diseño y prototipo de un sistema electrónico de préstamo

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA FACULTAD DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Diseño y prototipo de un sistema electrónico de préstamo de bicicletas

auto-servicio Proyecto de Grado

Juan Sebastián Castellanos, David Monroy

Asesor: Antonio García Rozo Co-asesor: Mauricio Guerrero Hurtado

Junio de 2010

Resumen: Dentro del marco del Proyecto de Grado de Ingeniería Electrónica, el presente documento describe el diseño e implementación de un prototipo del “Sistema Electrónico de Préstamo de Bicicletas auto-servicio”. El proyecto busca desarrollar un sistema electrónico de préstamo de bicicletas que pueda usarse en conjunto con el sector privado para incentivar el uso de la bicicleta como medio de transporte alternativo. Asimismo busca contribuir a la solución de los problemas de movilidad que se registran actualmente en la ciudad de Bogotá por diversos factores externos. Por este motivo, se utiliza un enfoque innovador que ataca el problema desde las necesidades locales sin buscar adaptar sistemas ya existentes en otros países que puedan no satisfacer todas las necesidades de la población local con un sistema funcional, escalable y ampliable mediante su conexión en red. El proyecto comprende la definición de operación del sistema, su diseño electrónico top-down, la evaluación y selección de tecnologías, la implementación de un prototipo y las pruebas operacionales y funcionales del mismo.

2

Contenidos

I. Introducción....................................................................................................................................... 4

II. Antecedentes ..................................................................................................................................... 5

A. Vélib’ (Paris, France) ....................................................................................................................... 5

B. Funcionalidad posible ..................................................................................................................... 6

III. Descripción del Clilente y Especificaciones Definidas ...................................................................... 8

IV. Principios de Funcionamiento ........................................................................................................ 9

V. Diseño del Sistema ............................................................................................................................. 9

A. Componentes del sistema .............................................................................................................. 9

B. Funcionamiento del sistema ......................................................................................................... 10

C. Arquitectura de Sistema Seleccionada .......................................................................................... 13

VI. Implementación ........................................................................................................................... 14

A. Ambiente de desarrollo ................................................................................................................ 14

B. Fases de la implementación ......................................................................................................... 15

C. Descripción de Algoritmos Implementados................................................................................... 16

1) Kiosco ....................................................................................................................................... 17

2) Parqueadero ............................................................................................................................ 18

3) Servidor .................................................................................................................................... 20

A. Desarrollo del prototipo ............................................................................................................... 26

1) Regulación ................................................................................................................................ 26

2) Microcontrolador ATMEGA16L: Kiosco y Parqueadero.............................................................. 27

3) Parqueadero ............................................................................................................................ 28

4) Kiosco ....................................................................................................................................... 29

B. Simulaciones y Pruebas ................................................................................................................ 34

VII. Análisis de Robustez ..................................................................................................................... 35

A. Comunicación GPRS ..................................................................................................................... 35

3

B. Bloques y presencia de bicicletas .................................................................................................. 36

C. Cortes eléctricos y otros fallos en el servidor ................................................................................ 37

D. Fallos en estaciones Kiosco y Parqueaderos .................................................................................. 37

VIII. Conclusiones y Perspectivas ......................................................................................................... 38

IX. Bibliografía ................................................................................................................................... 39

X. Anexos ............................................................................................................................................. 40

A. Anexos en CD-ROM ...................................................................................................................... 40

1) Código VB6 Programa Servidor ................................................................................................. 40

2) Código C Programa Kiosco ........................................................................................................ 40

3) Código C Programa Parqueadero .............................................................................................. 40

4) Esquemático y PCB Kiosco ........................................................................................................ 40

5) Esquemático y PCB Parqueadero .............................................................................................. 40

6) Documentación microcontrolador Atmega16 ........................................................................... 40

7) Documentación lector RFID Mikroelektronika RFID Reader ....................................................... 40

8) Documentación I2C ................................................................................................................... 40

9) Documentación módem GPRS Sim340z .................................................................................... 40

B. Evaluación y Selección de Tecnologías .......................................................................................... 41

1) Identificación ............................................................................................................................ 41

2) Comunicación servidor-kiosco .................................................................................................. 43

3) Comunicación Kiosco-Parqueaderos ......................................................................................... 45

4) Kiosco ....................................................................................................................................... 47

4

Estación de alquiler de bicicletas

Kiosco de alquiler de bicicletas

Aditamento mecánico de la bicicleta

Servidor central

1 servidor

15 parq /estación

Parqueadero individual de

bicicleta

Figura 1: Módulos del sistema

N estaciones

I. INTRODUCCIÓN

La movilidad se ha convertido en una de las mayores preocupaciones de los centros urbanos a través del

mundo. El amplio uso y la cultura de la bicicleta en países desarrollados han llevado a la implementación

de sistemas de bicicletas en libre servicio que se pueden ver desplegados en ciudades de países como

Francia, Alemania y Canadá, entre otros. Un sistema diseñado para las necesidades locales no ha sido

hasta ahora desarrollado o implementado exitosamente. Con una extensa red de ciclo-rutas, Bogotá es un

escenario idóneo para la implementación de una solución de este tipo.

El documento presenta el

desarrollo de un sistema

electrónico ampliamente

autónomo de préstamo de

bicicletas en libre servicio

para el sector privado en

Bogotá conectado en red lo

que permite expandir su

cobertura. Se realizó un desarrollo electrónico que suple unas funcionalidades mínimas especificadas por

un cliente a la vez que se definieron las necesidades básicas en cuanto a la gestión del sistema y las

conexiones mecánicas para ser desarrollados posteriormente ya que se salen del perímetro del presente

proyecto.

El sistema ha sido avalado por la empresa Mobi bajo su proyecto “Mejor en Bici” que a su vez cuenta

con el respaldo de la Cámara de Comercio de Bogotá y el Instituto de Políticas de Desarrollo del

Transporte.

Se ha seguido una metodología de diseño e implementación basada en el estándar ANSI/EIA 632.

5

II. ANTECEDENTES

Desde hace varias décadas se han desarrollado programas de bicicletas compartidas en libre servicio. La

mayoría de los proyectos pioneros, que datan de los años 60 en Europa, ponían bicicletas estándar a

disposición del público. Sin embargo estos modelos fueron insostenibles debido al robo y daño excesivo

del material.

La implementación de sistemas informáticos y de electrónica embebida en estaciones y bicicletas

permitió desarrollar el primer modelo exitoso de bicicletas en libre servicio a gran escala. Vélo’v, en

funcionamiento desde 2005 en Lyon (Francia), introdujo un sistema informático de control central,

candados controlados electrónicamente, un sistema de comunicaciones entre las estaciones y bicicletas

con auto-diagnóstico electrónico, entre otros.

Hoy se encuentran sistemas similares en varias ciudades en Europa y Norteamérica incluyendo Paris

(Vélib), Montpellier (Vélomagg’), Barcelona (Bicing), Washington (SmartBike DC) y Montreal (BIXI).

A. Vélib’ (Paris, France)

Vélib’ es una de las implementaciones más grandes y exitosas actualmente de un sistema de bicicletas

en libre servicio. Fue puesto en funcionamiento en julio de 2007 y actualmente cuenta con 206001

bicicletas.

El sistema está compuesto por 3 componentes principales:

1. Las bicicletas.

2. Una terminal de interfaz con el usuario.

3. Puestos de sujeción de las bicicletas.

Las bicicletas fueron diseñadas específicamente para el sistema. Tienen 3 cambios, un sistema de

iluminación permanente delantero y trasero potenciado por un generador y un chip RFID para

identificación. Las bicicletas están empotradas en un molde por seguridad.

1 Dossier de presse en Anglais. Vélib’ website. Recuperado el 8 de Diciembre de 2009 de

http://www.velib.paris.fr/content/download/777/5528/version/1/file/Dossier+de+presse+Anglais.pdf

6

La terminal de interfaz con el usuario tiene como principal objetivo la liberación de una bicicleta. Esta

provee sin embargo otras opciones tales como la consulta del saldo del usuario, información acerca del

sistema e incluso permite contactar a una persona de servicio técnico.

Las estaciones utilizan un procesador Pentium M de 1.75GHz, memoria RAM de 1GB y corren el sistema

operativo Windows XP. La comunicación entre estaciones funciona por la red celular GPRS. La terminal

cuenta también con un lector de chips RFID, un lector de tarjetas de crédito y una impresora.

Los puestos de sujeción tienen un sistema electro-mecánico de sujeción y un lector de chips RFID. La

comunicación entre la terminal y los puestos de sujeción se da a través de una red Ethernet directa.

El sistema es manejado por el distrito y se encuentra por lo tanto subvencionado. Tiene sin embargo un

costo para el usuario que aumenta de forma exponencial para beneficiar el uso de la bicicleta para

trayectos cortos y asegurar la rápida rotación de bicicletas. El usuario debe además suscribir un plan el

cual puede ser de larga duración (1 año = 29 EUR) o planes de corta duración (1 día = 1 EUR, 1 semana = 5

EUR). Una vez inscrito en el sistema, el usuario puede obtener una bicicleta por medio de un código

impreso por la terminal de interfaz, o bien mediante una tarjeta de transportes públicos que cuenta con

un chip RFID.

B. Funcionalidad posible

Las posibilidades para un sistema de alquiler como el que se presenta son virtualmente ilimitadas.

Basándonos en la funcionalidad implementada en algunos sistemas e imaginando lo que podría ofrecer

uno muy completo identificamos las siguientes funciones posibles:

Kiosco

Inscripción al sistema

Recarga de cuenta

Consulta de historial

Alquiler de bicicleta

Consulta de información de otras estaciones

Registro/Identificación de bicicletas dañadas.

Generación/Impresión de tarjetas de usuario.

7

Parqueadero de Bicicletas

Alquiler de bicicletas

Recibe los comandos de Inicio/Fin de alquiler.

Sirve de interfaz entre los módulos de Kiosco y Bicicleta comunicando la información transmitida

por el Módulo de Bicicleta.

Genera la señal de liberar/asegurar mecánicamente la bicicleta.

Identificación de bicicletas dañadas.

Servidor Central

Autorización de alquiler

Registro de alquiler

Adición y supresión de bicicletas y usuarios

Registro de devolución de bicicletas

Registro de bicicletas averiadas

Consulta de históricos de uso

Módulo integrado a la bicicleta

Auto-diagnóstico de la bicicleta

◦ Presión de llantas

◦ Piezas faltantes

Llantas

Sillín

Manubrio

Pedales

Cadena

◦ Integridad del marco.

◦ Sistema de iluminación.

Estadísticas de uso

◦ Distancia recorrida

◦ Histórico de usuarios

◦ Histórico de estaciones donde ha estado

◦ Rutas recorridas (con GPS)

8

III. DESCRIPCIÓN DEL CLILENTE Y ESPECIFICACIONES DEFINIDAS

El sistema ha sido diseñado pensando en un cliente directo y un usuario final. El cliente directo se

refiere a empresas de más de 50 empleados que tengan políticas de salud ocupacional que fomenten el

uso de la bicicleta entre sus empleados como medio de transporte y para bienestar de los mismos. Cada

empresa puede tener varias sedes y n número de estaciones en cada sede. Cada estación tendrá 15

parqueaderos con máximo una bicicleta por parqueadero. La empresa ofrecerá a sus empleados el

sistema de préstamo de bicicletas para su uso profesional o personal, de esta forma, los usuarios pueden

pedir una bicicleta para ir a sus casas o desplazarse entre sedes de la empresa, entre otros usos. Los

usuarios tendrán una forma de identificación que indique que hacen parte del sistema para poder hacer

uso de una bicicleta. Antes de un tiempo determinado por el cliente, el usuario deberá devolver la

bicicleta para que ésta pueda ser utilizada por otros usuarios. Las bicicletas serán genéricas y tendrán un

aditamento metálico específico al sistema que se conectará de manera mecánica al parqueadero y

asegurará la bicicleta a este.

Para el producto final se establecieron los siguientes requerimientos mínimos del sistema:

Parqueadero de bicicleta

◦ Comunicación con un kiosco, distancia máx. 15m

Kiosco

◦ Comunicación con 15 parqueaderos de bicicleta, distancia máx. 15m

◦ Comunicación con un servidor, distancia 15 km o más

Servidor

◦ Almacenamiento de estado de bicicletas, alquileres e históricos

◦ Comunicación con múltiples kioscos (10 o más), distancia 15 km o más

9

Identificar usuario

Tomar bicicleta

Usar bicicleta

Devolver bicicleta

Seleccionar bicicleta

¿Bicicleta averiada?

¿Usuario válido?

Fin

No

Si

No

Inicio

Reportarla como dañada

Si

Identificar usuario

IV. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La funcionalidad mínima acordada implica varios pasos.

Una o varias estaciones de bicicletas perteneciente a un

sistema será instalada en el sitio requerido, pudiendo

estar a varios km de otra estación. Esta contará con 15

parqueaderos de bicicleta, donde cada uno puede recibir

una bicicleta. Para el uso de las bicicletas se requiere en

primer lugar un proceso de identificación de un usuario

del sistema. Seguidamente se determina si se trata de un

usuario válido (perteneciente al sistema y sin sanciones

de ningún tipo). Una vez validada esta primera parte,

una bicicleta será automáticamente liberada y el sistema

sabrá a qué usuario le fue prestada. El usuario podrá

usar la bicicleta y contará con un tiempo determinado

para devolverla. Si no es devuelta en ese tiempo, este

incurrirá en una falta y será sancionado. El proceso

visto por un usuario final se muestra en la Figura 2.

Una vez devuelta la bicicleta, el sistema descargará la bicicleta del usuario y el proceso vuelve a su estado

inicial.

V. DISEÑO DEL SISTEMA

El diseño del sistema está descrito en dos partes: una funcional, donde se descomponen las funciones

en módulos y se muestran las interconexiones del sistema; y una dinámica, que describe el

funcionamiento de los bloques.

A. Componentes del sistema

El sistema está compuesto por tres componentes principales que se muestran en la Figura 1: un servidor

central, único para todas las estaciones; kioscos, uno por estación; y parqueaderos de bicicleta, 15 por

estación.

Figura 2: Proceso visto por el usuario final

10

B. Funcionamiento del sistema

El sistema tiene dos tipos principales de usuario: usuario final y administrador del sistema.

La interacción del usuario final con el sistema se

da con cada parqueadero individual de bicicleta.

En él se puede identificar, tomar en préstamo una

bicicleta (una sola a la vez), devolver una bicicleta

y reportar una bicicleta como dañada.

Desde el punto de vista del administrador, este

puede agregar y suprimir usuarios, consultar

estadísticas de usuarios y liberar bicicletas

reportadas como dañadas. Su interacción con el

sistema se da tanto a nivel del servidor como a

nivel de los parqueaderos con un ID maestro,

detallado más adelante.

Todas las decisiones durante el

funcionamiento normal del sistema son

realizadas por el servidor. Cada vez que un

usuario realiza una transacción el

parqueadero utiliza el kiosco para

comunicarse con el servidor, donde se

validan los diferentes parámetros de la

transacción (usuario, transacción, etc.) y se

responde la decisión al parqueadero. Se decidió

este modo de funcionamiento porque uno de los objetivos es que el sistema sea escalable y con varias

estaciones, por lo que la validación central es la más apropiada.

Los procesos en detalle que se ejecutan en el sistema son:

Instalación de nueva estación

Ingreso y supresión de bicicleta

Ingresar nuevo kiosco al servidor

Montaje físico de la estación (sin bicicletas)

¿Comunicación satisfactoria?

No

Si

Inicio

Verificación de comunicación con el kiosco

Proceso validado, parqueaderos de

estación disponibles Fin

Proceso no validado,

estación no integrada al

sistema

Identificar usuario con el ID maestro

Ingresar nueva bicicleta a parqueadero de bicicletas vacío

Inicio

Fin En servidor: si ID maestro,

autorizar devolución aun sin tener asignado un alquiler.

Figura 3: Instalación de una nueva estación

Figura 4: Ingreso de nueva bicicleta

11

Kiosco de préstamo:

o ciclo de préstamo

o ciclo de devolución (incluye

reporte de bicicleta dañada)

o ciclo de bicicleta no tomada

Parqueadero de bicicleta:

o ciclo de préstamo

o ciclo de devolución (incluye

reporte de bicicleta dañada)

o ciclo de bicicleta no tomada

Supresión de reporte de bicicleta

dañada

La Instalación de una nueva estación consiste en el montaje físico de la estación, la adición del kiosco de

las estación al servidor y posteriormente la validación del kiosco y la comunicación con el mismo. Se

puede ver el proceso en la Figura 3.

El ingreso de nuevas

bicicletas y la eliminación de

bicicletas existentes en el

sistema son procesos

independientes del ingreso de

nuevas estaciones. Ambos

hacen uso del ID de usuario

especial mencionado

anteriormente, el ID maestro.

Este ID tiene un tratamiento

especial a nivel del servidor,

con autorizaciones como

poder liberar bicicletas

reportadas como dañadas (que

al ingresar quedan como

buenas), ingresar bicicletas sin

Inicio (Idle)

Recepción ID usuario

¿Hay bicicleta?

No

Si

¿Señal Liberar bicicleta? (de parqueadero)

Liberar bicicleta

No

¿Bicicleta tomada?

Bloquear bicicleta

Si

Si

No

Comunicación ID usuario al kiosco

Comunicación al parqueadero de

bicicleta: Bicicleta no tomada

5 segundos

30 segundos

Inicio

Recepción bicicleta

Comunicación al parqueadero de bicicleta: Señal bicicleta devuelta,

estado bicicleta

Bloqueo de la bicicleta y asignación de parqueadero como ocupado

Identificación usuario

Fin

Figura 6: Parqueadero - ciclo de préstamo

Figura 5: Parqueadero - ciclo de préstamo

12

restricciones (para nuevas

bicicletas) y liberar un número

ilimitado de bicicletas. El proceso

de adición de nueva bicicleta se

detalla en la Figura 4, y el de

supresión corresponde

simplemente a retirarla con el ID

maestro. En este caso este ID no

queda con alquileres asignados en

el servidor.

Entre los procesos más

importantes del sistema

encontramos los ciclos de

préstamo, devolución y bicicleta

no tomada, vistos desde el kiosco.

Las Figura 7, 7 y 9 detallan el

proceso.

Asimismo encontramos los mismos

procesos para el parqueadero de bicicleta,

explicados en la Figura 6 y 8.

El detalle de la implementación de los

algoritmos presentados en esta sección se

presenta en la Sección VI.C. Descripción de

Algoritmos Implementados.

Inicio de comunicación con el servidor

Envío de ID de usuario y ID parqueadero al servidor

Recepción de la respuesta del servidor

¿Usuario válido y parqueadero habilitado?

Recepción ID de usuario desde parqueadero

Mensaje de error a parqueadero

No

Estado Inicial (Idle)

Si

Señal de liberación de bicicleta al parqueadero

Búsqueda de parqueadero de dónde provino la

solicitud

No

Si

¿Hay bicicleta?

Fin

Estado Inicial (Idle)

Recepción señal de devolución por parte del parqueadero

Inicio de comunicación con el servidor

Envío de ID de bicicleta y código de estado de bicicleta

Recepción de señal de bicicleta válida o no válida del servidor (válida si usuario

tenía préstamo registrado)

¿Bicicleta válida?

Envío de señal de liberación al parqueadero

No

Si

Fin

Figura 7: Kiosco - ciclo de préstamo

Figura 8: Kiosco - ciclo de devolución

13

C. Arquitectura de Sistema Seleccionada

Para implementar el prototipo del sistema se realizó una evaluación de tecnologías posibles y se

seleccionaron en función de varios criterios: costo de componente, costos de operación, tamaño y peso,

consumo de potencia, alcance comunicación, velocidad de transmisión, capacidad de procesamiento,

capacidad de almacenamiento, nivel de seguridad, confiabilidad, complejidad de implementación y

funcionalidad final.

En el Anexo X.B. Evaluación y Selección de Tecnologías se presentan las tecnologías consideradas, sus

principales características y la evaluación de las mismas.

Para comunicación de larga distancia se realizó un análisis de costos más detallado para la selección de

tecnologías de larga comunicación. Consultando con expertos, un punto de Ethernet externo incluidas las

obras de ingeniería civil puede tener un costo de 1.5 a 2.5 millones de pesos. Los costos de usar GPRS

serían de aproximadamente 400 000 pesos por año, lo que quiere decir que en el mejor de los casos, un

sistema GPRS puede funcionar durante 4 años por el mismo costo del punto de red. No se justifica

entonces poner un punto de red para la conexión del sistema.

Los resultados de la escogencia de tecnologías se presentan en la Tabla 1: Tecnologías seleccionadas.

Elemento Tecnología seleccionada

Plataforma desarrollo kiosco y parqueaderos

Microcontrolador

Identificación usuario Tag RFID

Comunicación local kiosco - parqueaderos

I2C

Comunicación remota kiosco - servidor

GPRS

Plataforma servidor PC estándar

Tabla 1: Tecnologías seleccionadas

14

VI. IMPLEMENTACIÓN

El sistema descrito está compuesto por las siguientes señales y módulos básicos:

Figura 9: Componentes y señales del sistema

a. Identificación de usuario: RFID

b. Comunicación kiosco-servidor: GPRS

c. Comunicación kiosco-parqueadero: I2C

d. Visualización de parqueadero al usuario final: LEDs

e. Presencia bicicleta

f. Interfaz con servidor central (para Administrador)

A. Ambiente de desarrollo

Una vez efectuada la escogencia de tecnologías, se pasó a la implementación de los algoritmos de

funcionamiento definidos previamente.

15

La implementación de los algoritmos sobre

microcontroladores se hizo bajo el lenguaje C,

utilizando la herramienta MikroC de

Mikroelectrónica. Esto incluyó los algoritmos de

lectura de tarjetas RFID, la comunicación entre

microcontroladores mediante el protocolo I2C y el

envío de información a través el módem GPRS a

través del protocolo TCP-IP: WINSOCK.

En cuanto a la implementación del lado Servidor,

se utilizó el ambiente de programación Visual Basic

6, que permite implementar fácilmente conexiones TCP/IP Winsock e interactuar de manera nativa con

Excel.

Los microcontroladores utilizados fueron los ATMEL Atmega16. El módem GPRS utilizado fue el SIMCOM

Sim340z, y el módulo de lectura RFID utilizado fue el MikroE Easy RFID Reader.

B. Fases de la implementación

El proceso de implementación se realizó de manera modular dividiendo cada módulo en sus sub-

componentes y probándolos por separado.

Para la implementación de los algoritmos en el microcontrolador, se hicieron primero pruebas básicas

de funcionamiento de éste y de sus funciones; UART, puertos I/O, interrupciones, entre otras. Una vez

probadas todas estas funciones por aparte, se procedió a la implementación de los algoritmos. Para

algunos de las funciones se utilizaron ejemplos disponibles en la ayuda del compilador MikroC y en la hoja

de datos del microcontrolador Atmega16 (incluido en anexos).

Se procedió de la misma forma con los otros componentes. Se hicieron pruebas aisladas de la

comunicación I2C utilizando memorias direccionables por este protocolo para la simulación de diferentes

parqueaderos. Se utilizó el bus TWI del microcontrolador y se desarrolló el código en C para elementos

maestros y esclavos.

Figura 10: Interfaz programa servidor en VB6

16

Se desarrolló también un algoritmo para la lectura de las tarjetas RFID, haciendo la decodificación del

código Manchester que es el código utilizado por el lector. Este algoritmo se implemento en el

microcontrolador utilizado en código C y utilizando dos pines que habilitan interrupciones.

Se hicieron pruebas básicas de comunicación a través del módem GPRS. Primero se conectó el módem a

un computador a través del puerto serial de los dos dispositivos y se utilizaron comandos AT para

conectar el módem a la red celular y a internet. Estos comandos fueron luego utilizados dentro de un

programa en C para la implementación en microcontrolador de la comunicación del kiosco con el

servidor. Se utilizó igualmente el puerto UART del microcontrolador para la comunicación entre éste y el

módem.

En cuanto a la plataforma del servidor, inicialmente se probó con el programa “Server” desarrollado por

Simcom que recibe conexiones a través del protocolo TCP-IP: WINSOCK. Posteriormente se desarrolló un

programa en VBA que utiliza el mismo protocolo en el cual se implementaron las funcionalidades

requeridas por la aplicación en cuestión. Recordemos que es el servidor el que contiene la información de

todos los usuarios y el que toma las decisiones del sistema. El programa llena una base de datos en Excel

con toda la información del sistema y le permite al usuario-administrador ejercer sus funciones tales

como el ingreso y eliminación de kioscos y usuarios.

Una vez aprobadas todas las funciones por aparte, se pasó a la conexión y pruebas en bloques más

grandes. En esta parte se comenzaron a desarrollar los algoritmos principales y de control del sistema

como se ve en las figuras 5, 6, 7 y 8. De la misma forma, se realizaron pruebas simulando los fallos y se

modificó la respuesta del sistema hasta que el mismo alcanzó la robustez deseada. Se añadió el sistema

de información al usuario y el sistema de reporte de bicicletas dañadas. Se analizaron los casos de fallo

específicos a la implementación y tecnologías seleccionadas y se propusieron e implementaron soluciones

que se detallan en la Sección VII. Análisis de Robustez.

C. Descripción de Algoritmos Implementados

A continuación se detalla la implementación de los diagramas de flujo presentados en la Sección V.B.

Funcionamiento del sistema con las soluciones tecnológicas escogidas.

17

1) Kiosco

El Kiosco, como se ha descrito anteriormente, actúa como puente entre los parqueaderos (que

gestionan la bicicleta y son el punto de interacción con los usuarios finales) y el servidor (que centraliza la

información y decisiones del sistema). Es una forma de centralizar todas las comunicaciones y disminuir

costos, debido a que se usa un solo módem GPRS (el componente más caro) para 15 parqueaderos.

El Kiosco tiene dos interfaces principales de comunicación: comunicación inalámbrica GPRS con el

servidor (a través del puerto USART del microcontrolador) y comunicación I2C (a través de la

implementación TWI -Two Wire Interface- del microcontrolador) con los 15 parqueaderos que controla.

Lo primero que hace el Kiosco al iniciar es establecer comunicación con el Servidor, para lo que enciende

el módem GPRS con la señal GPRS_Power. Posteriormente se realiza la conexión mediante el envío de

comandos AT de configuración al módem, y se espera la respuesta de conexión o error. Este proceso se

realiza hasta que se realice un enlace satisfactorio con Internet y el Servidor. Con la señal DCD del

módem como trigger de la interrupción externa 1 del microcontrolador, si en cualquier momento se cae

la conexión, se inicia el proceso de re-conexión.

Debido a que el kiosco tiene que operar los 15 parqueaderos de la estación, comunicándose con el

protocolo I2C, se construyó un algoritmo en el que el kiosco recorre los 15 parqueaderos, uno a la vez,

para verificar si el parqueadero tiene una operación por realizar. Para esto se utilizan 6 registros en cada

parqueadero, uno para la transacción y cuatro para identificación del usuario. El 6º registro se utiliza

para escribir la respuesta enviada por el servidor.

Después de la lectura de los 5 registros del parqueadero, se realiza una conversión a una cadena de

bytes (caracteres ANSI) que se envían al servidor con: Código Transacción, ID Usuario, ID Kiosco

(almacenado en el Kiosco) y ID parqueadero (en el Kiosco), de modo que se puedan tratar directamente

en el Servidor.

18

ID Transacción Transacción a realizar

1 Devolución de bicicleta en buen estado

2 Devolución de bicicleta en mal estado

3 Préstamo de bicicleta

4 Retirar bicicleta dañada con ID maestro

5 Caso de error (Parqueadero cerrado sin bicicleta)

6 Pregunta estado de bicicleta al servidor

7 Desbloqueo de caso de error con ID maestro

Tabla 2: Transacciones posibles

El servidor procesa los datos y le envía una respuesta al Kiosco. La respuesta es de transacción Válida o

Inválida, precedida del ID de Kiosco y ID Parqueadero para asegurar la integridad de la información. Esta

información una vez recibida se escribe en el Registro 6 del Parqueadero en cuestión.

Durante la espera de respuesta de datos del servidor se activa un watchdog. Si la respuesta toma más

de 30 segundos se cancela la transacción y se reintenta la misma.

El código con esta implementación se encuentra en el Anexo X.A.2) Código C Programa Kiosco.

2) Parqueadero

El parqueadero es el punto de interacción con el usuario final y con la bicicleta. La Figura 11: Diagrama

estados parqueadero muestra los estados principales del parqueadero.

En la transacción de préstamo (3), cuando el servidor valida la transacción, el usuario tiene 10 segundos

para retirar la bicicleta. En caso de no retirarla se envía la transacción de devolución al servidor y se

bloquea de nuevo la bicicleta.

Adicionalmente existe el estado Error, al que se llega cuando hay bloqueo de la bicicleta y no presencia

de la misma. En este caso se envía al servidor la transacción 5. Si en el servidor no había registro de

bicicleta en dicho parqueadero, se re-habilita para devolución. Si no, se mantiene en error hasta que se

libere con un ID Usuario Maestro.

19

Por otra parte, para salir del estado de indisponibilidad de préstamo (por tener una bicicleta dañada o

un bloqueo sin bicicleta), al pasar un ID de usuario se titila primero el LED Rojo, para mostrar de nuevo la

indisponibilidad, y luego se envía al Servidor la transacción 4 para verificación de ID Maestro.

A nivel de implementación, este diagrama de estados se realiza con el microcontrolador del

parqueadero en modo I2C esclavo. En cada estado en que el parqueadero puede recibir un ID Usuario

para una de las transacciones se activa el módulo RFID, que funciona basado en un código Manchester.

Uno de las salidas de dicho módulo corresponde al reloj y la otra a los datos codificados. Ambas señales

activan interrupciones externas del microcontrolador para realizar la lectura del código.

Una vez se realiza la lectura del ID Usuario, cuando hay una transacción a enviar al servidor se escriben

los 5 primeros registros descritos en la sección anterior, y cuando se recibe la respuesta se escribe cero en

todos los registros para indicar que no hay transacción al kiosco.

Inicio Disponible para devolución.

LEDVerde = 1 LEDRojo = 0

LEDAmarillo = 0 Bloqueo = 0

Envío Transacción 6: Consulta estado bici

Espera respuesta LEDVerde = 0 LEDRojo = 0

LEDAmarillo = titila Bloqueo = 1

Bicicleta presente Bicicleta no presente

Disponible para préstamo.


LEDAmarillo = 0 Bloqueo = 1 No disponible

para préstamo. LEDVerde = 0 LEDRojo = 1

LEDAmarillo = 0 Bloqueo = 1

Rta servidor: Bicicleta NOK

Rta servidor: Bicicleta OK

Envío Transacción 1: Devolución bici OK Espera respuesta



Envío Transacción 2: Devolución bici NOK

Espera respuesta LEDVerde = 0 LEDRojo = 0


IDUsuario Ingresado, Bici OK

IDUsuario Ingresado, Bici NOK

Envío Transacción 3: Solicitud préstamo Espera respuesta



IDUsuario Ingresado

Rta. servidor

Rta. Servidor: usuario inválido

Rta. servidor

Rta. Servidor: Usuario válido

Figura 11: Diagrama estados parqueadero

20

Para determinar si la bicicleta se encuentra en buen o mal estado se utiliza un pulsador que activa una

de las interrupciones externas del microcontrolador para activar la señal de bicicleta dañada. Esta

interrupción solo funciona en el modo de devolución una vez se ha insertado la bicicleta. La señal cuenta

con un temporizador, de modo que si no se identifica el usuario después de 30 segundos de reportarla

como dañada, se desactiva el reporte de daño.

El código de la implementación del Parqueadero se encuentra en el Anexo X.A.3) Código C Programa

Parqueadero.

3) Servidor

En cuanto a la implementación del Servidor, se creó un programa de recepción/envío a través del

protocolo TCP-IP:Winsock. El programa recibe a través del puerto 1337 del computador un arreglo de

bytes que son enviados por el kiosco.

El programa mira que el primer byte enviado corresponda al código de inicio de transmisión y luego se

prosigue con el tratamiento de los datos. En caso positivo, se guarda la cadena de bytes recibidos, un byte

a la vez, en un arreglo de variables que luego son convertidas a variables tipo Long para su utilización

dentro del programa. En caso negativo, puede tratarse de una transmisión incompleta y, hasta que el

programa no vuelva a recibir el byte de inicio, no se procederá con el tratamiento de los datos. Se reciben

entonces 29 bytes que corresponden a:

Descripción Nombre de la variable Tamaño Ubicación

Inicio ByteInicio 1 byte Byte 0

Transacción Transacción 4 bytes Bytes 1 – 4

Usuario UsuarioActual 10 bytes Bytes 5 -14

Kiosco KioscoActual 10 bytes Bytes 15 a 24

Parqueadero ParqueaderoActual 4 bytes Bytes 25 a 28

Tabla 3: Estructuras de datos

Desde su inicialización el programa lee la base de datos que contiene la información del estado de todo

el sistema. Esta base de datos consiste en una hoja de cálculo Excel que contiene, por un lado, la

información de cada usuario y su estado: ID usuario, si el usuario es un usuario maestro, si el usuario tiene

alguna bicicleta en su poder, si el usuario tiene alguna sanción. Por el otro lado, la base de datos contiene

21

la información del estado de las bicicletas y kioscos: ID kiosco, si ese kiosco tiene bicicletas, si las bicicletas

que contiene se encuentran en buen o mal estado. Al iniciarse, el servidor lee esta base de datos y guarda

toda esta información en arreglos de variables internas para su posterior uso en las operaciones del

sistema.

Descripción Nombre de la variable Tamaño

Arreglo de usuarios del sistema Usuarios Número de usuarios

Arreglo que indica si un usuario tiene una bicicleta en su poder

Prestada Número de usuarios

Arreglo que indica si un usuario tiene una sanción

Sanción Número de usuarios

Arreglo que indica si un usuario es usuario maestro

Maestro Número de usuarios

Tabla 4: Almacenamiento de datos en servidor

Descripción Nombre de la variable Tamaño

Kioscos Usuarios Número de kioscos

Presencia de las 15 bicicletas en un kiosco

KioscosConParqueaderos

Número de kioscos x 15

Estado de las 15 bicicletas en un kiosco EstadoBicicleta Número de kioscos x 15

Tabla 5: Tamaño estructuras de datos

Una vez se han guardado todas las variables, se realiza su procesamiento.

El programa evalúa los diferentes casos basándose en los bytes de “Transacción”. Existen 7 tipos de

transacciones diferentes:

Código de Transacción

Explicación

0001 Devolución de bicicleta en buen estado

0002 Devolución de bicicleta en mal estado

0003 Demanda de préstamo de bicicleta

0004 Retirar bicicleta dañada con ID maestro

0005 Modo de error (parqueadero cerrado sin bicicleta)

0006 Pregunta estado de bicicletas del kiosco

0007 Desbloqueo de parqueadero en modo de error con ID maestro

Tabla 6: Transacciones

22

Transacción 0001

El programa recorre el arreglo de usuarios del sistema (Usuarios) y lo compara con el usuario que

solicita la devolución (UsuarioActual). Si encuentra una coincidencia, actualiza el arreglo de préstamo

(Prestada) para quitarle el préstamo a ese usuario.

Si el usuario es válido, el programa ahora recorre los arreglos de kioscos (Kioscos) y los compara con el

kiosco que solicitó la transacción (KioscoActual). Cuando encuentra una coincidencia, en el arreglo de

bicicletas del kiosco actual (KioscosConParqueaderos) y en el parqueadero que solicita la transacción

(ParqueaderoActual) se actualiza la base de datos indicando que de nuevo hay una bicicleta en ese kiosco

y en ese parqueadero.

El servidor, por último, le responde al parqueadero con la siguiente cadena de información:

KiocoActual + ParqueaderoActual + “v” + “delim”

La información de KioscoActual y ParqueaderoActual es una redundancia del sistema para darle mayor

robustez y evitar que haya pérdidas de información. La “v” indica que la transacción es válida y los

caracteres “delim” indican el fin de la transmisión.

En caso contrario, si alguna de las condiciones no se cumple, el servidor envía la siguiente cadena de

información:

KiocoActual + ParqueaderoActual + “i” + “delim”

En este caso, la “i” indica una transacción inválida. Finalmente, la base de datos en Excel es actualizada

con toda esta información

23

Transacción 0002


solicita la devolución (UsuarioActual). Si encuentra una coincidencia, actualiza el arreglo de préstamo

(Prestada) para quitarle el préstamo a ese usuario.



bicicletas del kiosco actual (KioscosConParqueaderos), en el parqueadero que solicita la transacción

(ParqueaderoActual) y en el arreglo de estado de bicicletas de ese kiosco (EstadoBicicleta) se actualiza la

base de datos indicando que de nuevo hay una bicicleta en ese kiosco y en ese parqueadero y que se

encuentra en mal estado.

La respuesta al kiosco es igual que para la transacción 0001. Finalmente, la base de datos en Excel es

actualizada con toda esta información

Transacción 0003


solicita el préstamo (UsuarioActual). Si encuentra una coincidencia, revisa los arreglos de préstamo

(Prestada) y sanción (Sanción) para asegurarse que el usuario sea un usuario válido y esté disponible para

alquilar una bicicleta.



bicicletas del kiosco actual (KioscosConParqueaderos) y en el parqueadero que solicita la transacción

(ParqueaderoActual) se actualiza la base de datos indicando que ya no hay una bicicleta en ese kiosco y

en ese parqueadero.



24

Transacción 0004


solicita el préstamo (UsuarioActual). Si encuentra una coincidencia, revisa el arreglo de usuarios maestros

(Maestro) para asegurarse que el usuario sea un usuario válido y este sea maestro.

Si el usuario es válido y maestro, el programa ahora recorre los arreglos de kioscos (Kioscos) y los

compara con el kiosco que solicitó la transacción (KioscoActual). Cuando encuentra una coincidencia, en

el arreglo de bicicletas del kiosco actual (KioscosConParqueaderos) y en el parqueadero que solicita la

transacción (ParqueaderoActual) se actualiza la base de datos indicando que ya no hay una bicicleta en

ese kiosco y en ese parqueadero. Igualmente, se lleva un contador que indica el número de bicicletas que

ese usuario maestro ha retirado.



Transacción 0005

El programa recorre los arreglos de kioscos (Kioscos) y los compara con el kiosco que solicitó la

transacción (KioscoActual). Cuando encuentra una coincidencia, en el arreglo de bicicletas del kiosco

actual (KioscosConParqueaderos) y en el parqueadero que solicita la transacción (ParqueaderoActual) se

revisa si hay o no una bicicleta. Si el sistema no tenía bicicleta registrada, le envía la siguiente cadena de

datos al kiosco:


Esto indica que no debería haber una bicicleta presente y por consiguiente el parqueadero es liberado.

En caso contrario, se envía la siguiente cadena de datos al kiosco:


Esto indica que si debería haber una bicicleta en ese parqueadero pero no está. El programa genera una

ventana de error para alertar que hay una anomalía en el sistema.

25

Transacción 0006

El programa recorre los arreglos de kioscos (Kioscos) y los compara con el kiosco que solicitó la

transacción (KioscoActual). Cuando encuentra una coincidencia, en el arreglo de bicicletas del kiosco

actual (KioscosConParqueaderos) y en el arreglo de estado de bicicletas de ese kiosco (EstadoBicicleta) se

revisa el estado de la bicicleta presente en el parqueadero que solicitó la demanda. Si la bicicleta presente

está en buen estado se envía la siguiente cadena de datos al kiosco:


De lo contrario se envía la siguiente cadena:


Transacción 0007


solicita el préstamo (UsuarioActual). Si encuentra una coincidencia, revisa el arreglo de usuarios maestros

(Maestro) para asegurarse que el usuario sea un usuario válido y este sea maestro.

Si el usuario es válido y maestro, el programa ahora recorre los arreglos de kioscos (Kioscos) y los

compara con el kiosco que solicitó la transacción (KioscoActual). Cuando encuentra una coincidencia, en

el arreglo de bicicletas del kiosco actual (KioscosConParqueaderos) y en el parqueadero que solicita la

transacción (ParqueaderoActual) se actualiza la base de datos indicando que ya no hay una bicicleta en

ese kiosco y en ese parqueadero.

La respuesta al kiosco es igual que para la transacción 0001 y en caso de transacción válida, el

parqueadero es desbloqueado. Finalmente, la base de datos en Excel es actualizada con toda esta

información. El código con el programa implementado en VB6 se encuentra en el Anexo X.A.1) Código

VB6 Programa Servidor.

26

A. Desarrollo del prototipo

Todas las pruebas mencionadas anteriormente fueron desarrolladas a nivel de prototipo básico

implementando los sistemas en protoboard. Una vez el sistema completo, y los casos de fallo

solucionados, se prosiguió a la implementación de la solución a nivel prototipo PCB. Los PCB fueron

diseñados a dos capas siguiendo las reglas estándar de diseño.

1) Regulación

Una buena alimentación DC es importante para el correcto funcionamiento de la mayoría de sistemas

digitales. El módem GPRS es especialmente sensible a la alimentación y requiere una buena regulación

pues llega a consumir 2W.

Para esto si incluyó en cada módulo un circuito de regulación, por lo que es posible alimentarlos entre 6

y 15V DC. Se implementó con un regulador LM317, mostrado en la Figura 12: Circuito de regulación.

Se utilizó la siguiente relación2 para calcular las resistencias que garantizaran un voltaje de salida de

4.2V:

Con menor a 100 uA, el término correspondiente es despreciable.

A partir de lo anterior se seleccionó y

También se incluyeron condensadores para manejar los picos de corriente que requiere el módem

durante conexión, transmisión y recepción de datos.

2 Hoja de datos LM317. Recuperado el 10/02/2010 de http://www.national.com/ds/LM/LM117.pdf

27

Figura 12: Circuito de regulación

2) Microcontrolador ATMEGA16L: Kiosco y Parqueadero

El microcontrolador usado tanto en el Kiosco como en los Parqueaderos es el ATMEGA16L, que opera

entre 2.7V y 5.5V. Para su correcto funcionamiento se polarizaron los pines GND, AREF y AGND a tierra y

AVCC y VCC a 4.2V. Se usó un cristal de 11.0592MHz, que permite una buena precisión para el módulo

USART interno y se polarizó el pin RESET a Vcc con una resistencia de . Finalmente se incluyeron

dos condensadores de desacople de 100nF, uno para el pin VCC y otro para el pin AVCC, para filtrar el

ruido de alimentación. Dicha polarización se presenta en la Figura 13: Polarización microcontrolador

ATMEGA16.

Figura 13: Polarización microcontrolador ATMEGA16

28

3) Parqueadero

El parqueadero, además del circuito de alimentación y la polarización del microcontrolador mostrada en

las secciones anteriores, cuenta con varios conectores y dip-switches. La Figura 17 presenta el diagrama

de bloques del Parqueadero.

0. Circuito de polarización, descrito en la sección 2).

1. Conector RFID de 10 pines, con el reloj y pin de datos de entrada al microcontrolador y 3 pines de

polarización.

2. Conector bloqueo y presencia de bicicleta, con 3 pines: bloqueo bicicleta (out), presencia bicicleta

(in) y GND.

3. Dip-switch simulación presencia bicicleta.

4. Dip-switch dirección parqueadero de 4 bits, para identificación ante Kiosco y Servidor. Permite

seleccionar la dirección del parqueadero (entre 1 y 15) durante la instalación.

5. LEDs de interfaz al usuario: Estado (verde, rojo y amarillo), Reporte bicicleta dañada (azul) e

información bloqueo bicicleta (blanco).

6. Conector USART: permite acceder el puerto USART del microcontrolador. Solo se usa para pruebas,

no tiene uso en el producto final.

uControlador ATMEGA16

1. Conector RFID

0. Circuito polarización

2. Conector bloqueo y presencia bicicleta

7. Conector I2C hacia

Kiosco

8. Conector I2C hacia siguiente parqueadero

6. Conector USART (debug)

5. LEDs interfaz usuario

3. Dip-switch simulación

presencia bicicleta

4. Dip-switch dirección

parqueadero

Figura 14: Diagrama de Bloques Parqueadero

29

7. Conector I2C hacia kiosco: pines SDA, SCL y GND.

8. Conector I2C hacia siguiente parqueadero: pines SDA, SCL y GND.

La Figura 18 presenta la versión final del esquemático del parqueadero.

4) Kiosco

El Kiosco comparte con el parqueadero la alimentación y polarización. Adicionalmente cuenta con el

módem GPRS Sim340z con una polarización muy sencilla: 8 VBAT conectados a Vcc y 6 GND conectados a

tierra. Para ambos grupos de VBAT se utilizan condensadores cerámicos de 100nF de desacople. La

Figura 16: Polarización módem Sim340z muestra dicha polarización.

Figura 15: Esquemático Parqueadero

Alimentación

0.

1.

2.

3.

4.

5.

5.

7.

8.

6.

30

Figura 16: Polarización módem Sim340z

Aparte del módem se encuentran también algunos conectores y dip-switch:

0. Circuito de polarización, descrito en la sección 2).

1. Dip-switch dirección Kiosco de 8 bits, para identificación ante el servidor, configurable durante la

instalación.

2. Dip-switch de numéro máximo de Parqueaderos (4 bits), entre 1 y 15, configurable durante la

instalación.

3. Módem GPRS Sim340z. Se controla con los pines Rx, Tx, PWRKEY (para encender y apagar el

módem), VDD_EXT (para ver el estado ON/OFF del módem) y DCD (para verificar la conexión al

Servidor).

4. Conector pines GPRS (debug): Rx, Tx, PWRKEY, VDD_EXT, DCD y GND.

5. Conector I2C hacia Parqueadero.

6. Conector I2C hacia Parqueadero.

La Figura 17: Diagrama de bloques Kiosco y Figura 18: Esquemático Kiosco presentan el detalle del

Kiosco.

Los PCBs, que se muestran en la Figura 19: PCB Parqueadero y Figura 20: PCB Kiosco, se implementaron

en doble capa y fueron fabricados por el Laboratorio de Fabricación de Circuitos Impresos (LFCI) de la

Universidad de Los Andes. Después de realizado el montaje de componentes se obtuvo el prototipo

implementado mostrado en la Figura 21: Lector RFID, Parqueadero y Kiosco, Figura 22: Kiosco y Figura 23:

Parqueadero.

31

Figura 18: Esquemático Kiosco

Alimentación

0. 1.

2.

4.

6.

5.

3.

uControlador ATMEGA16

0. Circuito polarización

5. Conector 1 I2C hacia

parqueadero

4. Conector pines GPRS

(debug)

3. Módem GPRS

sim340z

1. Dip-switch dirección Kiosco

2. Dip-switch máx parqueaderos

6. Conector 2 I2C hacia

parqueadero

Figura 17: Diagrama de bloques Kiosco

32

Figura 19: PCB Parqueadero

Figura 20: PCB Kiosco

33

Figura 21: Lector RFID, Parqueadero y Kiosco

Figura 22: Kiosco

Figura 23: Parqueadero

34

B. Simulaciones y Pruebas

Los tres módulos: Kiosco, Parqueadero y Servidor fueron probados a lo largo de la implementación. Por

una parte se realizaron pruebas del código a medida que se implementaba en el compilador. Esto,

aunque no permite una verificación del funcionamiento exacto del código en el microcontrolador,

permite asegurar que el tratamiento y conversión de datos sea el correcto. Posteriormente se realizaron

pruebas del código ejecutado en el microcontrolador, por bloques y del sistema completo.

Con respecto al Servidor, inicialmente se simularon los Kioscos con conexiones TCP/IP Winsock desde

HyperTerminal. Esta simulación es muy adecuada debido a que el estándar es el mismo y no importa que

dispositivo envíe la información. Con esto fue posible simular hasta 30 Kioscos funcionando

simultáneamente en un Servidor.

Finalmente, debido a que solo se contaba con un parqueadero en circuito impreso y uno en protoboard,

se simularon varios de ellos con memorias EEPROM I2C 24C02. Debido a que el Parqueadero está

implementado como un dispositivo I2C esclavo es posible simular varios Parqueaderos con dichas

memorias, que se comportan igual ante el Kiosco.

35

VII. ANÁLISIS DE ROBUSTEZ

Uno de los requerimientos principales de la implementación es la robustez del funcionamiento del

sistema completo. Aunque el sistema está concebido para tener un administrador que interactúa con los

usuarios en operaciones puntuales (adición y eliminación de usuarios, gestión de sanciones, etc.) y

responde a algunos problemas operativos, es fundamental que el sistema tenga un mínimo nivel de

confiabilidad y manejo autónomo de fallos. La Tabla 7: Principales fallos contemplados y manejo de los

mismos presenta un resumen.

A. Comunicación GPRS

El primer fallo contemplado, debido a que su impacto es alto y su probabilidad de ocurrencia es alta, es

pérdida de paquetes de información en la comunicación GPRS (kiosco-servidor). Para solucionar este

posible fallo en caso de ocurrencia se incorporó información redundante y respuestas de confirmación en

los protocolos de comunicación kiosco-servidor-kiosco para garantizar la validez de la información

transmitida, procesada y almacenada.

El segundo fallo contemplado, con impacto alto y probabilidad de ocurrencia media, es la no

comunicación entre kiosco y servidor. El principal inconveniente en este caso, debido a que la

información y decisiones se encuentran centralizadas en el servidor, es que el kiosco queda inhabilitado

para realizar la mayoría de operaciones.

Para este error en la comunicación GPRS se consideró imprescindible la posibilidad de realizar la

devolución de bicicletas; desde el punto de vista del usuario resultaría inaceptable no poder devolver la

bicicleta debido a los inconvenientes que le causaría. Por esto siempre que esté en funcionamiento el

parqueadero sin bicicleta es posible devolverla, y en caso de fallo en comunicación con el servidor se

almacena esta información hasta que sea posible la misma. Otra de las características del programa del

kiosco es que cada vez que se cae la comunicación GPRS se reinicia la secuencia de reconexión

automáticamente.

36

Adicionalmente para el fallo en la comunicación GPRS se utilizó un temporizador watchdog en el kiosco

para evitar que no se terminen transacciones y se bloquee la estación en caso de no obtener una

respuesta del servidor.

El último fallo contemplado para la comunicación GPRS, también con alto impacto y probabilidad de

ocurrencia media, es el cambio en la dirección IP del servidor. Este fallo haría que ninguno de los kioscos

se pueda comunicar con el servidor y necesitaría una reprogramación de los mismos. Para evitar esta

situación se utiliza un servidor DNS, con el que no se configura directamente una dirección IP en los

kioscos sino una dirección DNS que está asociada dinámicamente a la dirección IP del servidor.

Fallo Prob. de

ocurrencia Impacto Relevancia

(P*Impacto) Detección y soluciones

Pérdida de datos vía GPRS 5 5 25 Paquetes con información redundante, respuesta de confirmación

Comunicación GPRS caída 3 5 15 Watchdog en kiosco, almacenamiento de datos de recepción

Cambio IP servidor 3 5 15 Uso de servidor DNS

Señal de bloqueo activa, sin presencia de bicicleta

3 4 12 Verificación continua, notificación en caso de error al servidor

Falla alimentación estación 3 4 12 UPS, consulta de estado de bicicletas al servidor al re-alimentar

Falla alimentación servidor 3 4 12 UPS, reinicio automático de servidor y software

Daño servidor 2 5 10 Verificación por parte del administrador. Intervención: reemplazo

Pérdida datos en servidor 2 5 10 Intervención: carga de información de backup (Backup diario)

Bloqueo software servidor 2 5 10 Verificación por parte del administrador. Intervención: reinicio

Daño sistema de bloqueo bicicleta

2 4 8 Verificación en caso de bloqueo y no bicicleta (notificación del servidor). Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.

Daño sensor de bicicleta 2 4 8 Verificación en caso de bloqueo y no bicicleta (notificación del servidor). Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.

Daño parqueadero 1 5 5 Watchdog en kiosco, notificación al servidor. Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.

Daño módem GPRS 1 5 5 Recepción periódica (30 mins) de información de verificación de kiosco. Si no comunicación en 2 horas, alerta en servidor para verificación. Intervención: reemplazo en caso de daño.

Comunicación I2C caída/bloqueada

1 4 4 Watchdog en kiosco, notificación al servidor. Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.

Daño kiosco 1 4 4 Recepción periódica (30 mins) de información de verificación de kiosco. Si no comunicación en 2 horas, alerta en servidor para verificación. Intervención: reemplazo en caso de daño.

Daño lector RFID 1 4 4 Notificación de usuarios. Intervención: reemplazo en caso de fallo.

Tabla 7: Principales fallos contemplados y manejo de los mismos

B. Bloques y presencia de bicicletas

En la operación normal una de las principales vulnerabilidades del sistema son las bicicletas. Son el

componente del sistema que mayor utilidad tiene para cualquier persona, por lo que pueden ser víctimas

de intento de robos. Con respecto a los usuarios finales se tiene un registro de los mismos e información

37

de uso incluyendo penalizaciones, por lo que esto ya está contemplado. Un componente primario de la

seguridad de las bicicletas es el bloqueo mecánico, que como mencionamos en un principio está fuera del

alcance del proyecto. Sin embargo contemplamos un caso de fallo que puede estar relacionado con un

mal funcionamiento del sistema de bloqueo o del sensor de reconocimiento de la bicicleta.

Continuamente se vigila en cada parqueadero la siguiente situación: bicicleta bloqueada sin bicicleta.

Cuando se produce esta situación se envía una notificación al servidor, que en función de la información

almacenada se re-habilita el parqueadero o se realiza una verificación del parqueadero.

C. Cortes eléctricos y otros fallos en el servidor

Otra de las fallas probables en el sistema, pero con un impacto menor, es una falla de alimentación. En

el servidor bloquearía las transacciones en todos los kioscos mientras no esté alimentado, mientras en las

estaciones sucedería lo mismo localmente.

En ambos casos una UPS es una buena alternativa para limitar el impacto. Sin embargo, si la misma no

es suficiente para la totalidad del corte de electricidad, cada parqueadero verifica con el servidor el

estado de la bicicleta (en caso de haber) antes del corte. El servidor se puede programar para que se

reinicie automáticamente después de una falla eléctrica. Lo mismo aplica para el software del mismo.

El servidor puede presentar otras fallas, como bloqueo del programa o daño físico del mismo. Para

estos casos es necesaria la intervención reemplazándolo o reiniciando el software.

Por otra parte puede haber pérdida de datos, por lo que está programado para realizar una copia de

seguridad diaria. En caso de fallo sería necesario que el administrador restaure la copia disponible.

D. Fallos en estaciones Kiosco y Parqueaderos

Cada estación, con su kiosco y parqueaderos, tiene varios componentes que podrían fallar. Estos

pueden estar relacionados con el parqueadero (fallo en el lector RFID, fallo en comunicación I2C, fallo en

sistema de bloqueo de bicicleta, fallo en sensor de bicicleta) o en el kiosco (fallo en módem GPRS, fallo en

comunicación I2C). Algunos de estos errores son detectables con lo mencionado anteriormente (modo

error con bloqueo sin bicicleta, por ejemplo), pero otros no.

38

El fallo en parqueadero es detectable cuando el kiosco no recibe una respuesta del primero. En este

caso también se envía un reporte de error al servidor.

Por otra parte, los fallos en el kiosco se manifiestan con una no comunicación con el servidor. Para

verificar que la comunicación continúe activa, ésta se verifica desde el servidor, y si no se logra después

de dos horas, se genera una notificación en el servidor.

Finalmente una fuente redundante y muy importante de detección de errores son los usuarios, pues se

pueden comunicar con el administrador para notificarle sus problemas.

VIII. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

El resultado principal del proyecto “Diseño de un sistema electrónico de préstamo de bicicletas auto-

servicio”, además de los diseños, códigos y planos eléctricos basados en la metodología top-down, es un

prototipo electrónico funcional con un nivel aceptable de robustez. Asimismo se desarrolló el software

del servidor hasta un nivel operacional.

Para realizar una implementación completa del sistema es necesario desarrollar algunos componentes

adicionales. Desde el inicio se excluyó del perímetro del proyecto el módulo mecánico de bloqueo y

desbloqueo de la bicicleta, por lo que éste es el punto crítico que no permite una implementación

completa del sistema. Por otra parte, aunque el software de servidor en VB6 funciona adecuadamente, es

un programa básico que no guarda los datos en una base de datos estándar de modo que pueda ser

accedida y modificada por otros programas o clientes remotos.

39

IX. BIBLIOGRAFÍA

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40

X. ANEXOS

A. Anexos en CD-ROM

1) Código VB6 Programa Servidor

2) Código C Programa Kiosco

3) Código C Programa Parqueadero

4) Esquemático y PCB Kiosco

5) Esquemático y PCB Parqueadero

6) Documentación microcontrolador Atmega16

7) Documentación lector RFID Mikroelektronika RFID Reader

8) Documentación I2C

9) Documentación módem GPRS Sim340z

B. Evaluación y Selección de Tecnologías

1) Identificación

Solución Ventajas Desventajas Requerimientos

ID y Clave Bajo Costo El usuario no necesita llevar ningún dispositivo extra Fácil de usar, sistema conocido por los usuarios Fácil de cambiar

Depende del usuario mantenerlo en secreto Costo de soporte alto Susceptible a espías y crackers El usuario no sabe si ha sido robado El usuario siempre tiene que tener el código de barras consigo mismo Pueden ser robados

Lector de código de barras Impresora Generador de códigos

Código de Barras Tecnología estandarizada, bajo costo Los usuarios no tienen que acordarse de claves complejas El usuario sabe si ha sido robado

Costos más elevados El usuario siempre tiene que tener el token consigo mismo Pueden ser robados

Token de seguridad (ejemplo : tarjetas, tokens USB, chips RFID)

Más seguros que el ID y clave Los usuarios no tienen que acordarse de claves complejas Presentan una ventaja en cuanto a imagen de la empresa

Costos más elevados de software costos más elevados de mantenimiento Costos más elevados de despliegue

Lector del token (dependiente de la tecnología) El token

Biometría Muy alto nivel de seguridad Diferentes opciones (huella digital, iris, retina) Difícilmente la seguridad puede ser comprometida (i.e. no se pierde fácilmente)

Display básico Teclado

Lector biométrico Unidad de lectura de características biométricas

42

Criterio Peso ID y clave (teclado y

pantalla)

Código de Barras RFID SmartCard

Costo 14% 9 7 6 6

Tamaño y peso 10% 7 7 6 6

Alcance comunicación 0%

Consumo potencia 8% 8 7 7 7

Costos operación 6% 8 6 6 6

Nivel estandarización 8% 8 6 5 5

Velocidad de

transmisión

0%

Complejidad de

implementación

10% 8 7 7 7

Nivel de seguridad 12% 5 4 8 8

Capacidad de

procesamiento

0%

Confiabilidad 12% 8 7 7 7

Funcionalidad final 20% 3 3 10 4

Memoria 0%

6.68 5.7 7.26 6.06

43

2) Comunicación servidor-kiosco

Nombre Ventajas Desventajas

BLUETOOTH Popular -> costos de implementación bajos

Costos de explotación nulos

Vulnerable a interceptaciones

Distancia máxima 100m

Tasa de transmisión baja

WIFI Popular -> costos de implementación bajos

Puede utilizar las capacidades ya instaladas en la empresa

Alta tasa de transmisión de datos

Vulnerable a interceptaciones

Distancia máxima 100m

ZIGBEE Bajo consumo

Interconexión de red en malla (hasta 65k nodos)

Se pueden implementar nodos fácilmente y con pocos componentes

Muy baja velocidad de transmisión de datos (250kbps)

No es tecnología estándar entonces los costos de implementación pueden llegar a ser más altos

GPRS Disponible en cualquier lugar (en áreas urbanas).

Velocidad suficiente de transmisión.

Sin límite de distancia.

Presenta costos variables de funcionamiento.

Complejidad de la implementación (mayores costos)

44

Criterio Peso Bluetooth Wi-fi Zigbee GPRS

Costo 8% 6 5 5 5


Alcance comunicación 15% 2 3 2 9




Velocidad de transmisión

9% 5 7 5 5

Complejidad de implementación

9% 3 3 6 6


Capacidad de procesamiento

0%


4.88 4.98 5.29 6.48

45

3) Comunicación Kiosco-Parqueaderos

Estándar Características Ventajas Desventajas

I2C Alámbrico

Hasta 112 nodos

Vel transmisión entre 10 kbit/s y 3.4 Mbit/s

Bajo costo de implementación

Sencillez de implementación

Necesidad de cableado

Ethernet Alámbrico

Nodos virtualmente ilimitados

Vel transmisión entre 10 y 100 Mbit/s

Número de nodos

Robustez

Costo de implementación

Necesidad de cableado

Complejidad de hardware y software

ZigBee Inalámbrico

Vel transmisión 250 kbit/s

Alcance de 10 a 75 m

No requiere cables

Hardware relativamente simple

Costo de implementación relativamente bajo


Corto alcance

Wi-Fi Inalámbrico

Vel transmisión entre 1 y 150 Mbit/s

Alcance hasta 100 m


Alcance medio

Complejidad de hardware y software

Costo de implementación alto

46

Criterio Peso I2C Ethernet ZigBee Wi-Fi

Costo 15% 9 5 2 2


Alcance comunicación 8% 7 7 9 9





8% 6 9 7 8


8% 9 5 6 4



0%


Memoria 0%

6.81 6.39 6.05 6.30

47

4) Kiosco

Solución Ventajas Desventajas

Microcontrolador Bajo costo

Sencillez de implementación

Interfaz de usuario básica

Comunicación Ethernet adicional

Hardware Reprogramable (FPGA)

Reprogramable

Costo bajo-medio

Interfaz de usuario básica

Comunicación Ethernet adicional

Computador embebido Interfaz de usuario avanzada

Comunicación Ethernet integrada

Costo alto

PC Interfaz de usuario avanzada

Comunicación Ethernet integrada

Tamaño, peso

Costo alto

48

Criterio Peso Microcontrolador FPGA Computador Embebido PC

Costo 18% 9 8 4 2


Alcance comunicación 0%




Velocidad de transmisión 0%


9% 7 8 5 4



6% 4 4 6 9


Memoria 9% 4 4 6 9

7.17 6.90 5.62 5.06

diseño y prototipo de un sistema electrónico de préstamo

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