IV Congreso Microelectrónica Aplicada (uEA 2013) 1 R · PDF fileUniversidad...

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  • R-007 APRS: Sistema Tctico de Reporte de Ubicacin Automtica

    Oscar Goi INTIA,

    UNICEN, Tandil, Argentina,

    [email protected]

    Leandro Aguierre Redimec SRL,

    Tandil, Argentina, [email protected]

    Lucas Leiva INTIA,

    UNICEN, Tandil, Argentina,

    [email protected]

    AbstractLos sistemas automticos de reporte de posicin (APRS) permiten determinar en tiempo real, la localizacin de un conjunto de dispositivos asociados. Estos sistemas se encuentran

    presentes tanto en sistemas de control, tcticos y de emergencia. Con la evolucin de los sistemas SIG (Sistemas de Informacin Geogrfica), 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 mensajera y determinacin de la posicin geogrfica de una red de dispositivos R-007 APRS, intercomunicados a nivel fsico por un enlace de radio. Los dispositivos cuentan con interfaz Bluetooth, que brinda una

    mayor flexibilidad y comodidad para la configuracin y uso, as como una conexin USB. Se presenta adems el software que interacta con cada uno de los dispositivos, y finalmente, los resultados experimentales obtenidos.

    KeywordsSistema Tctico; APRS; AX.25; Sistema Embebido

    I. INTRODUCCIN

    Los sistemas APRS (Automatic Position Reporting System) establecen un protocolo digital tctico de comunicacin utilizado para el intercambio de informacin entre un gran nmero de estaciones en un rea [1]. Fueron desarrollados e introducidos por Bob Bruninga, en el ao 1992.

    Constituyen un protocolo de comunicacin de paquetes, que son transmitidos en tiempo real a una red. En su configuracin ms simple, se componen de un transmisor/receptor de radio combinado con un receptor de GPS, permitiendo a los radioaficionados desplegar informacin de la ubicacin de las estaciones de radio y otros objetos en una PC. Tambin pueden utilizarse en redes de sensores, donde la concentracin de datos puede provenir de decenas de sensores. En trminos generales, un mdulo 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 informacin de diferentes regiones [2], ste no es el objetivo primario. Su principal objetivo est asociado a manejar informacin en operaciones crticas en tiempo real.

    Los sistemas APRS permiten el reporte de estaciones meteorolgicas, ubicacin y deteccin de unidades de un sistema, informes del estado de trnsito, transmisin de mensajes de texto, etc. Estos sistemas son utilizados para la ubicacin de vehculos de emergencia, localizacin de vehculos en carreras de rally, identificacin de lneas de suministro elctrico que presentan fallos, estado del clima en diferentes puntos de una regin, localizacin de unidades en operaciones blicas, entre otros.

    Fig. 1. Sistema APRS

    Si bien en los ltimos aos han emergido los sistemas de localizacin basados en GPRS, su funcionamiento est sujeto a la disponibilidad de seal y de servicio por parte de las operadoras. Adems, en sistemas donde el volumen de datos es importante, los costos del servicio pueden ser una limitante para su aplicacin, siendo aun mayor si se trata de un servicio de comunicacin satelital. En cambio, los sistemas APRS basados en radio al no estar sujeto a un proveedor de servicio, los costos se ven drsticamente reducidos. Dependiendo de la frecuencia utilizada, el rea de operacin 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 adems del servicio de localizacin, servicio de mensajera y transmisin de datos dentro de un sistema tctico. El principal objetivo es minimizar el impacto de su incorporacin sobre un sistema de comunicaciones existente. Adems pretende proveer flexibilidad para incorporar funcionalidad, y ofrecer

    IV Congreso Microelectrnica Aplicada (uEA 2013) 1

    Universidad Tecnolgica Nacional - Facultad Regional Baha Blanca RED_UIE

  • mecanismos de seguridad sobre la informacin transmitida. El sistema construido aporta una conexin inalmbrica Bluetooth con los dispositivos de interfaz, brindando de esta forma una mayor libertad a los usuarios, as como tambin una mayor adaptacin a las nuevas tecnologas.

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

    II. ARQUITECTURA DE APRS

    Un sistema APRS establece una comunicacin broadcast, de tal forma que todos los componentes del sistema son actualizados de manera inmediata a partir de la transmisin de un paquete. Adems soporta repetidores digitales, capaces de generar alias por sustitucin, para los identificadores de llamadas. Esto posibilita un correcto funcionamiento de la red, sin informacin alguna acerca de la topologa.

    Como se trata de un protocolo de paquetes, es posible incorporar otros tipos de mensajes en la informacin transmitida, por ejemplo la informacin de una estacin climtica, radiogoniometra, o servicios de mensajera. Dentro de las capacidades de un sistema APRS se encuentra el despliegue de ubicacin en mapas de la posicin de vehculos o personal, e incluso reportes climticos en tiempo real.

    En la capa de enlace, APRS utiliza el protocolo AX.25 [3] con frames de informacin no numerados (UI-frame). Este tipo de conexin 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 confirmacin de la recepcin. El uso de este tipo de frames permite la mensajera entre dos puntos, as como tambin el envo de boletines o anuncios con una rpida diseminacin de la informacin a los componentes del sistema.

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

    Flag

    1

    Destino

    7

    Origen

    7

    Repetidor

    Digital

    0 - 56

    Control

    1

    Protocolo

    1

    Informacin

    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 est codificado en el formato de identificadores de llamadas de AX.25 (6 caracteres alfanumricos y un SSID). Si el SSID es distinto de cero, especifica un repetidor digital.

    Origen: contiene el identificador de llamada APRS de la estacin transmisora.

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

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

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

    Campo de informacin: contiene los datos del sistema APRS. El primer carcter del campo identifica la naturaleza del dato transmitido.

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

    La intencin de los sistemas APRS es incorporar un mecanismo de transmisin de informacin con el mnimo impacto en el sistema de comunicacin de radio existente. De esta manera, cada uno de los mdulos mviles APRS se acopla a los canales de audio del receptor/transmisor de HF, VHF o UHF. El dispositivo, adems, debe ser capaz de coordinar y controlar el control de transmisin (PPT o Push to Talk) del sistema de transmisin

    En cuanto a la capa fsica, existe una estrecha relacin entre los mdems utilizados para transmisin de paquetes por radio. El mtodo de modulacin ms utilizado es AFSK (audio frequency-shift keying) [4]. Este mtodo utiliza el ancho banda de voz existente en el equipo de radio. La modulacin Bell 202 es el estndar que se mantuvo para las operaciones de VHF en la mayora de las reas, con una frecuencia de 1200 bps y basada en una modulacin AFSK (Audio Frequency-Shift Keying)

    Dada su simplicidad, es posible el envo de paquetes de datos a travs 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 recuperacin del sincronismo, los datos son codificados diferencialmente con un patrn NZRI. En este patrn, un dato con valor cero se traduce como un cambio de tono. En la Fig. 3 se presenta un ejemplo de transmisin, con su correspondiente representacin binaria.

    1 0 1 0 1 Fig. 3. Transmisin FSK.

    De esta manera, un cero es indicado como un cambio en la frecuencia de la seal (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 transmisin 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 ms unos seguidos o bien en donde dos caracteres sucesivos tengan ms de cinco unos seguidos,