TRANSMISION DE DATOS POR MEDIO DE MODULOS XBEE 900, …

Transmisión de datos por medio de módulos XBEE 900, para medición de contaminantes atmosféricos.

TRANSMISION DE DATOS POR MEDIO DE MODULOS XBEE 900, PARA MEDICION DE CONTAMINANTES ATMOSFERICOS.

AUTOR

SANTIAGO ACEVEDO ROJAS

ASESOR

ANDRES MAURICIO CARDENAS

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA – SECCIONAL MEDELLIN FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA ELECTRONICA

MEDELLIN 2012


2. RESUMEN DE LA PROPUESTA.

El Valle del Aburra no cuenta con modelos de dispersión de contaminantes que se adapten a las condiciones geográficas propias, por lo cual no ha sido posible conocer el comportamiento de las emisiones antropogénicas en su tropósfera y los efectos que por los flujos normales del aire, tengan sobre sus vecindades. Por esto, se propone el diseño e implementación de un sistema para la medición de gases contaminantes y otras variables, que permita ser incluido en diseños futuros de Vehículos Autónomos Aéreos, ahora, a fin de cumplir con este propósito, se establecen criterios de diseño electrónico que soporten las condiciones puntuales a las que serán sometidos los diferentes instrumentos de medición. La caja de instrumentos permitirá marcar las rutas seguidas mediante GPS, tomar fotografías aéreas georeferenciadas y podrá medir gases como dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, metano y ozono, y a su vez capturará variables como la temperatura, la presión atmosférica, la altitud y la humedad. Finalmente todos los datos serán transmitidos vía radiofrecuencia para que estaciones de control puedan monitorear la trayectoria que la Caja de Instrumentos ha seguido. Con este sistema se pretende obtener nuevos datos de la calidad del aire urbano que complemente los que están siendo utilizados actualmente en la región.

2.1 Grupo de investigación en modelamiento y simulación. 2.2 Línea de investigación en Robótica, sistemas de control y potencia. 2.3 Área: Instrumentación Electrónica. 2.4 Tema: Telemetría


3. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA.

3.1. Introducción

Los problemas ambientales que está viviendo el planeta en la actualidad son de prioridad máxima para todos los habitantes del planeta ya que si nosotros mismos no nos preocupamos por el entorno en el que estamos viviendo entonces nadie lo va a hacer. Los gases de invernadero, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono y otras variables ambientales son las principales causantes del daño de la capa de ozono y es una obligación tener monitoreadas este tipo de variables para así poder actuar a tiempo y hacer de la vida cotidiana un mejor vivir. El proyecto consiste en construir una plataforma aérea capaz de medir ciertas variables ambientales, con el fin de poderlas estudiar, almacenar y tener unas estadísticas de las mismas. Estas variables serán enviadas en tiempo real a una central para su almacenamiento aunque la plataforma aérea también contara con un dispositivo capaz de almacenar todos los datos recogidos en los recorridos que se realicen, los sensores serán especializados dependiendo la variable a medir y estos estarán conectados a un micro controlador que será el encargado de almacenar y retransmitir los datos para que luego puedan ser enviados por los módulos de transmisión. La transmisión de los datos se realizara por medio de los módulos de transmisión Xtend que utilizan antenas de alta ganancia y se implementaran en la plataforma aérea, en las bases designadas y en una unidad móvil que estar constantemente siguiendo desde tierra a la plataforma aérea para garantizar la cobertura total del área monitoreada, ya que el proyecto se probara inicialmente en el valle del aburra, que corresponde a los municipios de Medellín, Envigado, Bello, Itagui, Copacabana, y los corregimientos de Santa Elenena, San Antonio de Prado, Altavista y Palmitas. Si tenemos en cuenta el mapa donde se encuentran ubicados todos estos lugares vemos que es un valle muy extenso donde hay precipitaciones que interrumpen la línea de vista de la transmisión emisor-receptor, y es por esto que se ve la necesidad de tener 3 bases fijas ubicadas en el norte, centro y suroccidente de la ciudad, al igual de una unidad móvil que siga a la plataforma aérea. El modelo de transmisión que se va a utilizar tanto en la plataforma aérea como en los puntos bases designados y la unidad móvil serán los módulos de transmisión Xtend 900 1W RPSMA – 40mil range, capaces de alcanzar una distancia máxima en línea de vista de 44Km si se utiliza una antena de alta ganancia y la topología de red, será multipunto y se dara prioridad al receptor más cercano sin tener en cuenta la unidad móvil, para así garantizar una buena recepción de los datos.

3.2. Estado del Arte. Según la Organización Mundial de la Salud, las enfermedades respiratorias derivadas de la contaminación del aire llegaron a un valor máximo de 30% para el año 2004. Se ha observado una relación entre lugares con altas concentraciones de partículas suspendidas y enfermedades cardiovasculares, cáncer, alergias, afección en la vida vegetal y otros, lo cual ha llevado a generar investigaciones internacionales y nacionales, que busquen minimizar, controlar o al menos conocer las causas y consecuencias de la contaminación.


De las Guías para la Calidad del Aire realizada por la OMS, existen tres fuentes de contaminación del aire, estacionarias, móviles y de interiores (Organización Mundial de la Salud, 2004). Cada una de estas proviene de actividades comunes del ser humano; sin embargo, según la región, algunas se imponen más que otras. Por esto, es necesario caracterizar y estudiar cuáles son las actividades humanas que más producen contaminantes, teniendo en cuenta las características especiales de cada región. El Valle de Aburrá en el departamento de Antioquia, cuenta con algunas características topográficas particulares que no permiten que los gases emitidos por el gran asentamiento de zonas industriales y el tráfico automotor se dispersen en el aire (Alcaldía de Medellín, 2006). El efecto de encañonamiento sumado al comportamiento de los vientos, hacen que las emisiones antropogénicas permanezcan durante más tiempo en la tropósfera del Valle, lo cual ha llevado a generar interrogantes y al planteamiento de estudios sobre el comportamiento del material particulado en el aire. En la ciudad de Medellín, se cuenta con la Red de Vigilancia de la Calidad del Aire (REDAIRE, 2005), la cual se encarga del monitoreo de la calidad del aire urbano en 21 estaciones terrestres de medición. El material particulado en suspensión se analiza a partir de la medición con muestreadores de alto volumen en 15 sitios en el Valle de Aburrá y las partículas menores a 10 micras, el ozono y monóxido de carbón, son evaluadas en otras 6 estaciones. Los resultados obtenidos de la medición permiten la emisión de boletines sobre la calidad del aire y ante todo, la caracterización de los sitios críticos que presentan una mayor producción de gases contaminantes. La sede Medellín de la Universidad Nacional de Colombia (Agencia de Noticias UN, 2010 ) está construyendo un detector y localizador de luz, LIDAR, con el que se pretende analizar la tropósfera de Medellín, a una altura máxima de 3Km, lo cual permitirá la medición de gases contaminantes, velocidad del viento, temperatura y otras variables que afectan la dinámica de la atmósfera. A pesar de las ventajas de este dispositivo, es necesario realizar una calibración de la medición, ya que no se conoce la dinámica atmosférica del Valle de Aburrá, por lo que marca la necesidad de otro elemento verificador de los datos emitidos por el dispositivo laser. Otra técnica de medición de gases contaminantes, fue suministrada en diciembre de 1999. La NASA lanzó un satélite llamado Terra, con el que se pueden procesar imágenes digitalmente para conocer entre otros, el aerosol, el vapor de agua y perfiles atmosféricos. Con ayuda del Espectrorradiómetro MODIS (National Aeronautics and Space Administration, 1999), es posible caracterizar gases por medio del análisis de 36 bandas espectrales correspondientes a perfiles infrarrojos que van desde 0.4µm y 14.4µm, los cuales pueden aproximarse a contaminantes específicos. Debido a la órbita polar del satélite, es posible tomar imágenes entre 1 y 2 días, con lo que ha sido posible una mejor compresión de la dinámica de los procesos que ocurren en la baja atmósfera de la tierra.

Con base en lo expuesto, se puede decir que los antecedentes son de alto valor para este proceso investigativo, ya que dan una idea de lo que se ha tratado de hacer, y así mismo, hacen pensar en lo que le hace falta en cada una de ellas para que puedan ser utilizadas en el Valle de Aburrá.


3.3. Marco Teórico

3.3.1. SIMULACION DE LA RED DE COMUNICACIÓN ENTRE LAS TRES CENTRALES UTILIZANDO ANTENAS DE ALTA GANANCIA La simulación se realizo con dos modelos de transmisión para así poder tener una comparación del alcance obtenido. Los modelos son el módulo de transmisión Xbee Pro 900 XCS RPSMA y el módulo Xtend 900 1W RPSMA – 40mil range. La diferencia de los resultados se da a la alta ganancia que posee el módulo Xtend frente al módulo Xbee, por lo cual se prevé que es mejor trabajar con dicho modulo para así abarcar más espacio, y ser mas optimo; pero en el practica al configurar este modulo con los micro controladores Arduinos no se posee el resultado obtenido que en las simulaciones por lo que es concluido que el proyecto se realizara con módulos Xbee pro 900. Veremos la diferencia de cobertura entre los dos dispositivos, siendo notable la superioridad del módulo Xtend, pero las dificultades técnicas de configuración a la hora del trabajo de campo, hacen al módulo Xbee protagonista de este proyecto, ya que su configuración básica es única, y la necesaria para obtener los resultados requeridos. A continuación se mostrara como es la cobertura teniendo fijas las tres centrales de monitoreo para la recepción de datos, estas tres centrales son la Universidad de San Buenaventura cede centro, Universidad de San Buenaventura cede Bello y la universidad de Medellín. Esta simulación se hizo gracias al programa Radio Mobile el cual nos permite variar una serie de condiciones que son necesarias a la hora de hacer transmisiones en línea de vista como lo son la potencia de las antenas, la ganancia de las mismas y generar una serie de perdidas ambientales como lo son el clima, los arboles y cualquier otro tipo de obstáculo. Por medio de las coordenadas de las tres centrales que se obtuvieron por medio de google earth se puede hacer una simulación completa de los puntos que abarca el monitoreo en el valle del aburra.


Imagen 1.

Este es el mapa de cobertura total a una altura de 4000 metros utilizando la unidad móvil en recorridos circulares y con las tres centrales disponibles.


Imagen 2.

Como se puede observa teniendo los equipos ideales se puede abarcar todo el valle del aburra, y poder tener una completa medición en todos los sectores de la ciudad, para no perder ninguna variación, ya que el terreno a medir este conformado por curvas de nivel precipitadas y altos picos en medio de la ciudad.

3.3.2 Xbee pro 900 XCS RPSMA

Lo siguiente es solo teniendo en cuenta el modulo de comunicaciones XBee Pro 900 XSC RPSMA en todos las unidades (UDM, san Benito, bello, globo)

Los puntos marcados en el siguiente mapa fueron obtenidos mediante las coordenadas libre de google earth las cuales tiene un error de 3 arc menos de 100mt de error. De los 3 puntos solo la Universidad de medellin y san benito tienen linea de vista. Esto deja por fuera la universidad de bello a menos que se instale una antena repetidora de alta ganacia. Sin embargo cabe hacer la aclaracion que que luego de 1700mt s de altura el globo (si se encuentra en la region sur del valle de aburra) se comunica con este punto. El siguiente mapa cubre 50km a la redonda tomando como centro san benito.


Imagen 3.

La siguiente imagen muestra la cobertura que se presenta utilizando los 2 puntos de la Universidad San Buenaventura (centro y bello) y la Universidad de Medellin. El area en amarillo es el area efectiva en la cual la unidad movil aerea puede desplazarce y estar dentro del arango activo de la red.


Imagen 4.

Teniendo una conexión estable entres los tres puntos terrestres de red y la unidad movil se puede abarcar todo el valle del aburra, teniendo una señal optima para evitar cualquier perdida de informacion a la hora de transmitir.


Imagen 5.

Como se puede observar para los parámetros introducidos con los tres puntos tenemos que el area del valle de aburra esta cubierta. ( el análisis toma en cuenta que la unidad mobil nuestros globo estará a una altura baja menor 1000 metros ) .

3.3.3 Xtend 900 1W RPSMA – 40mil range.

Teniendo en cuenta otro modelo, tenemos el transmisor Xtend 900 1W RPSMA – 40mil range, que trabaja en la frecuencia de 902-928 Mhz y que nos brinda una mejor distancia de transmisión sin tener que implementar antenas repetidoras o módulos de retransmisión. Este tiene dos tipos de configuración, el primero nos brinda un rango de distancia de funcionamiento de 22Km con una antena de dipolo y de 64Km si se utiliza una antena de alta ganancia, teniendo una velocidad de 9600bps y una sensibilidad de -110dBms. Si hablamos de la otra configuración, el xtend nos brinda una distancia de 12Km con una antena dipolo, y 32Km con una antena de alta ganancia, con una velocidad de 115.200bps y una sensibilidad de -100dBms. La potencia de transmisión es de 0.1 a1 W y requiere un voltaje de 4.5V Dcminimo a 5.5VDc máximo.


Las coberturas anteriores son validad para los xtend. Es necesario ver el comportamiento de la señal transmitida en diferentes puntos de la ciudad para garantizar la señal. A continuación tendremos la cobertura en diferentes puntos de la ciudad, utilizando la unidad móvil, y los puntos fijos, ubicándolos estratégicamente en puntos altos de la ciudad o sitios alejados de los lugares de recepción.

El siguiente es un mapa de la ciudad de Medellín a 50km. Este nos muestra donde se encuentran los posibles puntos fijos de la aplicación e introduce un punto móvil que se ubicara en diferentes lugares estratégicos para dar un mayor rango de cobertura al globo lanzado.

Imagen 6. Ubicación de la unidad móvil santa Elena

Para tener una mayor garantía de los datos obtenidos, y por medio de pruebas de simulación, se opta por tener una unidad móvil aparte de las unidades fijas terrestres que ya se encuentran destinadas en la Universidad de Medellín, y las sedes del Centro y Bello de la


Universidad San Buenaventura. La unidad móvil se implementa ya que la la ciudad tiene puntos muy apartados de las bases de recepción y aparte tiene puntos altos que interfieren con la señal transmitida entre el emisor y receptor, eso conlleva a tener perdida de datos, lo que puede afectar la medición exacta de las variables atmosféricas, es por eso que se adapta una unidad móvil terrestre que este en el mismo sector de medición para que esté recibiendo los datos en tiempo real de los valores medidos, para ya luego descargarlos en la base de datos y tener como sustentar los datos si es necesario en casos de pérdida de transmisión.

ORIENTE Este mapa nos muestra el rango de cobertura que se obtiene con la unidad móvil ubicada en el sector oriental de la ciudad (Santa Elena). Con un tx power de 0.5wt y una antena de 2.1 dbi y una altura del globo de 1500 mts sobre el nivel del suelo. Sin embargo se recomienda que la unidad móvil posea una antena de alta ganancia 7 dbi mínimo. Como podemos observar el rango que cubre es desde bello hasta Itagüí desde una altura superior a 1000mt.

Imagen 7. Cobertura. Unidad móvil en santa Elena

OCCIDENTE


Ubicando la unidad móvil en la carretera Medellín-San Pedro; Con un tx power de 0.5wt y una antena de 2.1 dbi y una altura del globo de 1500 mts sobre el nivel del suelo. El rango de cobertura solo utilizando la unidad móvil será. Mapa de ubicación unidad móvil occidente, globo norte de la ciudad

Imagen 8.Ubicación de la unidad móvil. Carretera San Feliz

Mapa de cobertura del sector, noroccidental de la ciudad.


Imagen 9. Rango de cobertura. Unidad móvil en San Pedro

SUROCCIDENTE Ubicando la unidad móvil en el barrio el rodeo. Con un tx power de 0.5wt y una antena de 2.1 dbi y una altura del globo de 1500 mts sobre el nivel del suelo. El rango de cobertura solo utilizando la unidad móvil será. Mapa de ubicación unidad móvil, suroccidente, globo norte de la ciudad


Imagen 10. Ubicación de la unidad móvil. El rodeo.

Mapa de cobertura del sector, noroccidental de la ciudad.

Imagen 11. .Ilustración 4.rango de cobertura. Unidad móvil en el rodeo


3.3.4 Sistema de comunicación: Se pretende utilizar un módulo de comunicación Xbee PRO 868/900 o xteed que está basado en el protocolo de comunicación ZigBee; el cual sigue el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas. Este tipo de elementos permiten la comunicación de modo bidireccional en modos punto a punto y punto a multipunto, por lo que la interoperabilidad entre diferentes dispositivos es sencilla.

Imagen 12. Transmisor-receptor Xbee Pro 868.

Imagen 13. Transmisor-receptor 9Xtend OEM RF Module.

El dispositivo mostrado en la imagen 12 tiene un alcance de 80Km a línea de vista que sumado a su bajo consumo de corriente, su peso ligero, la comunicación sin coordinadores Peer to Peer y la transparencia en la comunicación, facilitan el diseño de sistemas de desarrollo Ya que el protocolo ZigBee permite la comunicación entre varios nodos, es posible configurar redes de distinta estructura, como estrella, árbol y malla. Según la aplicación específica se puede utilizar estas topologías, sin embargo, la conexión en malla es la más utilizada pues permite una conexión por diferentes nodos, así, cuando uno de ellos falla, la comunicación puede hacerse por otro, lo cual aumenta la confiabilidad y seguridad de la información. Además permite la adaptación de otros dispositivos como


lo son el mostrado en la imagen 13, teniendo así una completa red de transmisión y recepción de datos, y haciendo una red mucho más robusta.

3.4 Descripción general del funcionamiento del sistema. El sistema se implementara con 4 antenas terrestres de las cuales 3 serán fijas y estarán ubicadas en la Universidad san buenaventura sede centro y bello, y en la Universidad de Medellín, y una cuarta antena ubicada en una unidad móvil que servirá de apoyo en la transmisión de datos, para asi garantizar los datos medidos en caso de que haya alguna perdida de comunicación entre la unidad aérea y los puntos fijos de recepción. La quinta antena estará ubicada en la unidad móvil aérea El tipo de antenas utilizadas para las centrales fueron unas antenas tipo yagi de 8 dBi de ganancia y de 50 Ω y que trabaja en la frecuencia de 900Mhz, su referencia es Nlos 900Mhz Netlrom W980 . Para la unidad móvil se utilizo una antena omnidireccional de 2.1 dBi y 50 Ω, su referencia es P09-HASM-675. El funcionamiento es montar una red que permiten la comunicación de modo bidireccional en modos punto a punto y punto a multipunto, por lo que la interoperabilidad entre diferentes dispositivos es sencilla, y fácil de manejar, dando así la mejor combinación de transmisión. La instrumentación se compondrá de un conjunto de subsistemas encargados, cada uno, de una función específica, tal como se muestra en la imagen 14. La tarjeta IR-EK2 junto con los sensores infrarrojos proporcionarán la concentración de dióxido de carbono y metano aplicando tecnología infrarrojo. El dispositivo MISC-EK1 permite la utilización de la tecnología de óxido de metal semiconductor para la medición de monóxido de carbono y dióxido de nitrógeno. Esta tarjeta a su vez proporcionará información respecto a temperatura y humedad a través del sensor SHT11 instalado en un socket especial para este mismo. De la tarjeta EK1 se encontrará el módulo MICS-OZ-47 que detectará ozono en concentraciones bajas, típicas en la tropósfera. Los dispositivos IR-EK2 y MISCS-EK1 cuentan con su propio protocolo serial, que es diferente uno del otro, por lo que será necesario incluir un multiplexor que consulte los datos procesados por cada módulo. Ahora esta información recopilada por el controlador será enviada de forma inalámbrica por medio de los módulos Xbee PRO 868 hacia tres estaciones terrestres y una móvil simultáneamente.


Imagen 14. Diagrama de bloques del sistema (Fase 1 y Fase 2).

La imagen 15 muestra el modo de vuelo circular, con el que se pretende que el vehículo autónomo permita realizar las mediciones de gases. Se pretende que el UAV despegue y vuele hasta una altitud de al menos 5Km sobre el nivel del Valle, allí deberá realizar vuelos sostenidos en altura y siguiendo una circunferencia de 100m de radio aproximadamente durante un tiempo aún no definido. Luego de realizar el vuelo estabilizado, la plataforma aérea descenderá cierta distancia, aún no establecida, y repetirá este proceso hasta aterrizar (aproximadamente 3 horas después del despegue).

El UAV tendrá dispositivos de posicionamiento GPS, que junto con la brújula electrónica, el giróscopo e inclinómetro componen todo un sistema de navegación inercial, el cual le permitirá a la aeronave seguir las rutas previamente indicadas. Estos dispositivos no se incluyen en el peso máximo de carga bruta (los 5Kg preestablecidos), por lo que estos instrumentos serán parte del UAV en conjunto.


Imagen 15. Modo de vuelo de vehículo autónomo aéreo.

4. Objetivos. OBJETIVO GENERAL (Del proyecto de investigación) Realizar una red de comunicación entre la unidad móvil (UAV) y las unidades fijas en tierra para hacer la transmisión en tiempo real de los datos obtenidos en los diferentes vuelos de medición. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

- Realizar la transmisión optima de los datos obtenidos por la unidad aérea.

- Implementar la red de trabajo de la unidad aérea, la unidad móvil y las bases fijas, con la

seguridad necesaria para no tener perdida de datos.

- Garantizar veracidad de los datos tomados a la hora de ser leidos.


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