R-007 APRS: Sistema Táctico de Reporte de Ubicación Automática

Oscar Goñi INTIA,

UNICEN, Tandil, Argentina,

oegoni@exa.unicen.edu.ar

Leandro Aguierre Redimec SRL,

Tandil, Argentina, laguierre@redimec.com.ar

Lucas Leiva INTIA,

UNICEN, Tandil, Argentina,

lleiva@exa.unicen.edu.ar

Abstract—Los sistemas automáticos de reporte de posición (APRS) permiten determinar en tiempo real, la localización de un conjunto de dispositivos asociados. Estos sistemas se encuentran

presentes tanto en sistemas de control, tácticos y de emergencia. Con la evolución de los sistemas SIG (Sistemas de Información Geográfica), los datos proporcionados por un APRS son generalmente desplegados y procesados en una PC. En este trabajo se presenta un sistema embebido APRS (R-007 APRS)

que permite la mensajería y determinación de la posición geográfica de una red de dispositivos R-007 APRS, intercomunicados a nivel físico por un enlace de radio. Los dispositivos cuentan con interfaz Bluetooth, que brinda una

mayor flexibilidad y comodidad para la configuración y uso, así como una conexión USB. Se presenta además el software que interactúa con cada uno de los dispositivos, y finalmente, los resultados experimentales obtenidos.

Keywords—Sistema Táctico; APRS; AX.25; Sistema Embebido

I. INTRODUCCIÓN

Los sistemas APRS (Automatic Position Reporting System) establecen un protocolo digital táctico de comunicación utilizado para el intercambio de información entre un gran número de estaciones en un área [1]. Fueron desarrollados e introducidos por Bob Bruninga, en el año 1992.

Constituyen un protocolo de comunicación de paquetes, que son transmitidos en tiempo real a una red. En su configuración más simple, se componen de un transmisor/receptor de radio combinado con un receptor de GPS, permitiendo a los radioaficionados desplegar información de la ubicación de las estaciones de radio y otros objetos en una PC. También pueden utilizarse en redes de sensores, donde la concentración de datos puede provenir de decenas de sensores. En términos generales, un módulo compuesto por el transmisor/receptor de radio, junto con el receptor de GPS se define como APRS (Fig. 1).

Si bien en muchos casos estos sistemas se integran con monitores APRS conectados a Internet, que permiten visualizar globalmente la información de diferentes regiones [2], éste no es el objetivo primario. Su principal objetivo está asociado a manejar información en operaciones críticas en tiempo real.

Los sistemas APRS permiten el reporte de estaciones meteorológicas, ubicación y detección de unidades de un sistema, informes del estado de tránsito, transmisión de mensajes de texto, etc. Estos sistemas son utilizados para la ubicación de vehículos de emergencia, localización de vehículos en carreras de rally, identificación de líneas de suministro eléctrico que presentan fallos, estado del clima en diferentes puntos de una región, localización de unidades en operaciones bélicas, entre otros.

Fig. 1. Sistema APRS

Si bien en los últimos años han emergido los sistemas de localización basados en GPRS, su funcionamiento está sujeto a la disponibilidad de señal y de servicio por parte de las operadoras. Además, en sistemas donde el volumen de datos es importante, los costos del servicio pueden ser una limitante para su aplicación, siendo aun mayor si se trata de un servicio de comunicación satelital. En cambio, los sistemas APRS basados en radio al no estar sujeto a un proveedor de servicio, los costos se ven drásticamente reducidos. Dependiendo de la frecuencia utilizada, el área de operación de un sistema APRS es mucho mayor que el de una simple celda celular.

En este trabajo, desarrollado por la empresa Redimec SRL, se presenta un sistema de APRS que permite además del servicio de localización, servicio de mensajería y transmisión de datos dentro de un sistema táctico. El principal objetivo es minimizar el impacto de su incorporación sobre un sistema de comunicaciones existente. Además pretende proveer flexibilidad para incorporar funcionalidad, y ofrecer

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mecanismos de seguridad sobre la información transmitida. El sistema construido aporta una conexión inalámbrica Bluetooth con los dispositivos de interfaz, brindando de esta forma una mayor libertad a los usuarios, así como también una mayor adaptación a las nuevas tecnologías.

En la sección 2 se presenta la arquitectura de un sistema APRS, detallando el protocolo AX.25 utilizado en este tipo de sistemas, como también ofreciendo detalles sobre la capa física. La sección 3 describe el desarrollo realizado, detallando tanto el hardware como el software. Los resultados obtenidos se muestran en la sección 4. Finalmente, la sección 5 contiene las conclusiones.

II. ARQUITECTURA DE APRS

Un sistema APRS establece una comunicación broadcast, de tal forma que todos los componentes del sistema son actualizados de manera inmediata a partir de la transmisión de un paquete. Además soporta repetidores digitales, capaces de generar alias por sustitución, para los identificadores de llamadas. Esto posibilita un correcto funcionamiento de la red, sin información alguna acerca de la topología.

Como se trata de un protocolo de paquetes, es posible incorporar otros tipos de mensajes en la información transmitida, por ejemplo la información de una estación climática, radiogoniometría, o servicios de mensajería. Dentro de las capacidades de un sistema APRS se encuentra el despliegue de ubicación en mapas de la posición de vehículos o personal, e incluso reportes climáticos en tiempo real.

En la capa de enlace, APRS utiliza el protocolo AX.25 [3] con frames de información no numerados (UI-frame). Este tipo de conexión permite a cada uno de los componentes funcionar de manera aislada e independiente. Cada frame AX.25 se transmite sin la espera de una respuesta y sin la confirmación de la recepción. El uso de este tipo de frames permite la mensajería entre dos puntos, así como también el envío de boletines o anuncios con una rápida diseminación de la información a los componentes del sistema.

El protocolo AX.25 permite el envío de mensajes cortos de una línea a determinadas estaciones, esperando el acuse de recibo. En la figura 2 se presentan los campos que conforman un frame UI, incluyendo además la dimensión de los mismos en bytes.

Flag

1

Destino

7

Origen

7

Repetidor

Digital

0 - 56

Control

1

Protocolo

1

Información

1 - 256

FCS

2

Flag

1 Fig. 2. Frame UI.

En donde:

• Flag: indica el comienzo o el inicio de un frame, con un valor de 0x7E

• Destino: contiene un identificador de llamada APRS de destino. El dato está codificado en el formato de identificadores de llamadas de AX.25 (6 caracteres alfanuméricos y un SSID). Si el SSID es distinto de cero, especifica un repetidor digital.

• Origen: contiene el identificador de llamada APRS de la estación transmisora.

• Repetidor digital: Permite incluir hasta 8 identificadores de llamada de repetidores. Esta dirección puede ser sobrescrita por un repetidor APRS genérico.

• Campo de control: con valor 0x03 (UI-frame).

• Identificador de protocolo: con valor 0xF0 (sin protocolo de nivel 3).

• Campo de información: contiene los datos del sistema APRS. El primer carácter del campo identifica la naturaleza del dato transmitido.

• FCS (Frame Check Sequence): 16 bits utilizados para el análisis de la integridad del frame.

La intención de los sistemas APRS es incorporar un mecanismo de transmisión de información con el mínimo impacto en el sistema de comunicación de radio existente. De esta manera, cada uno de los módulos móviles APRS se acopla a los canales de audio del receptor/transmisor de HF, VHF o UHF. El dispositivo, además, debe ser capaz de coordinar y controlar el control de transmisión (PPT o Push to Talk) del sistema de transmisión

En cuanto a la capa física, existe una estrecha relación entre los módems utilizados para transmisión de paquetes por radio. El método de modulación más utilizado es AFSK (audio frequency-shift keying) [4]. Este método utiliza el ancho banda de voz existente en el equipo de radio. La modulación Bell 202 es el estándar que se mantuvo para las operaciones de VHF en la mayoría de las áreas, con una frecuencia de 1200 bps y basada en una modulación AFSK (Audio Frequency-Shift Keying)

Dada su simplicidad, es posible el envío de paquetes de datos a través de un canal de radio utilizando dos tonos: marcas y espacios. Los tonos son representados mediante una frecuencia de 1200 Hz para las marcas y de 2200 Hz para los espacios. Con el objetivo de aportar robustez al protocolo y facilitar la recuperación del sincronismo, los datos son codificados diferencialmente con un patrón NZRI. En este patrón, un dato con valor cero se traduce como un cambio de tono. En la Fig. 3 se presenta un ejemplo de transmisión, con su correspondiente representación binaria.

1 0 1 0 1 Fig. 3. Transmisión FSK.

De esta manera, un cero es indicado como un cambio en la frecuencia de la señal (1200 Hz a 2200 Hz, o viceversa), y un

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uno se corresponde en el caso que no exista un cambio en la frecuencia, a partir de un muestreo realizado a 1200 Hz. Dado que los paquetes se delimitan mediante el flag 0x7E, no es posible la transmisión de seis unos seguidos, es decir, seis tiempos de ciclos con la misma frecuencia. En los casos de que se deba transmitir un dato que posea cinco o más unos seguidos o bien en donde dos caracteres sucesivos tengan más de cinco unos seguidos, se utiliza la técnica de bit-sttuffing. Esta técnica introduce un cero luego de cinco unos seguidos en el transmisor, mientras que en el receptor se utiliza la siguiente política:

• Si luego de cinco unos seguidos, se recibe un uno, el carácter que está en recepción es un flag.

• Si luego de cinco unos seguidos, se recibe un cero este se ignora y se descarta. Esta técnica permite una fácil identificación del inicio y fin de paquetes así como una rápida recuperación del sincronismo de transmisión.

III. DESARROLLO

El sistema desarrollado se compone de una red de transmisores/receptores de información (R-007 APRS), que se acoplan a un antiguo sistema de transmisión de radio HF existente. Los módulos R-007 APRS utilizan la señal de un GPS de 32 canales y 4Hz de update para establecer su posición así como su sincronización temporal. Por otra parte, poseen una interfaz de comunicación Bluetooth a través de la cual es posible vincularlo con una aplicación APRS en una terminal del sistema. Esta característica permite operar no sólo a través de una PC, sino también con dispositivos con interfaces Bluetooth como Tablets o SmartPhones. En la figura 4 se presenta un esquema básico de un sistema APRS compuesto por 2 unidades.

R-007 R-007

GPS GPS

Fig. 4. Sistema R-007 APRS

Los módulos R-007 APRS se encuentran contenidos en gabinetes de aluminio diseñados bajo especificaciones IP65 (IEC529) y NEMA 1, 2, 4, 4x, 12, y 13, con conectores MIL-C 26482, tal como se presenta en la Fig. 5. La implementación electrónica de los R-007 APRS se muestra en la Fig. 6.

Fig. 5. Implementación del R-007 APRS

Fig. 6. Implementación física de módulos R-007 APRS

Cada módulo (Fig. 7) posee un microcontrolador ARM STM32F105 de 32 bits, operando a 72MHz, que es el encargado de realizar la transmisión (activando el control del PPT) y recepción sobre el canal de audio. Los módulos poseen además un receptor de GPS que permite establecer la ubicación del equipo y comunicarla al resto de los dispositivos activos en la red. Esta acción puede ser realizada de forma manual (a través de un pulsador), de forma periódica en un intervalo establecido y sincronizado, ante cambios de la información (cambio de rumbo, de velocidad o de elevación) o mediante como respuesta a una petición de la base.

PTT

Audio In

Audio Out

Power

uC 32 bits

J1DDS

EEPROMO

ut

Au

dio

FIR

In

Au

dio

GPS

GND

BlueTooth Module

Virtual COM

Fig. 7. Diagrama en bloques de los módulos R-007 APRS.

El sistema admite el envío de mensajes de texto entre equipos y el envío de comandos. Estos comandos pueden ser la solicitud de posición a un equipo activo, activar o desactivar remotamente la transmisión de un equipo o realizar la configuración remota del dispositivo. Los paquetes de control son analizados por el microcontrolador, permitiendo un funcionamiento autónomo. La información transmitida dentro de los paquetes se encuentra cifrada mediante el algoritmo SHA-1 [5] y la clave pública se transmite en el cuerpo del mensaje.

Cada R-007 APRS utiliza una memoria EEPROM para el almacenamiento de la configuración del dispositivo. Entre los datos almacenados configurables por el usuario se pueden destacar: identificador del dispositivo, identificador de la base,

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tasa de transmisión, tiempos de guarda y de transmisión y radios de alerta. Asimismo, entre los datos no configurables por el usuario se encuentran versión de hardware, versión de software, tasas de muestreo, información de errores para debug, entre otros.

Una de las alternativas para la implementación de la modulación es la utilización de algún chip que realice esta función. Dada la obsolecencia de los chips módems se optó por la implementación del modem utilizando el mismo uControlador. Este realiza una DDS (Direct Digital Frequency Synthesis) para la transmisión de los datos sobre el canal. En cuanto a la recepción, el análisis es llevado a cabo mediante el uso de un filtro FIR. Estas características son detalladas en las siguientes secciones

A. Transmisión

Una transmisión se realiza, ya sea por un requerimiento manual, un requerimiento desde la aplicación en la terminal o por una transmisión programada. El microntrolador activa la lógica que se encarga de codificar la información según el estándar AX.25.

La conformación de la señal FSK se puede realizar con dos tipos fases: fase coherente y fase continúa [6]. Para este desarrollo se utilizó de fase continúa, debido a la disminución que ofrece la misma en el ancho de banda, así como la reducción de armónicas respecto a la de fase coherente .

Fig. 8. Tipos de fases en FSK.

Posteriormente, la transmisión de datos sobre el canal de audio se realiza a través del módulo DAC del microcontrolador. Se genera una señal senoidal a partir de una tabla que contiene almacenado 100 valores, con una precisión de 12 bits. Esta tabla es transferida al conversor utilizando la funcionalidad de DMA durante el intervalo de un bit. La frecuencia del DMA determina el tono que se produce a la salida del DAC. Esta frecuencia es determinada por un timer que se activa cada 8.3 microsegundos para frecuencias de 1200 Hz, y cada 4.5 microsegundos para la frecuencia de 2200 Hz.

B. Recepción

Se analizaron diversas alternativas de soluciones tanto hardware como software que permitan determinar la frecuencia de la señal de entrada.

En cuanto a las soluciones hardware, se analizó la utilización de chips dedicados, pero fue descartada debido, en algunos casos, a su obsolescencia. Otra alternativa en hardware es el uso de decodificadores DTMF (dual tone multi-frequency). Sin embargo, éstos están basados en sistemas PLL que necesitan más de un ciclo para su detección para ser eficientes.

Por otra parte, se analizaron soluciones software que permiten el procesamiento, siendo estás Zero-Cross y el uso de filtros FIR/IIR. Para el primer caso se observó que la técnica, si bien funciona, posee un alto costo asociado a la resincronización ante los cambios de frecuencia expuestos por la señal. De esta forma, se optó por la utilización de un filtro de Goertzel como derivado de una transformada discreta de Fourier (DFT).

El algoritmo de Goertzel es un filtro recursivo IIR con un par de polos conjugados de orden dos y es de sencilla implementación en un lenguaje C e incluso bajo una arquitectura de un microcontrolador [1]. A continuación de muestra la función transferencia:

fs

foNk

zzN

k

zezH

N

kj

k =

+

−

−=

−−

−

;2

cos21

1)(

21

12

π

π

(1)

Donde fo es la frecuencia del filtro y fs la frecuencia de muestreo.

Los paquetes recibidos desde la capa física son analizados por el microcontrolador, y dependiendo de la información recibida realiza la acción pertinente.

En todos los casos la información es retransmitida al dispositivo por Bluetooth, en el caso que exista un dispositivo vinculado.

C. Software APRS

El software desarrollado interactúa con los módulos R-007 APRS a través de un enlace Bluetooth (Fig. 9). Dentro de las posibilidades permite configurar las transmisiones periódicas, estableciendo el tiempo en segundos entre transmisiones, la habilitación ante eventos del cambio del estado del dispositivo (rumbo, velocidad o elevación), y la habilitación de transmisiones manuales. También brinda información del identificador de dispositivo, las versiones de software y hardware, y permite la selección de la etiqueta brindada al dispositivo vinculado, así como también el destinatario de los mensajes.

Fig. 9. Interfaz de configuración e información del dispositivo vinculado.

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La aplicación permite además de la mensajería de texto, enviar comandos al resto de los equipos de la red. Los comandos pueden ser de solicitud de posición, o de habilitación y deshabilitación (Fig. 10). En todos los casos, los mensajes pueden ser enviados a todos los equipos, o a uno en particular.

Fig. 10. Interfaz de comando y mensajería.

Se desarrolló además una aplicación Android con las mismas capacidades que las presentadas anteriormente, pudiendo ser instalada en un dispositivo portátil y utilizarlo como terminal del sistema (Fig. 11).

Fig. 11. Interfaz de aplicación para Android.

IV. RESULTADOS

El sistema fue evaluado utilizando varios equipos interactuando a través de una comunicación de radio HF. Se realizaron además de las pruebas de localización de la unidad (Fig. 12), testeo sobre el servicio de mensajería y envío de comandos. Como interfaz del sistema se utilizó la aplicación desarrollada ejecutando sobre PCs vinculadas a los dispositivos, mediante una conexión Bluetooth.

Fig. 12. Prueba de localización.

Los test llevados a cabo demostraron funcionalmente la capacidad del sistema. Los equipos se testearon tanto en laboratorio a una distancia aproximada de 20 metros entre ellos, así como distancia de 5 km aproximadamente.

Con estas pruebas se demostró el correcto desempeño del sistema. No se realizaron testeos para mayores distancias puesto que se analizó el sistema APRS desarrollado y no el equipo de comunicación HF.

V. CONCLUSIONES

En este trabajo se presenta un diseño de un sistema táctico que permite la localización de cada unos de los componentes, así como también la mensajería de texto. Dentro de sus características se destaca que es un sistema compacto y portátil, que se ajusta sin necesidad de modificación en los equipos de radio HF para el cual fue diseñado.

El sistema permite además establecer un vínculo desde una aplicación desde la cual se puede configurar u operar con el dispositivo. Este enlace se realiza de manera inalámbrica a través de una comunicación por Bluetooth, así como un Virtual COM. Esta característica brinda una mayor comodidad a los usuarios y se ajusta a las tecnologías emergentes. La aplicación corre sobre una PC, pero se ofrece además una APK Android que permite vincularse con los módulos a través de una Tablet o un SmartPhone.

REFERENCIAS [1] I. Wade: Automatic Position Reporting System. APRS Protocol

Reference. Protocol Version 1.0., Tucson Amateur Packet Radio Corporation, Tucson, 2000.

[2] Google Maps APRS, http://aprs.fi

[3] W.A. Beech, D.E. Nielsen, J. Taylor: AX.25 Link Access Protocol for Amateur Packet Radio, Tucson Amateur Packet Radio Corporation, Tucson, 1997

[4] Kennedy, G.; Davis, B. (1992). Electronic Communication Systems (4th ed.). McGraw-Hill International. ISBN 0-07-112672-4., p 509.

[5] D. Eastlake, P. Jones, "US Secure Hash Algorithm 1 (SHA1), IETF Request for Comments 3174, 2001.

[6] [Brandon, David. “Multichannel DDS Enables Phase-Coherent FSK Modulation,” Analog Dialog, Volume 44, November 2010.

[1] Goertzel, G., "An Algorithm for the Evaluation of Finite Trigonometric Series", American Mathematical Monthly 65 (1): 34–35, 1958.

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