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Diseo del Proyecto
Objetivos del Diseo
Se tiene como objetivo de diseo establecer una serie de pasos o actividades
que permita el desarrollo de la propuesta planteada con la finalidad de solventar la
problemtica antes esbozada, la cual debe cumplir una seria de aspectos, para
lograr la elaboracin de un sistema fiable y seguro.
Paso 1: Se realiza un anlisis minucioso de los aspectos tericos referentes al
diseo de una red de sensores
.
Para poder solucionar este problema se debe escoger una arquitectura, tanto
de red como de los nodos, apropiada al contexto del cual se est hablando. Es por
esto que la topologa de red ms conveniente para una zona residencial es de tipo
cluster-tree Figura 13.
Figura 13
Diagrama de topologa cluster-tree de una red ad-hoc.
-
Esto debido a que las distancias entre cada punto del terreno del cual se desea
medir (sensar) datos estn separados a una gran distancia y adems en cada punto
se deben medir distintas variables las cuales en muchos casos se encuentran
separados entre s. El hecho de elegir esta topologa agrega la necesidad de
implementar protocolos y algoritmos que permitan la conformacin de esta
topologa. Dado que se ha escogido la topologa de la red el paso lgico siguiente
en la solucin del problema es la eleccin de la arquitectura de los nodos.
La arquitectura elegida se ilustra en la Figura esto nos da la flexibilidad
requerida para poder expandir las aplicaciones si as es requerida.
Figura 14
Diagrama de conexin de un nodo
A fin de integrar todo esto es necesario una correcta eleccin del sistema
operativo, el cual desempee de manera exitosa todas las tareas que conciernen a
una aplicacin de este tipo (una aplicacin distribuida en donde la informacin es
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enviada a travs de los nodos por la red en forma eficiente).
Paso 2: A razn de los parmetros anteriores mencionados. Planificar y
evaluar las caractersticas del sistema en cada una de los componentes
involucrados segn sea el modo a trabajar as como tambin realizar un estudio de
cobertura de seal que garantice el servicio de transmisin de datos en la
mencionada rea de estudio.
Estudio de cobertura
Se procede a realizar la estimacin del ngulo de apertura de la antena que de
una huella de radianza sobre el rea que se desea dar servicio para lo cual se
utilizara el criterio del ngulo de media potencia (HPWB) para lo cual se
seleccionan dos potenciales distribuciones o punto de radianza en la figura 18 y
19 se muestran de manera grfica la distribucin y estimacin de dichos puntos
con la finalidad de planificar la mejor disposicin del sistema radiante buscando
en todo momento la posibilidad de movilidad del sistema sobre el rea en estudio
aunque se debe considerar que dicho sistema no es mvil ms sin embargo la
posibilidad de que el punto de monitoreo sea cambiado por alguna razn, aun as
este pueda moverse ocasionando la menor cantidad de costos y movilidad de
enseres que dificultan su conectividad.
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En la figura 15 y 16 representa la estimacin del ngulo de apertura
Figura N 15
Estimacin del Angulo de apertura para evaluar cobertura
Formulas de la estimacin del ngulo de propagacin Figura N 16.
Figura N 16
Estimacin del Angulo de apertura para evaluar cobertura
Propuesta 2 para el ngulo de propagacin
Utilizando google Earth se toma una muestra del espacio de la
investigacin en dicha imagen se puede observar estimacin del ngulo de
apertura para ambas propuesta.
propuesta1.
Datos
a 601.15 mts
b 692.95 mts
c 942.36 mts
Mediante la uti l izacion de la siguiente formula se puede determinar el angulo
c2
a2
b2
2 a b cos
Despejando de la ecuacion cos
c2
a2
b2
2 a b
acosc2
a2
b2
2 a b
1.515
1.515180
86.803 grados( )
-
.
Figura N 17
Estimacin del Angulo de apertura para evaluar cobertura propuesta 2
Formulas de la estimacin del ngulo de propagacin Figura N 18
Figura N 18
Estimacin del Angulo de apertura para evaluar cobertura propuesta 2
Despues de realizar la estimacion de los angulos de apertura para garantizar
cobertura en la zona de estudio, se procede a seleccionar la antena segn el patron
de radiacion sea en el plano H o en el plano V dicha infomacion la suple el
fabricante mediante las hojas tecnicas o Datashipp; en el procedimiento se basa en
2. propuesta
Se cambia la posicion del angulo y se procede a realizar el ca lculo del angulo factible
a 504.85 mts
b 385.28 mts
c 608.85 mts
Mediante la uti l izacion de la siguiente formula se puede determinar el angulo
c2
a2
b2
2 a b cos c2
cos c2
a2
b2
2 a b
Despejando de la ecuacion
acosc
2a2
b2
2 a b
1.655
1.655180
94.825
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una comparacion y superposicion de planos buscando adecuar a los
requerimiemto de cobertura basandose en el criterio del angulo de media potencia
(HPWB), luego de dicha estimacion resulto un angulo aproximado de 86 grados
se realiso un estudio minusioso de las posibles antenas para la propagacion
optando por una antena sectorial de marca AIRMAX modelo AM-2G15-120 que
posee un ngulo de 120 grados.
La figura 19 representa la antena empleada para el estudio.
Figura N 19
Antena AM-2G15-120
Los diagramas de radiacin son de la antena seleccionada segn el criterio del
HPWB (ngulo de media potencia).
Figura N 20
Polarizacin vertical y Horizontal de la antena
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Luego de observar entre varios modelos de antenas creados por el fabricante
anteriormente mencionado se procede a seleccionar el modelo AM-2G15-120 en
el modo vertical de este modo se indica en la figura 23 en el cual el ngulo de
media potencia para dicho modelo en el plano mencionado resulta un HPWB de
90 que al compararlo con el estimado en la figura 21 se obtuvo un valor de 86
por lo que resulta beneficioso para la condicin del objetivo concreto de esta
investigacin que es garantizar la cobertura del sistema en cuestin.
Polarizacin vertical tomada para el estudio.
Figura N 21
Polarizacin vertical tomada para el estudio
El ngulo de apertura es 90 y el ngulo estimado es de 86 esta antena
resulta ptima para la propagacin de la seal permitiendo as obtener la cobertura
deseada.
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1.- Estudio sobre la aplicacin de los modelos de propagacin para ambientes
Abiertos tales como: Prdidas de potencia y ecuacin de Friis
En el espacio libre las ondas electromagnticas se propagan a la velocidad de
la luz, la densidad de potencia de esas ondas propagadas a una determinada
distancia en el espacio.
Entonces tenemos que:
PT (dB): 18 (la potencia de trasmisin). Que es un valor estndar para los
mdulos usados segn la hoja de datos de la compaa.
GT (dB): 3 (la ganancia de la antena trasmisora). Que es un valor estndar para los
mdulos usados segn la hoja de datos de la compaa.
d (Mts): La distancia en metros entre el modulo trasmisor y el receptor
De esta manera teniendo todos estos datos se procedi a realizar los clculos
y ser mostrados en tablas ya que as se garantiza mayor entendimiento y elegancia
a la hora de ser analizados. A continuacin se realizara un clculo de forma
manual para comprobar la veracidad de los datos obtenidos al ser tabulados en
Excel de las ecuaciones 1, 2, 3, 4, del captulo II tenemos:
Ecuacin Ec.
(3)
W = 18 .3/ 4= 4 db
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Cuadro N 8
Clculo de la prdida de la densidad de potencias segn el modelo de Friis
PT (dB)
GT (dB)
D (m) 4d2 (m) W(db)
18 3 1 13 4,29717
18 3 2 50 1,07429
18 3 3 113 0,47746
18 3 4 201 0,26857
18 3 5 314 0,17189
18 3 6 452 0,11937
18 3 7 616 0,08770
18 3 8 804 0,06714
18 3 9 1.018 0,05305
18 3 10 1.257 0,04297
18 3 11 1.521 0,03551
18 3 12 1.810 0,02984
18 3 13 2.124 0,02543
18 3 14 2.463 0,02192
18 3 15 2.827 0,01910
18 3 16 3.217 0,01679
18 3 17 3.632 0,01487
18 3 19 4.536 0,01190
18 3 40 20.106 0,00269
18 3 50 31.416 0,00172
18 3 60 45.239 0,00119
18 3 70 61.575 0,00088
18 3 80 80.425 0,00067
18 3 90 101.788 0,00053
18 3 100 125.664 0,00043
Fuete: Daz, S. (2014)
Se puede demostrar claramente que a medida que aumenta la distancia entre
los mdulos de radio frecuencia va disminuyendo la densidad de potencia. De
esta forma obtenida el valor de la densidad de potencia sabemos se puede realizar
el clculo de la potencia recibida ya que PR es:
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Cuadro N 9
Calculo de la potencia recibida
PT GT D 4d2
A=(
) Pr=
(
)
18 3 1 12,5664 4,297173415 0,22 0,00000
18 3 2 50,2656 1,074293354 0,22 0,945378151
18 3 3 113,0976 0,477463713 0,22 0,236344538
18 3 4 201,0624 0,268573338 0,22 0,105042017
18 3 5 314,16 0,171886937 0,22 0,059086134
18 3 6 452,3904 0,119365928 0,22 0,037815126
18 3 7 615,7536 0,087697417 0,22 0,026260504
18 3 8 804,2496 0,067143335 0,22 0,019293432
18 3 11 1520,5344 0,03551383 0,22 0,014771534
18 3 12 1809,5616 0,029841482 0,22 0,007813043
18 3 13 2123,7216 0,025427062 0,22 0,006565126
18 3 14 2463,0144 0,021924354 0,22 0,005593954
18 3 15 2827,44 0,019098549 0,22 0,004823358
18 3 40 20106,24 0,002685733 0,22 0,004201681
18 3 50 31416 0,001718869 0,22 0,000590861
18 3 60 45239,04 0,001193659 0,22 0,000378151
18 3 70 61575,36 0,000876974 0,22 0,000262605
18 3 80 80424,96 0,000671433 0,22 0,000192934
18 3 90 101787,84 0,000530515 0,22 0,000147715
18 3 100 125664 0,000429717 0,22 0,000116713
Fuete: Daz, S. (2014)
Se puede observar como disminuye la potencia de recepcin a medida que
aumenta la distancia entre los mdulos. Teniendo ya calculado el valor de la
potencia recibida y teniendo la potencia de trasmisin que es un valor prefijado
por la compaa que crea los mdulos RF (XBEE). Se pueden calcular las
prdidas generadas por la propagacin segn la ecuacin 5 de Friss (ver capitulo
II Ec 4,5):
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Cuadro N 10
Calculo de las prdidas en el espacio del enlace de radio frecuencia
d Pr=
(
) ( ) (
)
18 1 0,00000 -12,7966694
18 2 0,945378151 -18,8172694
18 3 0,236344538 -22,3390945
18 4 0,105042017 -24,8378693
18 5 0,059086134 -26,7760695
18 6 0,037815126 -28,3596944
18 7 0,026260504 -29,6986302
18 11 0,019293432 -30,8584692
18 12 0,014771534 -33,6245231
18 14 0,007813043 -34,3802944
18 40 0,006565126 -35,0755365
18 50 0,005593954 -35,7192302
18 60 0,004823358 -36,3184946
18 70 0,004201681 -44,8378693
18 80 0,000590861 -46,7760695
18 90 0,000378151 -48,3596944
18 100 0,000262605 -49,6986302
Fuete: Daz, S. (2014)
Pas 3 En este paso se toma en consideracin la herramienta computacionales que
ayuda a la creacin y evaluacin del diseo, herramienta Proteus.
2.- Diseo de la etapa de transmisin
Un sensor de color utilizando un LDR estndar y el modelo de color RGB.
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Una forma de construir un sensor de color activo es utilizar el modelo de color
RGB , que define todos los colores como una combinacin aditiva de los colores
primarios: rojo, verde y azul. El sensor consiste en un resistor dependiente de la
luz normal, (LDR), rodeado de rojo, verde y azul LED.
El sensor
El exterior del sensor est cubierto de cinta aislante negro, el cual cortar toda
la luz ambiente de interferir con los LDR. Esto es importante, ya que la luz
ambiental puede causar estragos en las lecturas. El LDR est conectado con una
resistencia apropiada, a fin de dividir la tensin de referencia (5V) entre s mismo
y la resistencia fija. A medida que la intensidad de la luz vara, tambin lo hace la
tensin cruzando la LDR. La idea clave es registrar el voltaje a travs de la LDR
cuando el objeto est iluminado por uno de los tres colores, y usarlo para
averiguar el color del objeto.
El Algoritmo
Para el desarrollo del proyecto se implement el Pic16F877A, ya que cuenta
con un ADC y una UART. El algoritmo utilizado se da a continuacin:
Haga
Encienda el LED rojo
Espere unos milisegundos
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Leer el valor ADC (es decir, el voltaje al otro lado de la LDR)
Apague el LED
Enviar el valor a travs del puerto serie
Hago lo mismo con el verde y el Azul LED
Lazo por siempre
Una vez que se envan los valores, un programa escrito en Matlab los recibe y
los convierte en un color, que se muestra en un formulario. Calibracin del sensor
es una necesidad y se logra fcilmente al sealar a un objeto blanco y registro de
los valores, y luego a un objeto negro y haciendo lo mismo. Esto tambin se
realiza por el uso de Matlab. Se obtiene el color real usando la funcin RGB, que
lleva en los componentes de color (escalado a un mximo de 255) y devuelve un
valor de color. La escala se lleva a cabo teniendo en cuenta tanto los valores
mnimos de la mxima y, que corresponden a los niveles de blanco y negro,
respectivamente. La funcin se basa en la suposicin de que la LDR se comporta
linealmente.
Ecuacin VBCC = (VOC - VoB) / (Vow - VoB) * 255 (Ec.xx) Ec. (4)
Cuando, VBCC es el valor del color para un componente de color, VoC es el
valor de la tensin LDR para un LED particular, VOB y voto son los valores de
color blanco con el LED misma y negro. La frmula se utiliza tres veces, una vez
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para cada uno de rojo, verde y azul.
El factor de escala de 255 se utiliza para cumplir con el rango de valores
aceptados por la funcin RGB. El valor obtenido mediante la frmula es similar a
la representacin HTML de color, como un Hex-tro. Un color se representa as
como # RRGGBB, donde R, G, B son los componentes de color. Por lo tanto #
FFFFFF representa Blanco (mximo) y # 000000 representa Negro (mnimo).
En el simulador Proteus se arm el dispositivo con la finalidad de comprobar
que trabaje de forma adecuada a su vez ordenar la ubicacin de cada uno de los
elementos involucradas en dicho modelo obteniendo as en resultado que se logra
visualizar en la figura N 22.
Figura N 22
Etapa de transmisin
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/C2OUT7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40
RB6/PGC39
RB538
RB437
RB3/PGM36
RB235
RB134
RB0/INT33
RD7/PSP730
RD6/PSP629
RD5/PSP528
RD4/PSP427
RD3/PSP322
RD2/PSP221
RC7/RX/DT26
RC6/TX/CK25
RC5/SDO24
RC4/SDI/SDA23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV1
PIC16F877A
100
10k
20MHz
LED-BLUE LED-BLUE LED-BLUE
100
12
LDR1
10k
RF
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Modo de Comando
Este modo permite ingresar comandos AT al mdulo Xbee, para configurar,
ajustar o modificar parmetros. Permite ajustar parmetros como la direccin
propia o la de destino, as como su modo de operacin entre otras cosas. Para
poder ingresar los comandos AT es necesario utilizar el Hper terminal de
Windows, el programa X-CTU o algn microcontrolador que maneje UART y
tenga los comandos guardados en memoria o los adquiera de alguna otra forma.
Para ingresar a este modo se debe esperar un tiempo dado por el comando GT
(Guard Time, por defecto ATGT=0x3E8 que equivalen a 1000ms) luego ingresar
+++ y luego esperar otro tiempo GT. Como respuesta el modulo entregara un
OK. El modulo Xbee viene por defecto con una velocidad de 9600bps. En caso de
no poder ingresar al modo de comandos, es posible que sea debido a la diferencia
de velocidades entre el modulo y la interfaz que se comunica va serial.
Figura 23
Ejemplo de Comando AT
Se observa que primero se ingresa al modo de comandos AT, recibiendo un
OK de respuesta. Luego se ingresa el comando ATMY3F4F y se presiona ENTER
o carcter (Carrier Return y Line Feed) si se maneja desde un
microcontrolador. Con ello se recibe un OK como
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respuesta.
Para salir del modo de Comandos se ingresa ATCN y se presiona ENTER. En
caso de que no se ingrese ningn comando AT valido durante el tiempo
determinado por CT (Command Mode Timeout), el modulo se saldr
automticamente del modo de comandos. Para que los cambios realizados tengan
efecto se debe ingresar el comando ATCN (sale del modo de comandos).
Pas 4: Cargar y/o alimentacin del simulador permitiendo as realizar las
corridas logrando visualizar los parmetros teniendo como resultado salidas
visuales de la simulacin demostrando su comportamiento.
Dando uso de la simulador anteriormente mencionado se procede a las
pruebas pertinentes para dar experiencia del funcionamiento del prototipo.
Figura 24
Simulacin con Proteus del prototipo
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En la imagen se logra apreciar que el dispositivo da inicio y queda
esperando de comienzo la medicin.
Figura 25
Simulacin con Proteus del prototipo
Figura 26
Simulacin con Proteus del prototipo
Al momento de presionar el pulsador de transmisin conectado al puerto
RB0 en ese momento se enva la trama al receptor.
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Figura 27
Simulacin con Proteus del prototipo
Figura 28
Simulacin con Proteus del prototipo
El transmisor mostrara el color sensado ya su vez enviara hacia el receptor el
resultado de los valores medidos.
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Figura 29
Simulacin con Proteus del prototipo
Diagrama de flujo del prototipo
En el diagrama de flujo del prototipo se visualiza paso a paso cada etapa que
cumple el modelo desde el momento en el que da inicio, este pasa por la
inicializacin de las variables a continuacin el ciclo de censado que realiza el
sensor de color posteriormente la transmisin de la informacin espera de
resultados ya para concluir con este proceso e inicializndose cada etapa
nuevamente despus de un determinado tiempo. Figura N 30 representa el
diagrama de flujo del monitor.
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Figura N 30
Diagrama de flujo del prototipo
Diagrama de flujo del monitor en la PC
En el diagrama de flujo del monitor explica de forma detallada cada paso que
se logra observar desde el momento los cuales son los siguientes:
En el que da inicio pasando por la inicializacin de las variables
posteriormente el envi de los parmetros si este obtiene un resultado negativo
este da comienzo al ciclo nuevamente pero si el resultado es afirmativo el proceso
da paso al envi de los parmetros ATNC pasa mismo caso si es negativo el
resultado se inicia el siclo nuevamente si es positivo se identifica cual sensor al
identificarlo se visualiza en pantalla el resultado.
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Figura N 31
Diagrama de flujo del monitor en la PC
Pas 5: Llevar a cabo el diseo del prototipo bajo las siguientes
especificaciones: conectividad de las entidades, tamao adecuado del prototipo,
cobertura del sistema, protocolos de comunicacin y la topologa de la red.
La topologa implementada para el sistema fue Cluster Tree Esta
denominacin corresponde a un hbrido que se forma aplicando una estructura de
rbol a varias estrellas. Fue elegida esta topologa ya que posee sencillez y
rapidez en el desarrollo de la red.
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Figura N 32
Visualizacin de la topologa del sistema
Paso 6: En este paso se llevara a cabo el ensamblaje de las partes del
prototipo tomando en cuenta las respectivas pruebas de comprobacin.
Construir el dispositivo bajo estas especificaciones: tamao, longitud, y
forma, sensibilidad, potencia. En proceso de construccin. Ver anexo B.
Pas 7: Ya para afinar se realizaran el anlisis de las respectivas
observaciones logrando as obtener conclusiones del diseo que se obtuvo de la
investigacin realizada
Dando conclusiones acerca de los resultados expuestos mediante el
desarrollo del prototipo se puede decir que el dispositivo aporta una ventaja y es
que permite una alta inmunidad al ruido gracias a la velocidad de recepcin y
transmisin de la tasa de baudios.
Se comprob que al disear y colocar un sensor de color este responda a los
parmetros de diseo segn el algoritmo anteriormente mencionado, y a pesar de
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haber utilizado una resolucin de 8 bit para el sensor dicha resolucin fue
satisfactoria para que el sensor trabajara de forma correcta.
Para ello se despliegan una serie de nodos sensores ubicados en situaciones
estratgicas y estudiadas y stos sern los encargados de tomar medidas de ciertos
parmetros. La informacin recogida por los nodos sensores tiene que ser
transmitida hasta una estacin base en la que se visualizarn los datos y se
realizarn los estudios necesarios de acuerdo con los modelos tericos existentes.