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

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.

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

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

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.

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

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:

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):

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.

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

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

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.