las entradas anlogas y digitales que se estimaron convenientes. Otra razn y quizs la ms importante, es que es compatible con el driver de comunicacin. El driver de comunicacin es el segundo componente del sistema de adquisicin de datos, este driver, a su vez est dividido en dos partes, una de ellas opera a bajo nivel y se incluye en el programa del microcontrolador Arduino desarrollado por el usuario como una librera de software, el cual integra un gran nmero de funciones que hacen posible el manejo de la comunicacin a travs de los controladores o mdulos de comunicacin WiFi, Zigbee o Ethernet.

- En el trabajo de Jos Salvador Montesinos Navarro, de Espaa [REF 5], se dispone a realizar el diseo e implementacin de una red inalmbrica de sensores de temperatura y luz capaz de reconfigurarse automticamente al variar la disposicin y/o disponibilidad de los nodos que la componen, adems del monitoreo de estas mediciones mediante aplicacin en Android. Con fines escencialmente didcticos.Utiliza una placa Arduino UNO para los nodos, y adopta esta opcin por contar con una buena relacin entre precio y sus caractersticas tcticas, adems de ser un hardware/software libre (lo que entrega otro grado de libertad al agregar la capacidad de personalizar las placas) con un entorno de desarrollo fcil de usar.ZigBee como protocolo de comunicacin, luego de realizar un cuadro comparativo [ANEXO 1], descartando otras 2 opciones (WIFI y Bluetooth), principalmente por su bajo consumo de energa y su estabilidad. Luego, entre los distintos XBee, que se pueden clasificar en la Serie 1 y la Serie 2 de Xbee, escoge la Serie 2 por poseer un mayor alcance y menor consumo que la Serie1. Caractersticas crticas en una red de sensores inalmbrica.Por ltimo, la aplicacin Android fue una eleccin con el nico fin de dar nfasis al potencial de esta plataforma en el monitoreo de seales, y el mdulo bluetooth (JY-MCU) que utiliza para comunicar el Arduino con un dispositivo Android parece ser arbitrario, ya que no justifica porque lo elige, solamente agrega un link al datasheet del mismo.Las principales dificultades en el proyecto, se debieron por un lado a la eleccin de las tecnologas empleadas, limitaciones de las mismas e incompatibilidad. Por ejemplo.

Debido a las limitaciones de los mdulos XBee no es posible conocer la identidad del nodo padre de una radio configurada como router. Esto hace imposible determinar la ruta seguida por los mensajes enviados por un router en el caso de existir ms de dos posibles caminos hasta el nodo coordinador. Este problema se solvent estableciendo una disposicin fija de los nodos de la red de forma que todos los routers pudieran comunicarse directamente con el coordinador y desplegando los terminales en la periferia de la red. Los terminales s disponen de mecanismos para conocer cul de los routers es su nodo padre, por lo que de esta forma se puede conocer la ruta seguida por todos los mensajes que se transmiten por la red.

Por otro lado, en un principio se pens en utilizar el modelo de placas Arduino Fio, que ofrece la posibilidad de ser reprogramado inalmbricamente mediante una comunicacin ZigBee, lo cual supona una gran ventaja a la hora de aadir prestaciones adicionales a la red. Sin embargo dicha reprogramacin inalmbrica requera necesariamente del uso de mdulos XBee de la serie 1, que nicamente soportan comunicaciones punto a punto. Puesto que el objetivo del proyecto era implementar una red mallada (o mesh) para la que es necesario el uso de mdulos XBee de la serie 2 y siendo del todo imposible cualquier tipo de interactuacin entre ambas series, se opt por renunciar a la reprogramacin inalmbrica y descartar las placas Arduino Fio en favor de las Uno.

COMENTARIOS

Finalmente, luego de ver todos estos trabajos, y varios otros que finalmente no fueron muy relevantes para el desarrollo del propio proyecto, y que por lo tanto no fueron mencionados en el presente informe, vale la pena mencionar que en realidad no se encontraron trabajos que utilicen Raspberry Pi como alternativa seleccionada de solucin, probablemente debido a lo nuevo que es este elemento (Tiene poco ms de 1 o 2 aos desde que se ha vuelto masivo), lo que lo hace atractivo como alternativa de solucin.

TECNOLOGAS

Micro-controladores.En cuanto a micro-controladores, tenemos la conocida lnea PIC de la marca Microchip. Existe una gran cantidad de PICs distintos, con una amplia gama de funciones, por ejemplo la familia PIC32MX5XX/6XX/7XX es por lo visto de las ms completas, siendo sus caractersticas que ms interesan las siguientes:

Soporta comunicacin: I2C, SPI, CAN, UART, USB, ETHERNET.

85 Input/Output PINs, 16 A/D channels. Max speed 80 [MHz]. Tensin de operacin 2.3 a 3.6 [V]

Desde la perspectiva de este proyecto, lo ms destacable son los distintos tipos de comunicacin que estos micro-controladores soportan, junto con la gran cantidad de puertos de entrada y salida analgica y digital. Adems, son ideales en trminos de potencia, puesto que el consumo de estos es del orden de los [mW] [REF 6].

Microchip ofrece no solamente sus micro-controladores sueltos, sino que tambin con varios kits de desarrollo, destinados a distintas funciones, para desarrollar por ejemplo proyectos wifi, Ethernet, Mdulos display, etctera. Estos kits traen lo necesario para llevar a cabo ciertas experiencias bsicas, junto con los elementos electrnicos necesarios, previamente soldados en sus respectivos PCB, lo cual puede llegar a ser un gran ahorro de tiempo, y obtenerse un resultado un poco ms profesional frente a la alternativa de ocupar protoboards. Adems, microchip dispone en su pgina oficial una cantidad importante de material instructivo para ayudar al desarrollo usando sus productos.

Finalmente, vale la pena mencionar que microchip no es la nica marca que fabrica esta clase de micro-controladores. La competencia ms directa es probablemente Atmel, quien provee de productos de similares caractersticas a los nombrados anteriormente [REF 7].

Arduino.Arduino es una marca italiana de plataformas electrnicas tipo open source bastante conocida y popular. La diferencia con los micro-controladores, es que estas son placas ms elaboradas, que constan de un micro-controlador programable como ncleo. Esta es una gran ventaja ya que vienen con protecciones, reguladores de tensin, pineras para fcil acceso a todas las entradas del micro-controlador, etctera.Pero eso no es todo, otra ventaja importante de estas placas, es que los mismos fabricantes proveen de distintos shields, que no son ms que placas extensoras que agregan distintas funcionalidades al Arduino. Existe una gran variedad de shields para prcticamente todo lo que a uno se le pueda ocurrir [REF 8], WiFi, Ethernet, Bluetooth, GSM, SD cards, pantallas LCD, en fin, una gran variedad y dado que son todos del mismo fabricante, dan cierto grado de confiabilidad y garanta de las cosas funcionarn bien.Uno de los ltimos modelos de la familia Arduino (Arduino Yn) resulta ser bastante interesante en trminos de los requerimientos del proyecto, dadas sus caractersticas: Fig.2. Modelo Arduino Yn.

Incluye soporte para Linux basado en OpenWrt llamado OpenWrt-Yun gracias al procesador Atheros9331 que tiene incorporado. Adems, la tarjeta incluye soporte para Ethernet, Wifi, un puerto USB-A, un slot para tarjeta micro-SD, 20 entradas/salidas digitales y 12 canales digitales.

Otra cosa que vale la pena destacar, es la cantidad de soporte y tutoriales disponible en internet, pero no solo de blogs aficionados, sino que disponible gratis y de fcil acceso en la pgina oficial de Arduino (www.arduino.cc seccin Learning), en donde se encuentran bien definidas las funciones de las distintas libreras para la programacin, y ejemplos funcionales, todo bien documentado.

Mdulos de comunicacin.Existen distintos medios para transmitir datos de forma inalmbrica, y por lo mismo, existen distintos mdulos que se pueden utilizar. Por ejemplo:

Radio Frecuencia (RF).

En la figura 3 se aprecia un mdulo transmisor y receptor de radiofrecuencia. Esta trabaja a 433[MHz], el tipo de modulacin es ASK (Amplitude Shift Keying) y es apta desde los 40 metros en interiores y hasta 100 metros en exterior, con alimentacin de 3 a 12[V] de tensin.

Bluetooth.

En la figura 4, el mdulo RN42-XV con Antena PCB posee las siguientes caractersticas. Velocidad de transmisin de hasta 3Mbps a distancias de hasta 20 metros; bajo consumo, de 26[uA] en modo Sleep, 3[mA] conectado y 30[mA] transmitiendo; Interfaces de conexin de datos UART (SPP o HCI) y USB (HCI solamente).

WiFi.En la figura 5 se ve Wibee, el cual lleva este nombre dado que es un mdulo WiFi, pero montado en un PCB tal que mantenga el formato de las conocidas tarjetas XBee. Operacin a 3.3[V] de tensin; Velocidad de datos de 11, 5.5, 2, 1 Mbps (IEEE 802.11b); Usa la bande de 2.4 2.497 [GHz]; Protocolos de la red: UDP, TCP/IP (IPv4), DHCP, ARP, DNS; Protocolo de seguridad: WEP, WPA/WPA2PSK; Interfaz de comunicacin UART.

ZigBee.

Existe la serie 1 y serie 2 de Xbee, siendo la principal diferencia que la serie 2 permite crear redes mesh complejas usando el firmware mesh de ZigBee [REF 9]. En la figura 6 se puede apreciar el XBee Serie 2 con antena PCB, el cual trabaja a 3.3[V] a 40[mA], su taza de transmisin es de 250 kbps, tiene un alcance de hasta 120 metros, 6 canales ADC de 10 bits de resolucin y 8 Entradas/Salidas digitales.

Raspberry Pi.

El Raspberry Pi es lo ltimo en electrnica para el desarrollo tipo DIY (do it yourself), es literalmente una computadora del tamao de una tarjeta de crdito. Consta de un sistema operativo basado en Linux, y puede hacer prcticamente todo lo que se puede hacer con una computadora tradicional, desde navegar por internet, ver videos en alta calidad, ejecucin de programas tipo Word, juegos, etctera. Pero eso no es todo, tambin tiene la capacidad de interactuar con el entorno de manera sencilla, mediante la ejecucin de scripts programados en Python y su GPIO (General Purpose Input Output) que son un conjuntos de pines, el cual consta de varias entradas y salidas digitales, no consta de canales analgicos lo cual puede ser una desventaja. Adems, tiene fcil acceso a WiFi y comunicacin UART mediante la GPIO, por lo que es una buena opcin a la hora de realizar proyectos ms complejos.

Se consideran hasta el momento, las siguientes configuraciones para el desarrollo del proyecto haciendo uso de los componentes recin mencionados: Raspberry Pi como centro neurlgico (parte transmisora del sistema), comunicacin con mdulos receptores mediante mdulo wifi/bluetooth/ZigBee/RF, puede que sea necesario conectar directamente con un Arduino o micro-controlador por ejemplo si fuese necesario agregar capacidad para interactuar con canales analgicos, dado que Raspberry Pi carece de este de estos, y usar un conversor de los convencionales utilizara muchos, sino todos los pines de Entrada/Salida digital del GPIO, aunque tampoco se descarta esa posibilidad. Los mdulos receptores pueden ser construidos empleando un micro-controlador, Arduino, o si fuera necesario una combinacin de ambos como cerebro para soportar: La comunicacin inalmbrica, el control del canal analgico para salida de audio y una clase de perifrico visual, posiblemente un display monocromtico para desplegar mensajes. Se piensa en primera instancia utilizar Raspberry Pi como componente principal de la parte transmisora, pero no se descarta la opcin de que este mdulo pueda ser construido utilizando un nico micro-controlador, Arduino, o una combinacin de ambos. No obstante, la gran ventaja de Raspberry Pi, es que se puede conectar a cualquier monitor, un teclado, un mouse fcilmente, plug and play, para hacer una verdadera estacin con una interfaz de usuario muchsimo ms completa y amigable para el usuario de lo que se podra hacer sin Raspberry. Topologas de red, se considera, dada las caractersticas del proyecto que consta de un transmisor que trabaja como una especia de maestro sobre los dems mdulos receptores, y que un transmisor puede ocuparse de varios receptores a la vez, probablemente la ms apropiada sera una configuracin tipo estrella. No obstante, es posible que se necesite una configuracin tipo Estrella, rbol, o incluso una Mesh a medida que el proyecto avanza y se tienen ms detalles.

REFERENCIAS

1. MONITOREO DE VARIABLES INDUSTRIALES USANDO COMUNICACIN INALAMBRICA INDUSTRIALZIGBEE. Trabajo de ttulo UTFSM. Autor: Jorge Williams Guibert.

2. AFINADOR DE GUITARRA ELCTRICA BASADO EN MICROCONTROLADOR PIC. Trabajo de ttulo UTFSM. Autor: Andrs Serra Almonacid.

3. DISPOSITIVO DE ENVO DE DATOS DE CONTROL MEDIANTE COMUNICACIN INALMBRICA BLUETOOTH. Trabajo de ttulo UTFSM. Autor: Juan Gerardo Torres Mayorga.

4. http://revistas.unam.mx/index.php/rxm/article/viewFile/48224/43556 SISTEMA DE CONTROL INALMBRICO: DISEO, CONSTRUCCIN Y APLICACIN EN CALDERA INDUSTRIAL. Gerardo Czarez - Ayala; Jess Sallas - Armenta; Hugo Castillo - Meza; Antonio Rodrguez - Beltrn; Scrates Lugo Zavala y Miguel Ramrez Montenegro.

5. http://repositorio.bib.upct.es:8080/dspace/bitstream/10317/3678/1/tfg176.pdf RED DE SENSORES AUTO-CONFIGURABLE MEDIANTE TECNOLOGAS ZIGBEE Y ARDUINO CON MONITORIZACIN POR APLICACIN ANDROID. Proyecto fin de carrera en ETSIT, Espaa. Autor: Felipe Garca Snchez.

6. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/61156H.pdf --- Hoja de datos Familia PIC32MX5XX/6XX/7XX.

7. http://www.atmel.com/products/microcontrollers/default.aspx --- Pgina official de los productos Atmel, microcontroladores.

8. http://arduino.cc/en/Main/Products --- Productos Arduino, pgina oficial.

9. http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1109&product__name=XBee_2mW_PCB_Antenna_Series_2_%28ZigBee_Mesh%29 .

ANEXOS

1. Cuadro comparativo tecnologas inalmbricas.

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