SISTEMA DIDÁCTICO PARA PRÁCTICAS DE TELEMETRÍA

Esteban Rubio Ochoa, Sergio González Duarte, Jorge Antonio Cardona Soto, Carlos Omar Seáñez Hernández y Jessica Hieraldin Aguirre Fernández

Departamento de Mecatrónica y Energías Renovables

Universidad Tecnológica de Chihuahua Av. Montes Americanos 9501 Chihuahua, Chih., C.P. 31216

{erubio, sgonzalez, jcardona, cseanez}@utch.edu.mx

Resumen: El campo de la telemetría nace de la necesidad de transmitir información desde un lugar a otro, principalmente por la incapacidad de poder tomar mediciones o monitorear variables físicas directamente del sistema, así que el objetivo primario de la telemetría es transmitir información entre locaciones remotas de manera precisa. De acuerdo a literatura reportada, un sistema de telemetría puede ser dividido en dos grandes sub-sistemas funcionales: El sub-sistema de transmisión y el de recepción. Este trabajo presenta la realización de un sistema de transmisión y recepción de datos para prácticas de telemetría. El sistema propuesto se basa en que de manera remota se calcule la velocidad de un motor eléctrico, para después ser transmitida de manera inalámbrica vía un módulo de transmisión Xbee S1. Una vez recibida esta información, es analizada y desplegada en una interfaz de usuario desarrollada en el software LabView. Se presentan los resultados del cálculo y transmisión-recepción de datos con diferentes valores de las variables involucradas en este proceso. Se expone cómo se ha creado la plataforma para la adquisición, transmisión inalámbrica y análisis de datos obtenidos de un tacómetro, dando paso a la adecuación para la medición de diversas variables, así como trabajo futuro para el control de variables desde una locación remota. Palabras clave: Telemetría, Didáctico, Inalámbrico.

1. INTRODUCCIÓN

El propósito de este artículo es la documentación y divulgación del trabajo realizado para la construcción un sistema de transmisión y recepción de datos vía remota para la práctica de telemetría en sistemas embebidos. Nuestra hipótesis inicial indica que el desarrollo de un equipo didáctico de telemetría presentará al alumno una oportunidad de integrar transversalmente las diferentes áreas académicas que componen el programa de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Tecnológica de Chihuahua y lo enfrentará a problemas cercanos al ámbito laboral.

El uso de la telemetría se extiende a una amplia gama de aplicaciones como la militar (Council, 2006), para recuperar datos acerca el estado y ubicación de satélites (Crowley, 1997), así como en la rama de la biomédica (RamRakhyani & Lazzi, 2013), (Jack-Soh, Van

den Berg, & Hantao, 2013). Así mismo, (Cocco & Daponte, 2008) revisan los aspectos más importantes más importantes en la telemetría de un automóvil de la Fórmula 1. Así la consulta de literatura corrobora a la telemetría como una línea de investigación vigente.

2. SISTEMA DE TELEMETRIA

De acuerdo a (Council, 2006), un sistema de telemetría puede ser dividido en dos grandes sub-sistemas funcionales: El sub-sistema de transmisión y el de recepción. Dado que cada uno de estos dos sub-sistemas cuenta con una serie de elementos que pueden afectar la calidad de la información transmitida (transductores, acondicionadores de señal, procesadores de señales, antenas, etc.), ha sido necesario tener el entendimiento de la funcionalidad de cada uno de los elementos, así como las características principales que aseguren una transmisión de datos confiable. En la figura 1 se muestra el diagrama a bloques del sistema telemétrico implementado.

En la primera fase de desarrollo para este sistema se propone la aplicación de la medición de las revoluciones de un motor eléctrico a través de un tacómetro de efecto Hall. Un sensor de efecto Hall se sirve del efecto Hall para que, por medio de la detección de un campo magnético se pueda determinar la posición de un objeto de interés. 2.1 Sub-sistema de transmisión de datos De manera remota se localiza un motor eléctrico, el cual mediante un sensor de efecto Hall y una etapa de acondicionamiento basado en comparadores, transmite un tren de pulsos proporcional a la velocidad del motor eléctrico.

La etapa de adquisición de datos se lleva a cabo mediante un sistema basado en micro

controlador PIC 16F887. La transmisión inalámbrica se implementa por medio del módulo de transmisión RF IEEE 802.15.4 Xbee S1 con rango de transmisión de hasta 100m en interiores y hasta 300m en exteriores a línea de vista. En la figura 2 se muestra el diagrama

Figura 1. Sistema de telemetría.

eléctrico implementado para la transmisión de datos de manera inalámbrica. En la sección izquierda del diagrama se tiene la etapa de sensado, en el cual, se coloca un pequeño imán en disco rotatorio del motor eléctrico, cerca de él, se posiciona el sensor de efecto Hall, de modo que pueda percibir el campo magnético producido por el imán que se encuentra girando con una velocidad angular dada. La señal intermitente producida por el sensor de efecto Hall es constantemente comparada con un valor de referencia ajustado en el amplificador operacional comparador, de manera que ésta señal es acondicionada a un tren de pulsos de nivel TTL directamente proporcional a la velocidad angular de la flecha del motor eléctrico e introducido al micro controlador.

Figura 2. Diagrama eléctrico sistema de transmisión de datos.

Una vez adquirido el tren de pulsos por el micro controlador, éste realiza un conteo de pulsos equivalente a las revoluciones generadas en un lapso de tiempo dado. La manera de obtener las revoluciones por minuto del motor eléctrico está dada por la siguiente fórmula:

𝑉! = 60 !"!!

(1)

Donde 𝑉! es la velocidad calculada del motor eléctrico, dada en revoluciones por minuto, 𝐶𝑅 es el conteo de revoluciones en el micro controlador y 𝑇! es el tiempo de muestreo o intervalo de tiempo entre cálculos de velocidad. Una vez obtenidos los cálculos de velocidad por parte del micro controlador, se envía de manera serial una cadena de caracteres con la información de la velocidad obtenida para ese lapso de tiempo, enviándola de manera inalámbrica por medio del módulo de transmisión XBEE S1.

Figura 2. Diagrama eléctrico sistema de transmisión de datos.

2.2 Sub-sistema de recepción de datos Para la recepción de información, se cuenta con una tarjeta de comunicación USB adaptada al receptor XBEE S1, la cual se comunica a una interface de usuario desarrollada en LabView para la visualización y análisis de información. En la figura 3 se muestra la interfaz de usuario desarrollada para la realización de este trabajo, donde, el usuario es capaz observar la velocidad instantánea del motor eléctrico mediante un indicador numérico desplazamiento, así como la gráfica del historial de datos tomados en los últimos 60 muestreos. El número de datos a desplegar en la gráfica de historial es configurable por el usuario.

3. RESULTADOS

Esta sección presenta los resultados obtenidos tanto en el cálculo de la velocidad el motor eléctrico, como las implicaciones de envío de datos inalámbricamente a diferentes distancias y condiciones. En el cálculo de velocidad del motor eléctrico, se realiza la comparación con un tacómetro óptico comercial modelo DT-2234C, cuyas lecturas se consideran el valor real para la realización de los experimentos reportados en esta sección. En la tabla número 1 se muestran los resultados de las velocidades calculadas por el micro controlador a una distancia de transmisión inalámbrica constante 𝐷! = 2𝑚, a diferentes velocidades de referencia 𝑉!, en diferentes intervalos de muestreo 𝑇! y con un número constante de muestras 𝑠 = 30.

Figura 3. Panel frontal de estación de monitoreo.

Tabla 1. Cálculo de velocidades a distancia de transmisión constante.

𝐷! = 2𝑚 Velocidad calculada 𝑉!

𝑉! 𝑇! = 500  𝑚𝑠 𝑇! = 1  𝑠 𝑇! = 2  𝑠 900 R.P.M. 𝜇 = 867 𝜎 = 42.06 𝜇 = 871 𝜎 = 33.33 𝜇 = 879 𝜎 = 24.21 1100 R.P.M. 𝜇 = 1022 𝜎 = 38.54 𝜇 = 1041 𝜎 = 34.14 𝜇 = 1057 𝜎 = 29.48 1500 R.P.M. 𝜇 = 1298 𝜎 = 37.19 𝜇 = 1392 𝜎 = 36.52 𝜇 = 1397 𝜎 = 35.64 2000 R.P.M. 𝜇 = 1797 𝜎 = 47.78 𝜇 = 1808 𝜎 = 45.05 𝜇 = 1915 𝜎 = 42.42

Las 30 lecturas tomadas para cada una de las velocidades de referencia y tiempos de muestreo ajustan a una distribución normal de media aritmética 𝜇 y desviación estándar 𝜎. En la tabla 1 se pueden observar las implicaciones de la velocidad del motor y el tiempo de muestreo sobre la velocidad calculada. Se observa que entre más baja sea la velocidad del motor y más alto el tiempo de muestreo las distribuciones de datos se asemejan más al valor de referencia obtenido con el tacómetro óptico, por otra parte, entre mayor sea la velocidad del motor eléctrico y menor el tiempo de muestreo, la distribución de datos aparece más dispersa y alejada del valor de referencia.

En la tabla 2 se muestra la tabla con las lecturas a velocidad de referencia constante

𝑉! = 1000  𝑅.𝑃.𝑀., para diferentes tiempos de muestreo y diferentes distancias de transmisión 𝐷! en interiores.

En los resultados mostrados en la tabla 2 se muestra que la velocidad calculada 𝑉! que posteriormente será mostrada en la interface de usuario se muestra consistente con los resultados mostrados en la tabla 1 en distancias menores a 30 m, que es la distancia máxima provista por el fabricante de los módulos de transmisión y recepción inalámbrica XBEE. Se observa que para distancias menores a 30 m, la cercanía del valor calculado y el valor de referencia no dista de manera considerable. La dispersión de datos se hace manifiesta en distancias iguales o mayores a 30 m, donde, el valor de la media aritmética se aleja considerablemente del valor de referencia, y la desviación estándar aparece se aleja grandemente de los valores de desviación estándar para otras condiciones, donde la distancia de transmisión está dentro del rango de transmisión provisto por el fabricante. Obtenidos estos últimos resultados, se realizó el análisis de datos para determinar la causa del alejamiento de la media y desviación estándar de los conjuntos de datos para distancias iguales o mayores de la distancia máxima de transmisión, encontrando varios valores cero, debidos a pérdida de datos en el proceso de transmisión-recepción inalámbrica. Para eliminar el peso que proporcionan estos valores cero a la distribución de valores en una distribución normal, se les realizó un filtrado de mediana con una ventana de 5 datos, obteniendo así los datos de la tabla 3, que se obtienen de filtrar los conjuntos de datos de la tabla 2.

Mediante el filtrado de mediana a los conjuntos de datos mayores o igual a la distancia máxima de transmisión se ha logrado el forzamiento a una tendencia central a condiciones constantes, sin importar si la distancia de transmisión está dentro o fuera de la distancia

Tabla 2. Cálculo de velocidades a velocidad de referencia constante.

𝑉! = 1000  𝑅.𝑃.𝑀. Velocidad calculada 𝑉!

𝐷! 𝑇! = 500  𝑚𝑠 𝑇! = 1  𝑠 𝑇! = 2  𝑠 5 m 𝜇 = 938 𝜎 = 41.73 𝜇 = 943 𝜎 = 31.86 𝜇 = 946 𝜎 = 27.92 15 m 𝜇 = 945 𝜎 = 36.94 𝜇 = 929 𝜎 = 37.94 𝜇 = 952 𝜎 = 28.85 30 m 𝜇 = 821 𝜎 = 329.60 𝜇 = 805 𝜎 = 323.332 𝜇 = 829 𝜎 = 332.68 40 m 𝜇 = 729 𝜎 = 410.37 𝜇 = 719 𝜎 = 399.88 𝜇 = 734 𝜎 = 413.54

máxima provista por el fabricante, para esto, claro, se ha de asegurar la transmisión adecuada de un porcentaje significativo de datos.

4. CONCLUSIONES

Se concluye exitosamente la etapa inicial del proyecto donde se pretende que alumnos de la Universidad Tecnológica de Chihuahua puedan reforzar las competencias adquiridas a lo largo de su formación profesional mediante un sistema didáctico de telemetría.

Hasta este punto se ha logrado crear la plataforma para la adquisición, transmisión inalámbrica y análisis de datos obtenidos de un tacómetro, dando paso a la adecuación para la medición de diversas variables, así como trabajo futuro para el control de variables desde una locación remota.

Los resultados expuestos en este trabajo muestran de qué forma influyen las diversas variables involucradas en este proyecto a la adecuada transmisión, recepción, análisis y despliegue de datos provenientes del sistema propuesto. Las condiciones más adecuadas para el cálculo, transmisión, recepción y despliegue de datos, son:

o Distancias de transmisión dentro de los rangos provistos por el fabricante de los

módulos inalámbricos o Bajas velocidades del motor eléctrico o Tiempo de muestreo lo más prolongado posible

Sin embargo estas condiciones no serán siempre posibles por las implicaciones directas

que conllevan. Por ejemplo, un tiempo prolongado de muestreo tendría como consecuencia un sistema lento cuando se proyecte a su etapa de control de variables físicas, mientras que la baja velocidad del motor acotaría el funcionamiento del sistema. De manera adicional, técnicas de filtrado como el utilizado para distancias de transmisión fuera de los límites adecuados, lleva consigo un tiempo de análisis de datos mayor, lo que provocaría un sistema de control lento.

Tabla 3. Cálculo de velocidades a velocidad de referencia constante.

𝑉! = 1000  𝑅.𝑃.𝑀. Velocidad calculada 𝑉!

𝐷! 𝑇! = 500  𝑚𝑠 𝑇! = 1  𝑠 𝑇! = 2  𝑠 5 m 𝜇 = 938 𝜎 = 41.73 𝜇 = 943 𝜎 = 31.86 𝜇 = 970 𝜎 = 27.92 15 m 𝜇 = 945 𝜎 = 36.94 𝜇 = 929 𝜎 = 37.94 𝜇 = 952 𝜎 = 28.85 30 m 𝜇 = 929 𝜎 = 43.81 𝜇 = 952 𝜎 = 35.56 𝜇 = 967 𝜎 = 27.76 40 m 𝜇 = 942 𝜎 = 33.50 𝜇 = 943 𝜎 = 25.51 𝜇 = 949 𝜎 = 37.30

5. REFERENCIAS

1. Cocco, L., & Daponte, P. (2008). Metrology and Formula One Car. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference (págs. 755-760). Vancouver Island, BC, Canada: IEEE.

2. Council, R. C. (2006). Telemetry Applications Handbook. New Mexico, USA: Telemetry Group U.S. Army White Sands Missile Range.

3. Crowley, N. (1997). Analysis of Telemetry Satellite Data. IEEE Aerospace Conference (págs. 57-67). Aspen, CO, USA: IEEE.

4. Jack-Soh, P., Van den Berg, B., & Hantao, X. (2013). A Smart Wearable Textile Array System for Biomedical Telemetry Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , 1-9.

5. Pohl, A., Steindl, R., & Leonhard, R. (1999). "The Inteligent Tire" Utilizing Passive SAW Sensors - Measurement of Tire Friction. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , 1041-1046.

6. RamRakhyani, A., & Lazzi, G. (2013). On the Design of Efficient Multi-Coil Telemetry System for Biomedical Implants. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems , 11-23.