artículo tecnico - listo - 17-12-2013
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Diseo e implementacin de un prototipo de un sistema de monitoreo
y bloqueo de motor de vehculos va mensajes de texto usando las
redes de telefona celular GSM existentes en el pas
Chilig Quillupangui Richard Javier, Malla Mora Freddy Oswaldo, Gonzlez G. Fabio
Tecnologa en Electrnica y Telecomunicaciones, Escuela Politcnica Nacional
Quito, Ecuador
Resumen: El desarrollo de este proyecto tiene como
objetivo implementar un dispositivo de bajo costo para
proteger un vehculo, utilizando la telefona celular como
medio de comunicacin entre el dispositivo y el usuario a
travs de un modem instalado en el interior del vehculo,
el cual, en conjunto con un microcontrolador, se encarga
de recibir comandos que permiten bloquear el automvil
y reportar al usuario, mediante mensajera instantnea,
tanto el estado del dispositivo como tambin diversas
condiciones de alarma en el vehculo. El sistema realiza
un monitoreo constante del vehculo e informa
inmediatamente al usuario de cualquier anomala que
detecte, utilizando para ello dos nmeros telefnicos
programados en el microcontrolador. El usuario tendr
la opcin de bloquear o desbloquear el automvil con
mensajes de texto configurados previamente en el
microcontrolador. Adems, en caso de sufrir un asalto y
robo del vehculo, tiene la opcin de bloquear el
automvil desde cualquier celular, siempre y cuando se
encuentre dentro del rea de cobertura de la operadora
celular que se est utilizando.
INTRODUCCIN
Aprovechando las ventajas que brinda la telefona celular,
en particular la mensajera instantnea, se realiz el
diseo e implementacin de un prototipo de sistema de
seguridad de bajo costo para vehculos.
El sistema tiene la capacidad de monitorear
constantemente, e informar a grandes distancias, si
alguien extrao ingresa al vehculo, utilizando para ello
un mensaje de texto al nmero celular del usuario que
debe ser previamente almacenado en la primera localidad
de memoria de la tarjeta SIM del mdulo GSM. Adems
en caso de sufrir un asalto, el sistema brinda al usuario la
opcin de bloquear el automvil desde cualquier celular,
sin importar la distancia a la que este se encuentre, dentro
del rea de cobertura de la operadora celular que se utilice
en el sistema.
1. RED CELULAR GSM [5]
A. Introduccin al estndar GSM.
La red GSM (Sistema global de comunicaciones mviles)
es, a comienzos del siglo XXI, el estndar para
comunicaciones mviles ms usado en Europa. Se
denomina estndar "de segunda generacin" (2G) porque,
a diferencia de la primera generacin de telfonos
porttiles, las comunicaciones se producen de un modo
completamente digital. En 1982, cuando fue
estandarizado por primera vez, fue denominado "Groupe
Spcial Mobile" y en 1991 se convirti en un estndar
internacional llamado "Sistema Global de
Comunicaciones Mviles". En Europa, el estndar GSM
usa las bandas de frecuencia de 900MHz y 1800 MHz.
Sin embargo, en los Estados Unidos se usa la banda de
frecuencia de 1900 MHz. Por esa razn, los telfonos
porttiles que funcionan tanto en Europa como en los
Estados Unidos se llaman tribanda y aquellos que
funcionan solo en Europa se denominan bibanda. El
estndar GSM permite un rendimiento mximo de 9,6
kbps, que permite transmisiones de voz y de datos
digitales de bajo volumen, por ejemplo, mensajes de texto
(SMS, Servicio de mensajes cortos) o mensajes
multimedia (MMS, Servicio de mensajes multimedia).
B. El concepto de red celular
Las redes de telefona mvil se basan en el
concepto de celdas, es decir zonas hexagonales que se
superponen para cubrir un rea geogrfica.
Figura 1. Representacin de una red celular
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Las redes celulares se basan en el uso de un transmisor-
receptor central en cada celda, denominado "estacin
base" (o Estacin base transceptora, BTS).
Cuanto menor sea el radio de una celda, mayor ser el
ancho de banda disponible. Por lo tanto, en zonas urbanas
muy pobladas, hay celdas con un radio de unos cientos de
metros mientras que en zonas rurales hay celdas enormes
de hasta 30 kilmetros que proporcionan cobertura.
En una red celular, cada celda est rodeada por 6 celdas
contiguas (por esto las celdas generalmente se dibujan
como un hexgono). Para evitar interferencia, las celdas
adyacentes no pueden usar la misma frecuencia. En la
prctica, dos celdas que usan el mismo rango de
frecuencia deben estar separadas por una distancia
equivalente a dos o tres veces el dimetro de la celda.
C. Arquitectura de la red GSM
En una red GSM, la terminal del usuario se llama estacin
mvil. Una estacin mvil est constituida por una tarjeta
SIM (Mdulo de identificacin de abonado), que permite
identificar de manera nica al usuario y a la terminal
mvil, o sea, al dispositivo del usuario (normalmente un
telfono porttil).
Las terminales (dispositivos) se identifican por medio de
un nmero nico de identificacin de 15 dgitos
denominado IMEI (Identificador internacional de equipos
mviles). Cada tarjeta SIM posee un nmero de
identificacin nico (y secreto) denominado IMSI
(Identificador internacional de abonados mviles). Este
cdigo se puede proteger con una clave de 4 dgitos
llamada cdigo PIN.
Por lo tanto, la tarjeta SIM permite identificar a cada
usuario independientemente de la terminal utilizada
durante la comunicacin con la estacin base. Las
comunicaciones entre una estacin mvil y una estacin
base se producen a travs de un vnculo de radio, por lo
general denominado interfaz de aire (o en raras ocasiones,
interfaz Um).
Figura 2. Arquitectura de la red GSM
Todas las estaciones base de una red celular estn
conectadas a un controlador de estaciones base (o BSC),
que administra la distribucin de los recursos. El sistema
compuesto del controlador de estaciones base y sus
estaciones base conectadas es el Subsistema de estaciones
base (o BSS).
Por ltimo, los controladores de estaciones base estn
fsicamente conectados al Centro de conmutacin mvil
(MSC) que los conecta con la red de telefona pblica y
con Internet; lo administra el operador de la red
telefnica. El MSC pertenece a un Subsistema de
conmutacin de red (NSS) que gestiona las identidades de
los usuarios, su ubicacin y el establecimiento de
comunicaciones con otros usuarios.
Generalmente, el MSC se conecta a bases de datos que
proporcionan funciones adicionales:
El Registro de ubicacin de origen (HLR): es una
base de datos que contiene informacin (posicin
geogrfica, informacin administrativa, etc.) de
los abonados registrados dentro de la zona del
conmutador (MSC).
El Registro de ubicacin de visitante (VLR): es
una base de datos que contiene informacin de
usuarios que no son abonados locales. El VLR
recupera los datos de un usuario nuevo del HLR
de la zona de abonado del usuario. Los datos se
conservan mientras el usuario est dentro de la
zona y se eliminan en cuanto abandona la zona o
despus de un perodo de inactividad prolongado
(terminal apagada).
El Registro de identificacin del equipo (EIR): es
una base de datos que contiene la lista de
terminales mviles.
El Centro de autenticacin (AUC): verifica las
identidades de los usuarios.
La red celular compuesta de esta manera est diseada
para admitir movilidad a travs de la gestin de traspasos
(movimientos que se realizan de una celda a otra).
Finalmente, las redes GSM admiten el concepto de
roaming: el movimiento desde la red de un operador a
otra.
D. Tarjeta SIM
Una tarjeta SIM contiene la siguiente informacin:
El nmero telefnico del abonado (MSISDN).
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El nmero internacional de abonado (IMSI, Identificacin internacional de abonados
mviles).
El estado de la tarjeta SIM.
El cdigo de servicio (operador).
La clave de autenticacin.
El PIN (Cdigo de identificacin personal).
El PUK (Cdigo personal de desbloqueo).
2. MICROCONTROLADOR [6]
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta
escala de integracin que incorpora la mayor parte de los
elementos que configuran un computador.
Un microcontrolador dispone normalmente de los
siguientes componentes: Procesador o UCP (Unidad
Central de Proceso). Memoria RAM para Contener los
datos. Memoria para el programa tipo
ROM/PROM/EPROM. Lneas de E/S para comunicarse
con el exterior. Diversos mdulos para el control de
perifricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo,
CAD: Conversores Analgico/Digital, CDA: Conversores
Digital/Analgico, etc.). Generador de impulsos de reloj
que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Los
productos que para su regulacin incorporan un
microcontrolador disponen de las siguientes ventajas:
Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un
determinado elemento representa una mejora considerable
en el mismo. Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el
microcontrolador por un elevado nmero de elementos
disminuye el riesgo de averas y se precisan menos
ajustes. Reduccin del tamao en el producto acabado: La
integracin del microcontrolador en un chip disminuye el
volumen, la mano de obra y los stocks. Mayor
flexibilidad: las caractersticas de control estn
programadas por lo que su modificacin slo necesita
cambios en el programa de instrucciones. El
microcontrolador es en definitiva un circuito integrado
que incluye todos los componentes de un computador.
Debido a su reducido tamao es posible montar el
controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En
este caso el controlador recibe el nombre de controlador
empotrado (embedded controller).
Aunque inicialmente todos los microcontroladores
adoptaron la arquitectura clsica de Von Neumann, en el
momento presente se impone la arquitectura Harvard. La
arquitectura de Von Neumann se caracteriza por disponer
de una sola memoria principal donde se almacenan datos
e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se
accede a travs de un sistema de buses nico (direcciones,
datos y control). La arquitectura Harvard dispone de dos
memorias independientes una, que contiene slo
instrucciones y otra, slo datos. Ambas disponen de sus
respectivos sistemas de buses de acceso y es posible
realizar operaciones de acceso (lectura o escritura)
simultneamente en ambas memorias.
Figura 3. Arquitectura Bsica del microcontrolador
3. DISEO E IMPLEMENTACIN
A. Revisin de comandos AT [2]
Los comandos AT (attention) son instrucciones
codificadas que conforman un lenguaje de comunicacin
entre el ser humano y un terminal modem, los cuales son
adaptados por la telefona mvil GSM. [1]
A continuacin, en la tabla 1, se detalla los comandos ms
utilizados para controlar los mdems GSM/GPRS:
Tabla 1. Comandos AT
COMANDOS GENERALES
AT+CGMI Identificacin del fabricante
AT+CGSN Obtener nmero de serie
AT+CIMI Obtener el IMSI
AT+CMGS nmero de telfono
AT+CPAS Leer estado del modem
COMANDOS DEL SERVICIO DE RED
AT+CSQ Obtener calidad de la seal
AT+COPS Seleccin de un operador
AT+CREG Registrarse en una red
AT+WOPN Leer nombre del operador
COMANDOS DE SEGURIDAD
AT+CPIN Introducir el PIN
AT+CPINC
Obtener el nmero de reintentos que
quedan
AT+CPWD Cambiar password
COMANDOS PARA LA AGENDA DE
TELFONOS
AT+CPBR Leer todas las entradas
AT+CPBF Encontrar una entrada
AT+CPBW Almacenar una entrada
AT+CPBS Buscar una entrada
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COMANDOS PARA SMS
AT+CPMS
Seleccionar lugar de almacenamiento de
los SMS
AT+CMGF Seleccionar formato de los mensajes SMS
AT+CMGR Leer un mensaje SMS almacenado
AT+CMGL Listar los mensajes almacenados
AT+CMGS Enviar mensaje SMS
AT+CMGW Almacenar mensaje en memoria
AT+CMSS Enviar mensaje almacenado
AT+CSCA Establecer el centro de mensajes a usar
AT+
WMSC Modificar el estado de un mensaje
B. Diseo lgico del circuito
El diseo lgico del circuito se lo realiz en la
plataforma Proteus-Isis, la cual es un programa en el que
se puede realizar el diseo de circuitos electrnicos, este
programa consta de componentes muy variados, desde
una simple resistencia hasta microcontroladores muy
complejos, incluyendo fuentes de alimentacin,
generadores de seales y muchas otras prestaciones. Los
diseos realizados en ISIS pueden ser simulados en
tiempo real. [3]
C. Seleccin de materiales
Tabla 2. Elementos Usados en el Circuito
DESCRIPCIN CANTIDAD
AVR 164P 1
Baquelita 1
Caja plstica 1
Borneras 5
Capacitor de 100uf 2
Funda de cido 3
Cristal 20 MHz 1
Display LCD 2X16 1
Diodos 7
Resistencias 25
Capacitores cermicos 5
Capacitores
electrolticos 10
Estao por metros 15
Pasta para soldar 1
Cautn 40 W 1
Multmetro digital 1
Transistores 5
Mdulo GSM M12Z111 1
Sensor de botn 4
Integrado 7805 1
Integrador 7809 2
Sirena 1
LED 5
Rel 3
D. Seleccin de plataforma para la programacin
Se ha seleccionado el compilador Bascom AVR ya que
este tiene un gran parecido a la programacin en Visual
Basic. A continuacin se nombra algunas de sus
caractersticas ms destacadas:
Lenguaje BASIC Estructurado con etiquetas.
Programacin estructurada con los comandos:
"IF-THEN-ELSE-END IF", "DO-LOOP",
"WHILE-WEND", "SELECT-CASE".
Los nombres de las variables y las etiquetas
pueden tener hasta 32 caracteres.
Soporta el uso de variables: Bit, Byte, Integer,
Word, Long, Single, Double y String.
Totalmente compatible con Microsoft Visual
BASIC/Quick BASIC.
Emulador de terminal y gestor de descargas
integrado.
Simulador integrado. [4]
E. Desarrollo de diagramas de flujo
El desarrollo de diagramas de flujo est basado
principalmente en la lgica de los procesos de la
utilizacin del automvil por un usuario comn y a los
sucesos que se pueden ocasionar por personas mal
intencionadas, como son los asaltos con el vehculo en
movimiento o robos comunes de vehculos estacionados.
F. Programacin del microcontrolador
En la figura 4 se muestra la estructura bsica del
programa desarrollado para el microcontrolador.
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Figura 4. Estructura del programa en Bascom AVR
G. Simulaciones
Las simulaciones, tanto del circuito electrnico
como de la programacin, fueron realizadas en sus
respectivos programas de desarrollo como son Proteus-
ISIS y Bascom AVR respectivamente
H. Construccin de placa electrnica.
A continuacin se muestran imgenes del proceso de
construccin de la placa electrnica:
En la figura 5 se muestra el diseo de la placa de circuito
impreso.
Figura 5. Diseo de la placa elaborado en Eagle.
Las figuras 6 y 7 muestran las placas una vez realizadas
en baquelita.
Figura 6. Placa del display usado para verificar actividad
del sistema.
Figura 7. Placa realizada en baquelita
En la figura 8 podemos apreciar las placas del sistema
con todos sus elementos, despus del proceso de
soldadura.
Figura 8. Placa con elementos
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I. Pruebas y resultados
En la figura 9 se muestra el proceso de encendido del
sistema, este proceso inicia apenas se energiza el sistema.
Figura 9. Encendido del sistema
Como se observa en la figura 10 el microcontrolador
muestra el mensaje que las configuraciones, como
velocidad de transmisin, puertos de entrada, velocidad
de salida y velocidad de oscilacin, estn siendo
guardadas.
Figura 10. Guardando configuraciones del sistema
Una vez configurada la comunicacin entre el mdulo
GSM y el microcontrolador, as como tambin el envo y
recepcin de mensajes de texto en el mdulo GSM, el
microcontrolador ingresa al programa principal que es el
que se va a ejecutar constantemente.
Para activar el sistema se debe enviar dos veces,
mediante mensajes de texto, la palabra Activar como se muestra en la figura 11.
Figura 11. Envo de mensaje de texto de activacin del
sistema
Una vez que el mdulo GSM recibe los mensajes de texto
con la palabra Activar transmite inmediatamente los comandos AT generados por esta palabra al
microcontrolador para que este proceda a activar el
sistema y genere el mensaje de confirmacin que se
muestra en la figura 12.
Figura 12. Mensaje de Alarma activada
Cuando el sistema se activa y entra en funcionamiento da
instrucciones al mdulo GSM de tal forma que este
genere y enve un mensaje de texto al celular del usuario
con la frase Alarma Activada como se muestra en la figura 13.
Figura 13. Respuesta del mdulo GSM de Alarma activada
Para desactivar el sistema basta con enviar un mensaje de
texto al nmero celular que contiene el mdulo GSM con
la palabra Desactivar como se muestra en la figura 14.
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Figura 14. Envo de mensaje de texto para desactivar el
sistema
Cuando la alarma se desactiva usando cualquiera de los
dos mtodos, ya sea con el envo del mensaje de texto con
la palabra Desactivar como se muestra en la figura 14 o pulsando el botn de desactivacin como se muestra en la
figura 15, el sistema muestra en el display el mensaje de
Alarma desactivada como se ve en la figura 16, as como tambin genera y enva el mensaje de texto al
usuario con la frase Alarma Desactivada.
Figura 15. Pulsadores de pnico y desactivacin de
alarma.
Figura 16. Mensaje de Alarma desactivada
Si el proceso de desactivacin del sistema no se realiz de
forma correcta el sistema muestra el mensaje de Robo en Ejecucin en el display como se ve en la figura 17, as como tambin genera y enva al usuario el mensaje de
texto con la frase Peligro Robo en Ejecucin.
Figura 17. Mensaje de Robo en ejecucin
En caso de que se ejecute un asalto y el delincuente se
lleve completamente el vehculo encendido, el sistema
ofrece la opcin de bloquear la bomba de combustible, de
esta manera se deshabilita el motor. Para llevar a cabo
este proceso basta con enviar la palabra Bloquear mediante mensaje de texto.
Cuando el sistema recibe el mensaje de texto Bloquear este reacciona bloqueando el vehculo y mostrando el
mensaje Auto Bloqueado mediante el display, as como tambin genera y enva un mensaje de texto al usuario
con la frase Auto Bloqueado.
Para desbloquear el vehculo se debe repetir el proceso de
activacin del sistema, es decir para desbloquear el
vehculo se debe enviar un mensaje de texto con la
palabra Activar.
Este sistema tambin ofrece la posiblidad de generar una
alarma de pnico silenciosa. Para generar dicha alarma se
debe presionar un botn de pnico previamente intalado
en un lugar estratgico, como se ve en la figura 15, el cual
genera y enva un mensaje de texto a dos nmeros que se
encuentran almacenados en la tarjeta SIM en la segunda y
tercera localidad de memoria.
4. CONCLUSIONES
El mdulo GSM puede ser usado en aplicaciones segn
los requerimientos que tenga el usuario, es una alternativa
para generar servicios por medio de mensajes de texto.
Se descart la posibilidad de realizar el bloqueo del motor
por medio del sistema de encendido ya que la bobina
maneja una gran cantidad de voltaje.
Se dise e implement un sistema de seguridad para
vehculos que ofrece novedosas prestaciones gracias a la
telefona celular y a la tecnologa GSM.
Se eligi la opcin de realizar el bloqueo del vehculo por
medio de causar una falla en el sistema de combustible,
por ser ms prctica su implementacin y de menor riesgo
para la unidad de control electrnico.
El sistema puede ser instalado en cualquier tipo de
vehculo con la condicin de que posea una bomba de
combustible elctrica para poder bloquear el motor.
El sistema de seguridad se mantiene alimentado de la
batera del vehculo ya que su voltaje nominal ser 12V,
en caso de que esta sufra un desperfecto o se desconecte
el sistema de seguridad quedar inhabilitado.
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5. REFERENCIAS
[1] U. P. Salesias, comando at, ups, 07 10 2009. [En lnea].
Available:
http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/187/7/Anexo
s.pdf. [ltimo acceso: 20 11 2013].
[2] Nacho_N, Comandos modems GSM/GPRS, pcdemaco,
19 07 2006. [En lnea]. Available:
http://www.pcdemano.com/phpBB2/phpBBToGo/thread.ph
p?topic_id=15344. [ltimo acceso: 20 11 2013].
[3] IDENTI, identi, tus descargas sin limites, 12 03 2011.
[En lnea]. Available:
http://www.identi.li/index.php?topic=188056. [ltimo
acceso: 20 11 2013].
[4] E. AMTEL, waxoo international, Bascom AVR, 2012.
[En lnea]. Available: http://bascom-avr.waxoo.com/.
[ltimo acceso: 21 11 2013].
[5] Kioeskea, www.kioskea.net, 2013. [En lnea]. Available:
http://es.kioskea.net/contents/681-estandar-gsm-sistema-
global-de-comunicaciones-moviles. [ltimo acceso: 09 12
2013].
[6] Galeon, www.galeon.com, 2010. [En lnea]. Available:
http://axnm.galeon.com/. [ltimo acceso: 09 12 2013].
6. BIOGRAFAS
Chilig Quillupangui Richard Javier
Nacido en Machachi en 1987. Realizo
sus estudios primarios en la escuela
fiscal mixta Jos Meja Lequerica,
sus estudios secundarios en el
Instituto Tecnolgico Superior
Aloasi, obteniendo el ttulo de
bachiller tcnico en comercio y
administracin especialidad
informtica.
Sus estudios superiores los realiza en la Escuela
Politcnica Nacional en la Escuela de Formacin de
tecnlogos con especialidad en electrnica y
telecomunicaciones, obteniendo el ttulo de Tecnlogo en
Electrnica y Telecomunicaciones en el ao 2013.
e-Mail: [email protected]
Malla Mora Freddy Oswaldo
Realiz sus estudios primarios en la
Escuela Manuel Mara Snchez, sus estudios secundarios los realiz
en el colegio Experimental
Amazonas, obteniendo el ttulo de bachiller en Fsico Matemtico.
Sus estudios superiores los realiza en
la Escuela Politcnica Nacional en
Quito en la Escuela de Formacin de
Tecnlogos con especialidad en Electrnica y
Telecomunicaciones, obteniendo el ttulo de Tecnlogo
en Electrnica y Telecomunicaciones.
e-Mail: [email protected]
Fabio Gonzlez G.
Obtuvo su ttulo de Ingeniero en
Electrnica y Telecomunicaciones en
la Escuela Politcnica Nacional, en
1.991. Ha realizado estudios de
postgrado en Conectividad y Redes
de Telecomunicaciones, estudios de
especializacin en el rea de
Transmisin Digital y Redes de
Computadoras en Quebec - Canad, en 1.995 y en Redes
Inalmbricas de Sensores en la Universidad de la Suiza
Italiana en Lugano - Suiza, en 2008. Actualmente es
Profesor Principal a Tiempo Completo de la Escuela
Politcnica Nacional.