“SISTEMA DE MONITOREO VEHICULAR COMO HERRAMIENTA …

Universidad Nacional de San Agustın de Arequipa

Tesis de Pregrado

“SISTEMA DE MONITOREO VEHICULAR COMO HERRAMIENTA PARA EL SISTEMA DE SEGURIDAD

CIUDADANA UTILIZANDO TECNOLOGIA ZIGBEE”

Autor:

Jorge Antonio

Matta Hernandez

Asesor:

Mauricio Postigo

Mg.

Tesis Presentada para Optar el Grado de

Ingeniero Electronico

18 de enero de 2018

http://www.unsa.edu.pe/

http://www.unsa.edu.pe/

Declaracion de Autorıa

Yo, Jorge Antonio Matta Hernandez, declaro que este título de tesis, ’“SISTEMA DE

MONITOREO VEHICULAR COMO HERRAMIENTA PARA EL SISTEMA DE SE-

GURIDAD CIUDADANA UTILIZANDO TECNOLOGIA ZIGBEE”’ y el trabajo

presentado es de mi autoría. Yo confirmo que:

Este trabajo fue realizado en su totalidad o principalmente cuando se postulaba

para el grado de Ingeniero en esta Universidad.

Donde ninguna parte de esta tesis ha sido previamente presentado para postular

a algun grado o ningun otra calificacion en esta Universidad o en cualquier otra

Institucion, esto a sido claramente establecido.

Donde yo he consultado los trabajos publicados de otros, esto siempre es clara-

mente atribuido.

Donde he citado el trabajo de otras personas, la fuente es siempre dada. Con la

excepcion de algunas citas, esta tesis es enteramente mi propio trabajo.

He reconocido todas las principales fuentes de ayuda.

Cuando la tesis se basa en el trabajo realizado por mı mismo en conjunto con otros,

he dejado claro exactamente lo que se hizo por los demas y lo que he contribuido

yo mismo.

Firma:

Fecha:

I

Como no estas experimentado en las cosas de la vida, todas las cosas que tienen algo

de dificultad te parecen imposibles. Confıa en el tiempo, que suele dar dulces salidas a

muchas Amargas Dificultades.”

Miguel de Cervantes

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA

Resumen Facultad de Ingenierıa de Produccion y Servicios

Escuela Profesional de Ingenierıa Electronica


“SISTEMA DE MONITOREO VEHICULAR COMO HERRAMIENTA

PARA EL SISTEMA DE SEGURIDAD CIUDADANA UTILIZANDO

TECNOLOGIA ZIGBEE”

por Jorge Antonio

Matta Hernandez

La presente Tesis está basada en el Proyecto de Investigación Aplicada con el mismo

nombre presentado para Innóvate Perú del Ministerio de Producción que ganó la buena

pro para ser Financiado con el Numero de Contrato N 307-INNOVATE PERU -PIAP

2015. La Tesis expuesta en este documento tiene por objetivo detallar la implementación

del proyecto mencionado.

Este Proyecto de Investigación Aplicada esta basado en una Red de Sensores Wireless

o Wireless Sensor Network (WSN), este concepto se define como una distribucion de

sensores en una determinada area conectados mediante la Tecnologıa Wireless en la cual

se puede sensar diferentes tipos de Variables para obtener una Big Data para su uso en

el mejoramiento de las condiciones Ambientales y funcionales.

El Proyecto de Investigacion Aplicada a diferencia de otros Sistemas de Monitoreo,

como por Ejemplo el GPS (Global Position System) se implementa con equipos mas

economicos y con una tecnologıa de software libre y no conlleva a un Pago Mensual.

Este Proyecto de Investigacion Aplicada se podrıa definir como un Sistema de Posi-

cionamiento Metropolitano que sera implementado en distritos en un futuro para poder

realizar un Monitoreo constante de todos los vehıculos que transitan. Y ası poder ayudar

en la Reduccion de Trafıco, Delincuencia y mejora del Medio Ambiente.

Palabras Clave

Big Data: es un concepto que hace referencia a un conjunto de datos tan grandes que

aplicaciones informaticas tradicionales de procesamiento de datos.

GPS: Sistema de Posicionamiento Global.

WSN: Red de Sensores Inalambricos.

Zigbee: es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de

comunicación inalá m brica para su utilizacion con radiodifusion digital de bajo consumo,

basada en el estandar IEEE 802.15.4.

University%20Web%20Site%20URL%20Here%20(include%20http:/)

Department%20or%20School%20Web%20Site%20URL%20Here%20(include%20http:/)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA

Abstract Facultad de Ingenierıa de Produccion y Servicios

Escuela Profesional de Ingenierıa Electronica


"VEHICULAR MONITORING SYSTEM AS A TOOL FOR THE

CITIZEN SECURITY SYSTEM USING ZIGBEE TECHNOLOGY"

por Jorge Antonio

Matta Hernandez

This Thesis is based on the Applied Research Project with the same name presented to

Innovate Peru' of the Ministry of Production that won the good to be Funded with Contract

Number N 307-INNOVATE PERU -PIAP

2015. The thesis presented in this document aims to detail the implementation of the

aforementioned project.

This Applied Research Project is based on a Wireless Sensor Network or Wireless Sensor

Network (WSN), this concept is defined as a distribution of sensors in a certain area connected

by Wireless Technology in which it can be applied. sensing different types of variables to

obtain a Big Data for its use in the improvement of environmental and functional conditions.

The Applied Research Project, unlike other Monitoring Systems, such as the GPS (Global

Position System), is implemented with cheaper equipment and with a free software technology

and does not lead to a Monthly Payment.

This Applied Research Project could be defined as a Metropolitan Positioning System that will

be implemented in districts in the future in order to perform a constant Monitoring of all the

vehicles that transit. And so we can help in the Reduction of Traffic, Crime and improvement

of the Environment.

Keywords

Big Data: is a concept that refers to a set of data as large as traditional computer applications

of data processing.

GPS: Global Positioning System.

WSN: Wireless Sensor Network.

Zigbee: is the name of the specification of a set of high-level wireless communication

protocols, based on the IEEE 802.15.4 standard.

Agradecimientos

Agradezco a Innovate Peru por el financiamiento del presente Proyecto con el Contrato

N 307-INNOVATE PERU -PIAP 2015 y por tener como Principal Funcion ser el ente

Nacional para el apoyo en el Desarrollo de Ciencia Y tecnologıa en el Paıs y ası lograr

que estudiantes de Pregrado y Profesionales pueden aplicar e Innovar en la Creacion de

Nuevos Proyectos para el avance del Paıs.

iv

Indice general

Declaration of Authorship I

Abstract III

Acknowledgements IV

Indice V

Indice de Figuras X

Indice de Tablas XIII

Abreviaciones XIV

Constantes Fısicas

XVI Sımbolos

XVII

1. Introduccion 1

1.1. Hipotesis: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2. Objetivos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1. Objetivo principal: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2. Objetivos especıficos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2. Tecnologıas Existentes - GPS 10

2.1. Funcionamiento del GPS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.1. Funcionamiento del Filtro de KALMAN: . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2. Componentes de un sistema de posicionamiento: . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.1. Posicionamiento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.2. Almacenamiento para la Transmision: . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2.1. Almacenamiento Pasivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2.2. Almacenamiento Activo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.3. Medios de Transmision: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.3.1. Comunicacion Vıa Ondas de radio: . . . . . . . . . . . . . 15

v

Contents vi

3.2.3.1. Caracterısticas generales del estandar IEEE 802.15.4.: . . 33

3.2.3.2. Caracterısticas Especıficas del estandar IEEE 802.15.4.: . 33

3.2.4. Las Capas del Protocolo Zigbee - Relacion con el modelo ISO/OSI: 38

3.2.4.1. La Capa Fısica (PHY): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Canales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Numeracion de Canales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Deteccion de la Carga: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.2.3.2. Comunicacion Vıa Telefonıa Movil Celular: . . . . . . . . 15

2.2.3.3. Comunicacion Satelital: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.4. Gestion de Flotas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.5. Ventajas y Desventajas del GPS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.5.1. Ventajas del GPS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.5.2. Desventajas del GPS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6. Costos de Alternativa: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.7. Conclusiones sobre la alternativa: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Marco Teorico 19

3.1. Redes de Sensores Inalambricos (WSN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.1. Descripcion de la Tecnologıa WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.2. Topicos de Diseno: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.3. Aplicaciones de WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.4. Clasificacion de la comunicacion wireless . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.5. Caracterısticas de una WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.6. Factores de diseno de una WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.6.1. Factores de despliegue: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.6.2. Factores funcionales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2. Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.1. Standard Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.1.1. Clasificacion de redes: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.2. Aplicaciones de ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2.1. Automatizacion en el hogar . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2.2. Seguridad: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2.3. Lectura de instrumentos de servicios: . . . . . . . . . . . 29

3.2.2.4. Sistema de riego automatico . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.2.5. Control de iluminacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.2.6. Control de temperatura multi-zona . . . . . . . . . . . . 30

3.2.2.7. Controles remotos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.2.8. Automatizacion industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2.2.9. Otros usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2.3. Estanda r IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Tipos de trafico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Tipos de dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Modos de direccionamiento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2.3.3. Arquitectura: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2.3.4. Topologıas definidas por IEEE 802.15.4: . . . . . . . . . . 36

FFD: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

RFD: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Contents vii

Censado de Portadora (CS) (Carrier Sense): . . . . . . . . . 40

Indicador de calidad del enlace (LQI) (Link Quality Indicator) 40

Evaluacion de canal libre (CCA) (Clear Channel Assessment): 40

Modo 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Modo 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Modo 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Concepto de cliente – servidor entre capas: . . . . . . . . . . 41

3.2.4.2. Interfase entre capa Fısica y MAC: . . . . . . . . . . . . . 41

A rea Datos de la capa Fısica (PPDU: Physical PDU): . . . 41

3.2.4.3. La capa MAC de 802.15.4: . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Operacion de la PAN usando balizas: . . . . . . . . . . . . . 43

Espaciado entre tramas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

CSMA-CA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Los problemas del nodo oculto y del nodo expuesto: . . . . 45

Servicio MAC: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Servicios de Asociacion y Des-asociacion: . . . . . . . . . . . 47

Servicio de Notificacion de Baliza . . . . . . . . . . . . . . . 48

Servicio de Habilitacion, Des-habilitacion del receptor . . . 48

Servicio de Reset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Servicio de Arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Servicio de Notificacion de orfandad . . . . . . . . . . . . . 49

Servicio de Barrido de Canales: . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Servicios de Sincronismo y notificacion de Perdida de Sin-

cronismo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2.4.4. Formato de la trama MAC: . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Resumen de las responsabilidades de la capa MAC: . . . . . 50

3.2.4.5. La capa de Red ZigBee: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.4.6. Tipos de nodos ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Coordinador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Ruteador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Dispositivo Final: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2.4.7. Resumen de las responsabilidades de la capa de red: . . . 54

3.2.4.8. Capa de Aplicacion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Perfiles: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.4.9. Objetos ZigBee (ZDO): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.5. Seguridad: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.2.5.1. Seguridad en ZigBee: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.2.5.2. Autenticacion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4. Desarrollo del Proyecto 60

4.1. Antecedentes - Trabajos Previos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1.1. Rastreo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1.2. WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2. Sistema propuesto del sistema de monitoreo vehicular . . . . . . . . . . . 63

4.2.1. Subsistema Nodo - Movil: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2.1.1. Descripcion del Sistema: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2.2. Subsistema de redes de comunicacion: . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Contents viii

4.2.2.1. Descripcion del Sistema: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2.3. Subsistema gateway - Integracion de la red Zigbee con internet: . . 66

4.2.3.1. Descripcion del sistema: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2.3.2. Descripcion de aplicaciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Aplicacion cliente: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Aplicacion Servidor: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2.4. Subsistema base de Datos (Mysql): . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2.5. Aplicativo Web: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2.5.1. Descripcion del sistema: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2.5.2. Partes del aplicativo web: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Validacion de usuarios: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Interfaz por tipo de usuario: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Reportes de aplicativo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5. Pruebas y Resultados: 72

5.1. Componentes utilizados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.1.1. End Device - Moviles: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.1.2. Router - Semaforos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.1.3. Coordinador - Estacion Base: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.2. Pruebas Realizadas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.2.1. Etapa 1: Pruebas de comunicacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.2.2. Etapa 2: Envio de datos punto a punto . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.2.3. Etapa 3: Envio de datos en dos redes punto a punto . . . . . . . . 78

5.2.4. Etapa 4: Envio de Varias Placas hacia el Servidor en un Entorno

5.2.5.

Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Etapa 5: Verificacion de conexion de End Device a varias velocidades 82

5.2.6. Etapa 6: Conexion entre Semaforos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.2.7. Etapa 7: Prueba de cantidad de Xbee conectados a un semaforo

al mismo tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6. Evaluacion del Sistema 92

6.1. Evaluacion de Prueba en Entornos Reales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.1.1. Prueba 1: Proyecto en un Entorno Real . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.1.2. Prueba 2: Segunda Prueba en un entorno real . . . . . . . . . . . . 96

6.1.3. Prueba 3: Tercera Prueba en un entorno real . . . . . . . . . . . . 101

6.1.4. Prueba 4: Prueba final en un entorno real . . . . . . . . . . . . . . 105

6.2. Evaluacion de Perdidas en WSN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.2.1. Perdidas en propagacion en comunicaciones inalambricas: . . . . . 114

6.2.1.1. Modelo de Propagacion sin Perdidas . . . . . . . . . . . . 115

6.2.1.2. Modelo de Propagacion de 2 Rayos . . . . . . . . . . . . 116

6.2.1.3. Modelo Log-Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.2.1.4. Modelo Log-Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.2.2. Calculos Realizados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.2.2.1. Modelo de 2 Rayos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.2.2.2. Calculo de n y Zigma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Independencia con Paucarpata S1 . . . . . . . . . . . . . . . 120

Independencia con Paucarpata S2: . . . . . . . . . . . . . . 122

Contents ix

Mariscal con Corbacho S1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Mariscal con Corbacho S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.2.2.3. Modelo Log-Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.2.2.4. Modelo Log-Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.2.3. Conclusiones de los calculos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.3. Evaluacion del consumo electrico: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.3.1. Consumo de Equipos en Movil: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.3.2. Consumo de Equipos en Semaforo : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.4. Evaluacion de costos del proyecto: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7. Conclusiones y Recomendaciones: 130

7.1. Conclusiones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.2. Recomendaciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Bibliografıa 132

Indice de figuras

1.1. Proyecto Presentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2. Total de vehıculos robados en los anos 2014 y 2015. . . . . . . . . . . . . . 5

1.3. Comparacion de vehıculos robados por meses en los anos 2014 y 2015. . . 6

1.4. Total de vehıculos recuperados en los anos 2014 y 2015. . . . . . . . . . . 6

1.5. Comparacion de vehıculos recuperados por meses en los anos 2014 y 2015. 7

2.1. Funcionamiento del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. Funcionamiento de Filtro de KALMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3. Red de Satelites de una Constelacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4. Software de una empresa de GPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1. Representacion de red de sensores inalambricas standard . . . . . . . . . . 20

3.2. Comparacion de WSNs con otras tecnologıas wireless con respecto a (a)

Rango y velocidad de datos y (b) Consumo de energıa y movilidad . . . .

24

3.3. Clasificacion de redes inalambricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.4. Control de luces en una casa usando ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5. Capas en las redes Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.6. Topologıas en IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.7. Bandas de frecuencia de estandar 802.15.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.8. Grafico comparativo de frecuencias y canales. . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.9. Capas en las redes zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.10. Capas en las Redes Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.11. Interfase de servicio de datos y de manejo entre capas Fısica y Control de

Acceso al medio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.12. Comunicacion de datos entre dos aplicaciones ZigBee pasando entre c a a s. 42

3.13. La interfase de la capa MAC con sus vecinas. . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.14. Estructura de una Supertrama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.15. Espaciado entre tramas: (a) trabajo con ACK, (b) trabajo sin ACK. . . . 45

3.16. El problema del nodo oculto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.17. El problema del nodo expuesto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.18. La secuencia de Asociacion de un dispositivo a la red. . . . . . . . . . . . 47

3.19. Des-asociacion iniciada por un dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.20. Des-asociacion iniciada por el coordinador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.21. Secuencia de notificacion de dispositivo huerfano. . . . . . . . . . . . . . . 49

3.22. Estandar 802.15.4. Trama de comando. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.23. Estandar 80215.4. Trama de baliza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.24. Estandar 802.15.4 . Trama de dato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.25. Estandar 802.15.4. Trama de acknowledge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

x

List of Figures xi

5.17. Conexion de Semaforos con Moviles en la Etapa 8. . . . . . . . . . . . .

5.18. Grafica de Conexiones de los Moviles en cada Minuto. . . . . . . . . . . 6.1. Colocacion de semaforos para la prueba 7. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 89

. 90

. 94

6.2. Colocacion de Semaforos para la Pr u b a 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.3. Conexion de los nodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6.4. Distribucion de Semaforos en el ma p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.5. Recorrido de Movil 1 en la Ruta 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104



6.8. Distribucion de semaforos en el mapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.26. Interfase de la capa de red. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.27. Enlaces uno a uno, varios a uno y uno a varios. . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.28. El uso de seguridad por capas aplicando AES. . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.29. El proceso de encriptacion, desencriptacion en AES. . . . . . . . . . . . . 59

4.1. Plano de ubicacion de lectores de RSSI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2. Rastreo por RSSI del movil segun intensidad en cada punto. . . . . . . . . 62

4.3. Distribucion de hubs y gateway en el proyecto para el rastreo de objetos. 63

4.4. Lobulos de los sensores direccionales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5. Subsistema Nodo - Movil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.6. Subsistema de redes de comunicacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.7. Subsistema Gateway con la nube. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.8. Subsistema Gateway con la nube. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.9. Aplicaciones en lenguaje Python en gateway Zigbee. . . . . . . . . . . . . 68

4.10. Logo de Python. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.11. Acceso al usuario y contrasena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.12. Interfaz de administrador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.13. Interfaz de propietario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.14. Interfaz de Administrador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.1. Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2. Xbee S2C con antena incorporada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.3. Tramas recibidas con y sin obstaculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.4. Xbee S2C con antena externa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.5. Gateway Xbee con conexion ethernet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.6. Tramas recibidas con y sin obstaculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.7. Potencia de senal en el Xbee Local con y sin obstaculos . . . . . . . . . . 76

5.8. Potencia de senal en el Xbee remoto con y sin obstaculos . . . . . . . . . 77

5.9. Pruebas realizadas punto a punto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.10. Pruebas de 2 redes realizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.11. Postes instalados con los semaforos en su parte superior. . . . . . . . . . . 81

5.12. Ubicacion de postes instalados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.13. Cuadro de comparacion de velocidades con el numero de conexiones de

cada modulo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.14. Conexion de la Primera Prueba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.15. Conexion de la segunda prueba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.16. Conexion de la Tercera Prueba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

a

List of Figures xii

6.9. Distribucion de semaforos en el mapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.10. Reporte Textual que se obtiene del Software. . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.11. Recorrido del Movil ABC-001 el dıa 17/11. . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.12. Recorrido del Movil ABC-011 el dıa 17/11.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 110




6.16. Ecuacion de perdidas en modelo sin perdidas. . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.17. Ilustracion del Modelo de 2 Rayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.18. Ecuacion de Perdidas en el Modelo de 2 Rayos. . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.19. Ecuacion de Perdidas en el Modelo de 2 Rayos en decibelios. . . . . . . . 117

6.20. Ecuacion de Perdidas en el Modelo Log-Distance en Decibelios. . . . . . . 117

6.21. Ecuacion de Perdidas en el Modelo Log-Normal en decibelios. . . . . . . . 118

6.22. Ecuacion de Error Cuadratico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.23. Ecuacion de n Optima y Zigma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.24. Ecuaciones para hallar n y Zigma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121




6.28. Consumo de Xbee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.29. Cuadro de Costos en el Proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.30. Cuadro de Costos de Cada Movil con Mano de Obra. . . . . . . . . . . . . 129

6.31. Cuadro de Costos de cada Semaforo sin mano de obra. . . . . . . . . . . . 129

Indice de cuadros

1.1. Vehıculos robados y recuperados en los anos 2014 y 2015 . . . . . . . . . . 8

2.1. Tabla de Comparacion de Precios de Empresas de GPS de Arequipa. . . . 18

3.1. Asignacion de Canales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.1. Potencia de Xbee S2C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.2. Configuracion de XBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.3. Pruebas a diferentes Velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.1. Tabla de Posiciones de Semafor s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2. Distancias entre Semaforos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.3. Table de Conexion a los Nodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.4. Distancias entre Nodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6.5. Conexiones de los modulos a los Semaforos . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.6. Distancias entre Nodos en Prueba 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.7. Tabla de Conexiones de Vehıculos en por Minuto. . . . . . . . . . . . . . . 113

6.8. Calculo del Modelo de 2 Rayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.10. Calculo de n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.9. Entornos para el Exponente n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.11. Independencia con Paucarpata S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.12. Independencia con Paucarpata S2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.13. Mariscal con Corbacho S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.14. Mariscal con Corbacho S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.15. Calculo con referencia a S1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125




6.19. Consumo de Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.20. Consumo del modulo en los moviles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.21. Consumo del modulo en los semaforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

xiii

Abreviaciones

ACK ACKnowledge

AES Advance Encryption Standard

APS Application Support

CCA Clear Channel Assessment

CS Carrier Sense

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance

DIVPOS DIVision Policial de Orden y Seguridad

ED End Device

FFD Full Function Device

FINCyT Fondo para la Innovacion, Ciencia y Tecnologıa

GPS Global Position System

IFS Interframe Spacing

IP Identification Public

LIFS Long IFS

LQI Link Quality Indicator

MAC Medium Access Control

MAC Medium Access Control

MIC Message Integrity Code

NIST National Institute of Standards and Technology

PDU Protocol Data Unit

PHY PHYsical Layer (Capa Fısica)

POS Personal Operating Space

RFD Reduced Function Device

RFID Radio Frecuency Identification

RSSI Received Signal Strength Indicator

xiv

Abbreviations xv

SAP Service Access Point

SIFS Short IFS

SKKE Symmetric Key - Key Establishment

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Network

IP Identification Public

ZDO Zigbee Device Object

ZDP Zigbee Device Profile

Constantes Fısicas

Speed of Light c = 2,997 924 58 × 108 m/s (exact)

xvi

Sımbolos

a distance m

P

ω

power

angular frequency

W (Js−1 )

rads−1

xvii

Dedicado a mi Madre y a mi Familia los que me apoyaron en todo

este tiempo de esfuerzo.

xviii

Capıtulo 1

Introduccion

La presente tesis esta basada en el proyecto de investigacion aplicada con el mismo

nombre presentado para Innovate Peru

buena Pro para ser financiado.

del Ministerio de la Produccion que gano la

El titulo de esta tesis se rige a los estatutos de Innovate Peru el cual pedıa que la tesis

de pregrado presentada llevara el mismo nombre que el proyecto presentado ante ellos.

La tesis esta dirigida a disenar e implementar un prototipo de un sistema de monitoreo

y control de vehıculos que realizan transporte publico en la ciudad de Arequipa.

E l que escribe es el encargado de que se vea reflejada la investigacion y los avances

realizados en el proyecto en la presente tesis de pre-grado, ası la investigacion de esta

nueva tecnologıa pueda aportar mejoras en diferentes areas en un futuro proximo.

El equipo para este proyecto es el siguiente:

Investigador Principal: Ing. Mauricio Postigo

Co-Investigador: Ing. Lizardo Pari

Tecnico Estudiante de EPIE: Ing. Elvis Supo

Especialistas en Sistemas: Ing. Fredy Gonzales

Especialista en Base de Datos: Ing. Vladimir Dıaz

Tesista del Proyecto: Jorge Matta

Esto permitira que la municipalidad provincial de Arequipa pueda mejorar la seguridad

para la poblacion cuando aborden un taxi en el interior de la ciudad de Arequipa.

1

Capitulo 1. Introduccion 2

El proyecto de investigacion aplicada esta basado en una tecnologica emergente que se

est haciendo popular por las grandes posibilidades de desarrollo en un futuro cercano.

La tecnologıa es llamada red de sensores inalambricos o Wireless sensor network (WSN).

Este tipo de tecnologıa se basa en una red de sensores pequenos que puede integrarse

en diferentes tipos de areas, como un area metropolitana o natural. Estos sensores se

comunican mediante una red inalambrica de baja tasa de transferencia de datos que

permite recolectar datos sin saturar la red que contiene cientos de sensores.

Los datos que se extraen pueden ser utilizados para realizar diferentes tipos de estudios

de diferentes tipos de areas y ası obtener una big data que puede utilizarse en su mejora-

miento y avance. Como por ejemplo reducir el trafico, mejorar la seguridad ciudadana,

combatir la polucion, etc.

Nosotros elegimos para nuestra red de sensores la tecnologıa inalambrica ZigBee que

est basada en el protocolo IEEE 802.15.4 que es un estandar que define el nivel fısico

y de control de acceso al medio de redes inalambricas de area personal con tasas bajas

de transmision de datos (low-rate wireless personal area network, lr-wpan).

Las caracterısticas mas importantes en este estandar son su flexibilidad de red, bajos

costos, bajo consumo de energıa; este estandar se puede utilizar para muchas aplica-

ciones como la comunicacion de dispositivos personales como celulares, smartphones,

smartwath, aplicaciones en el hogar, etc.

La actual revision del estandar se aprobo en 2006. El grupo de trabajo IEEE 802.15 es el

responsable de su desarrollo. Tambien es la base sobre la que se define la especificacion de

ZigBee, cuyo proposito es ofrecer una solucion completa para este tipo de redes creando

las capas superiores faltantes del protocolo que el estandar no cubre.

El proyecto sera realizado con las especificaciones de ZigBee, el funcionamiento sera

mediante la instalacion de dispositivos ZigBee en el interior de los vehıculos para que

cada vez que las unidades crucen por una interseccion (semaforos), puedan comunicarse

con los ZigBee instalados en los semaforos, cuando tengan conexion pueda transmitir la

placa y la hora que ocurrio el evento.

Tambien se hara uso de micro-controladores que vienen embebidos en las placas de la

empresa Arduino, estos micro-controladores seran los encargados de gestionar la infor-

macion que sera intercambiada por los modulos ZigBee.

La red sera la encargada de llevar la informacion del vehıculo y la posicion del semaforo

al servidor donde se guardara la informacion y esta disponible en un servidor conectado

a internet. Este servidor sera el encargado de mostrar la ubicacion de los vehıculos

mediante una pagina web.


El motivo para realizar este proyecto es la sobre demanda de taxis en horas punta y el

aumento de la informalidad en este tipo de servicio en la ciudad de Arequipa ha generado

el incrementado de los asaltos que son realizados con vehıculos de este servicio.

Gente de mal vivir aprovechando esta informalidad aprovecha para encubrir sus actos

delictivos y perpetrar delitos como robo de carteras, secuestro y violaciones.

Como un proyecto financiado tenemos un tiempo de 1 ano calendario para poder imple-

mentar el sistema propuesto y probar la viabilidad del sistema en un entorno real.

Despues de haber logrado nuestros objetivos en el proyecto, nosotros podremos dar

nuestras conclusiones sobre las ventajas y desventajas del sistema.

Mediante una disposicion adecuada de los sub-sistemas ZigBee es posible obtener la

posicion en tiempo real de los moviles que se desea monitorear. Teniendo en cuenta que

cada sub-sistema fijo se ubicara en una posicion fısica fija en un determinado punto de

la ciudad, es decir tendra una ubicacion establecida en el mapa, cada vez que un movil

se conecte con este nodo fijo se podra saber la hora en el que el movil estuvo en esa

ubicacion. Este sub sistema ZigBee si es capaz de ser flexible, debido a que el protocolo

ZigBee tiene la capacidad de poder ser implementado en una red malla (Mesh), teniendo

la posibilidad de ampliacion y flexibilidad.

El sub-sistema ZigBee se unira con un software de monitoreo que podra mostrar en

tiempo real la ubicacion de los moviles que se van a rastrear.

este sub sistema ZigBee si es capaz de ser flexible, debido a que el protocolo ZigBee

tiene la capacidad de poder ser implementado en una red malla (Mesh), teniendo la

posibilidad de ampliacion y flexibilidad. El sub-sistema ZigBee se unira con un software

de monitoreo que podra mostrar en tiempo real la ubicacion de los moviles que se van

a rastrear.

1.1. Hipotesis:

Con la alta necesidad de mejorar la seguridad ciudadana usando herramientas innova-

doras y con el avance de las tecnologıas inalambricas, es posible proponer un sistema

de monitoreo vehicular como herramienta para la seguridad ciudadana en la ciudad de

Arequipa metropolitana usando tecnologıa de redes de sensores inalambricos particular-

mente con una Red Zigbee.


Figura 1.1: Proyecto Presentado

[1]

1.2. Ob jetivos:

1.2.1. Ob jetivo principal:

Disenar e implementar un prototipo de monitoreo vehicular en la ciudad de Are-

quipa metropolitana usando tecnologıa inalambrica Zigbee, con el fin de proponer

una herramienta para la seguridad ciudadana.

1.2.2. Ob jetivos especıficos:

1. Disenar e implementar un prototipo de una red de dispositivos Xbee – Zigbee entre

los vehıculos y el nodo.

2. Disenar e implementar una red Mesh de dispositivos Xbee – Zigbee entre los nodos

y la estacion base.

3. Establecer e integrar la conexion entre la red Mesh de nodos con la nube (Cloud)

a traves de un programa con lenguaje de programacion Phyton.

4. Desarrollar experimentos del sistema propuesto y realizar medidas de calidad y

rendimiento.

5. Diseno de base de datos para los vehıculos a monitorear.

6. Determinar la interfase con el usuario del sistema de monitoreo vehicular.


1.3. Justificacion

En la actualidad la ciudad de Arequipa presenta variedad de delitos contra el patri-

monio, siendo uno de los mas importantes el robo de vehıculos. Los delitos contra el

patrimonio vehicular han aumentado en los ultimos anos, por lo que se hace necesario

nuevas herramientas que ayuden a realizar mejor el seguimiento de vehıculos robados.

EL proyecto presentado apunta a ser un complemento en la busqueda y localizacion de

vehıculos en el interior de la ciudad de Arequipa.

Esta herramienta almacena los datos de cada vehıculo donde sera instalado como color,

marca, modelo, ano de fabricacion.

El sistema ayudarıa a ubicar un automovil despues que a sido robado o utilizado para

un acto ilıcito en un rango de eficacia de 100 metros a la redonda.

Esto aumentarıa la eficacia de la policıa en la ubicacion de vehıculos y seria una herra-

mientas mas para la seguridad ciudadana aparte de los que ya estan funcionando como

las camaras, GPS de vehıculos, serenasgo y policıa.

Se pudo obtener las estadısticas en la decima region policial de Arequipa que consolida

todos los delitos denunciados en las comisarıas de Arequipa metropolitana con respecto a

vehıculos se puede notar una disminucion en un promedio del 15 % entre el ano 2014 y el

ano 2015 de robo de vehıculos,como tambien la estadıstica de los vehıculos recuperados.

A continuacion un resumen de los vehıculos robados y recuperados por la Policıa Nacio-

nal.

Figura 1.2: Total de vehıculos robados en los anos 2014 y 2015.

[2]


Figura 1.3: Comparacion de vehıculos robados por meses en los anos 2014 y 2015.

[2]

Figura 1.4: Total de vehıculos recuperados en los anos 2014 y 2015.

[2]


Figura 1.5: Comparacion de vehıculos recuperados por meses en los anos 2014 y 2015.

[2]

ucc

ion

Cap

itulo

1.

Int

Vehıculos robados y recuperados en el ano 2014

rod

VARIABLES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC TOTA L

VEHICULOS ROBADOS 5 8 18 19 11 9 15 20 23 12 23 11 174 Asalto y robo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 4 16 Estacionamiento 5 8 18 19 11 9 15 20 23 12 11 7 158 VEHICULOS RECUPERADOS 0 0 0 0 0 0 Abandonado 11 16 21 21 13 15 18 24 24 11 9 6 189 Capturado(Recuperados) 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 14 6 21

Vehıculos robados y recuperados en el ano 2015

VARIABLES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC TOTA L

VEHICULOS ROBADOS 8 6 14 12 21 5 16 4 12 11 19 10 138 Asalto y robo 3 0 6 5 3 2 2 0 2 0 1 1 25 Estacionamiento 5 6 8 7 18 3 14 4 10 11 18 9 113 VEHICULOS RECUPERADOS 6 12 14 10 21 5 18 7 12 11 18 7 141 Abandonado 5 12 6 3 21 3 10 7 8 11 16 7 109 Capturado 1 0 8 7 0 2 8 0 4 0 2 0 32

Cuadro 1.1: Vehıculos robados y recuperados en los anos 2014 y 2015

[2]

8


Por estas estadısticas presentadas podemos indicar que la ciudad de Arequipa necesita un

sistema de monitoreo vehicular para que pueda que ayude a reducir el robo de vehıculos.

Capıtulo 2

Tecnologıas Existentes - GPS

Una tecnologıa existente en monitoreo vehicular es la de GPS (Global Position Navi-

gation) por lo que se investigo sobre esta tecnologıa para poder tener referencia de su

funcionamiento y de sus caracterısticas.

El prototipo de monitoreo vehicular que presenta esta tesis propone igual que la de un

GPS poder brindar un servicio de monitoreo vehicular mediante un pago mensual a un

determinado usuario para que pueda monitorear su vehıculo mediante una plataforma

web.

Se realizo un estudio del funcionamiento, nuevas tecnologıas y precios del servicio de

GPS investigando con distintas empresas sobre los precios y tipos de tecnologıas para

adquirir este servicio, estas empresa nos venden un dispositivo GPS con un servicio

mensual por el rastreo mediante una plataforma web.

Los sistemas de navegacion actuales se han convertido en un estandar. Ya que la mayorıa

de estos sistemas de navegacion ya no solo se usa en el sistema de posicionamiento global

(GPS), sino tambien en un sistema de navegacion inercial (INS) para ayudar al conductor

a encontrar su ruta.

Juntos, los dos sistemas se complementan y permiten una mejor navegacion de precision

y fiabilidad, especialmente cuando el GPS se degrada o se interrumpe por ejemplo, en

la entrada en edificios o tuneles.

Para este tipo de aplicaciones, el Filtro de Kalman proporciona la base de una herramien-

ta para la correccion de la trayectoria prevista del INS con mediciones GPS. Tambien

la determinacion de una orbita de referencia para estos satelites GPS y la correccion de

estos con los datos de las estaciones de control de GPS.

10

Capitulo 4. Tecnologias Existentes - GPS 11

Pero estos son solo dos ejemplos de la amplia variedad de ambitos en los que el filtro

de Kalman juega un papel importante. Las areas de aplicacion abarcan desde el sector

aeroespacial, a la navegacion marıtima, la modelizacion demografica, la ciencia meteo-

rologica, la fabricacion y muchos otros. Debido a que el filtro de Kalman es muy eficaz

y util para una gran clase de problemas, ha sido objeto de numerosas investigaciones.

El sistema de GPS en este tipo de aplicaciones es bastante utilizado en todo el mundo

para seguridad en el transporte de personas y bienes materiales. Su confiabilidad es

bastante alta ya que puede dar la posicion de la unidad con un error menor a los 5

metros a la redonda.

La empresa de GPS puede brindarnos la informacion de la ubicacion de las unidades

mediante sus 3 plataformas: web, software propio y aplicacion celular.

Toda la informacion del rastreo de las unidades es cargada a un servidor remoto mediante

la comunicacion a internet que brindan los datos del CHIP en el interior del equipo, en

el servidor tambien se almacena la informacion del rastreo de las unidades desde el

momento que se instalo el GPS en la unidad. Como cada posicion en el rastreo ocupa

muy pocos datos se puede almacenar gran cantidad de informacion sin problemas.

Principios de Funcionamiento

Satélite GPS Servidor

Vehículo con GPS

Antena

Celular

PC de Usuarios

Figura 2.1: Funcionamiento del Sistema

[2]


A continuacion se explica el funcionamiento del GPS trabajando con el INS para realizar

una comparacion practica de sus similitudes y diferencias con los Filtros de KALMAN.

2.1. Funcionamiento del GPS:

El sistema GPS se basa en la constelacion NAVSTAR (Navigation System with Time

and Ranking) compuesta por 24 satelites, que constantemente envıan senales de radio

a la tierra, divididos en 6 orbitas planas de 4 satelites cada una, lo que permite dar las

posiciones exactas de cualquier punto en la tierra, mediante un sistema parecido al de la

triangulacion , llamado trilateracion, el mismo que se basa en la distancia a los satelites,

no en los angulos.

Paralelamente, a la constelacion NAVSTAR, existe la constelacion GLONASS, que per-

tenece a los rusos y que tambien esta conformada por 24 satelites que rodean a la tierra

(21 Satelites operativos y 3 de reserva), con el mismo proposito. Mantiene muchas simi-

litudes con el sistema americano tanto en su fundamento como en su utilizacion, pero

que no da cobertura en toda la tierra.

Las alternativas tecnologicas para el seguimiento y control de flotas de Vehıculos son

diversas y dependen de la naturaleza del negocio en que se participa, del tamano de la

empresa y de cuan necesario sea hacer gestion en tiempo real de la flota. Sin importar

la aplicacion que se le de al sistema, en la arquitectura tıpica de un sistema de gestion

de flotas se puede identificar cuatro componentes:

1. Sistema de posicionamiento.

2. Almacenamiento para la transmision.

3. Medio de Transmision.

4. Gestion de la informacion.

2.1.1. Funcionamiento del Filtro de KALMAN:

El filtro de Kalman es un filtro recursivo de prediccion que se basa en el uso de tecnicas

de espacio, de estado y de algoritmos recursivos. Se estima que el estado de un sistema

dinamico. Este sistema dinamico puede ser perturbado por algun ruido, en su mayorıa

se asume como ruido blanco. Para mejorar el estado que estima que el filtro de Kalman

utilice mediciones que se relacionan con el estado.

Ası, el filtro de Kalman consiste en dos pasos:


1. La Prediccion.

2. La Correccion.

En el primer paso el estado predicho por el modelo dinamico. En el segundo paso se

corrige con el modelo de observacion, de modo que la covarianza del estimador de error

se minimiza. En este sentido, es un estimador optimo.

Este procedimiento se repite para cada intervalo de tiempo con el estado del paso de

tiempo anterior como valor inicial. Por lo tanto al filtro de Kalman tambien se le llama

filtro recursivo.

Figura 2.2: Funcionamiento de Filtro de KALMAN

[3]

En la figura anterior se muestra el funcionamiento del Filtro de KALMAN aplicado a

GPS. La informacion es recolectada por el modulo de GPS y el modulo de entradas y

salidas; y se envıa mediante el modulo GSM al servidor indicado con una direccion IP

especifica.

2.2. Componentes de un sistema de posicionamiento:

Con lo explicado se necesitan los siguientes componentes que se describen a continuacion:

2.2.1. Posicionamiento:

El sistema de posicionamiento es el que permite determinar con precision la ubicacion

del vehıculo. Esta ubicacion se da mediante triangulacion, con ayuda de receptores GPS

(triangulacion de satelites) o radio frecuencia (triangulacion de antenas). Las orbitas de

los satelites forman una red que envuelve la esfera terrestre, de forma que desde cualquier


punto teorico de su superficie se puedan ver 5 satelites. De este modo y dependiendo de

la oro-grafıa (relieve), el receptor GPS puede recibir y procesar las senales emitidas por

al menos 3 satelites.

Figura 2.3: Red de Satelites de una Constelacion.

[4]

Esto significa proporcionar la latitud y longitud del punto donde se encuentra el GPS.

Por tanto, la mayorıa de receptores proporcionan los valores de estas coordenadas en

unidades de grados y minutos . Tanto la latitud como la longitud son angulos y por tanto

deben medirse con respecto a un 0 de referencia bien definido. Latitud: Hemisferios Norte

y Sur La latitud se mide con respecto al Ecuador (latitud 0). Si un punto determinado

se encuentra en el hemisferio Norte (Sur), su coordenada de latitud ira acompanada de

la letra N (S). Otro tipo de nomenclatura refiere latitudes Norte con numeros positivos

y latitudes Sur con numeros negativos. La Longitud Este y Oeste por razones historicas,

la longitud se mide relativa al meridiano de Greenwich. Si medimos un angulo al este

(oeste) del meridiano de Greenwich escribimos la letra E (W) acompanando al numero

que da la longitud. Algunas veces se utilizan numeros negativos.

2.2.2. Almacenamiento para la Transmision:

Los receptores GPS son instrumentos de solo lectura, no tienen forma de transmitir los

datos de su posicion a otros dispositivos, por lo que para transmitir la informacion del

recorrido a una estacion base o centro de monitoreo y control se lo desarrolla de manera

pasiva o activa, dependiendo de las necesidades y la cobertura del servicio.

2.2.2.1. Almacenamiento Pasivo:

Su funcionamiento es muy similar a las cajas negras de los aviones. Se adosan adecua-

damente al vehıculo y almacenan cada uno un cierto intervalo de tiempo programable

(desde segundos a minutos) la ubicacion exacta (latitud, longitud y altura), rumbo y

velocidad del vehıculo, indicando la fecha y hora del registro. Estos datos son analizados


posteriormente en la central cuando el vehıculo regresa y deben ser descargados direc-

tamente desde el dispositivo, ya sea mediante un cable o de manera inalambrica desde

el receptor GPS.

2.2.2.2. Almacenamiento Activo:

Son aquellas que en tiempo real, con un retraso de unos cuantos segundos, transmiten

la posicion del vehıculo a una estacion base y ademas cuentan con la capacidad de

recibir comandos para ejecutar acciones sobre los vehıculos, como boton de panico,

inmovilizacion del vehıculo, aseguramiento de chapas, etc.

2.2.3. Medios de Transmision:

La forma en que se realiza esta comunicacion depende de la aplicacion del sistema, entre

las que podemos destacar:

2.2.3.1. Comunicacion Vıa Ondas de radio:

Esta implementacion efectua la transmision de datos a la central, cada cierto intervalo de

tiempo pre-programados, segun sean las necesidades de gestion de la flota, por ejemplo,

un intervalo tıpico podrıa ser actualizar la posicion del movil cada 5 minutos. Cabe

destacar que esta comunicacion la efectua directamente el equipo sin intervencion alguna

del conductor y es recibida directamente por la aplicacion que controla al movil sin

ninguna intervencion humana. La implementacion de una red radial, tiene un costo por

mensaje bajo, pero requiere de la implementacion de una red adecuada de antenas que

permita el acceso a la comunicacion, lo cual puede resultar bastante complicado en

algunos sectores urbanos, ya que los edificios pueden impedir la recepcion adecuada de

la onda.

2.2.3.2. Comunicacion Vıa Telefonıa Movil Celular:

Esta implementacion al igual que la comunicacion a traves de ondas radiales, efectua la

transmision de datos a la central en un intervalo preconcebido, sin intervencion humana

entre las partes. La comunicacion de datos utilizando la red de telefonıa celular, tiene

como principal desventaja el costo directo por transmision, ya que es equivalente a

realizar una llamada por un telefono movil celular, pero tiene la ventaja de que en zonas

urbanas, no necesita mayor infraestructura que la que provee el operador de telefonıa.


2.2.3.3. Comunicacion Satelital:

El dispositivo ubicado en el vehıculo transmite la informacion a una red de 36 satelites

y de allı a una estacion terrestre, que se encarga de hacer llegar la informacion hasta

la central de control. Si bien su costo de implementacion es alto, el costo total por el

servicio de transmision, es relativamente bajo considerando que permite una cobertura

del 100 por ciento en cualquier lugar de la tierra.

2.2.4. Gestion de Flotas:

La gestion de flotas esta generalmente a cargo de ser desarrollado por una empresa de TI

que se encarga de crear un software que recibe toda la informacion del GPS en cuanto a

su ubicacion y se encarga de mostrarlo en un mapa, verificar la conexion de cada GPS,

generacion de varios tipos de Reportes y de facilitar el uso de GPS para sus clientes.

Figura 2.4: Software de una empresa de GPS.

[5]

1. Barra de menus

2. Barra de botones rapidos

3. Opciones de cartografıa


4. A rbol de grupos de vehıculos

5. Barra de Coordenadas Latitud – Longitud y Latitud – Longitud del cursor

6. Rejilla de datos

7. Cartografıa / mapa

8. Barra de Horario y Fecha / resumen de estado de las unidades

9. Zoom de Cartografıa / mapa

2.2.5. Venta jas y Desventa jas del GPS:

La desventaja en esta alternativa el pago mensual a una empresa privada que provee

el equipo GPS, el Chip GSM y el servidor a donde llegaran los datos del rastreo, esto

conlleva a un aumento en el Presupuesto de las Personas que van a Adquirir el Sistema.

2.2.5.1. Venta jas del GPS:

Entre las principales ventajas del GPS se encuentran:

1. Localizacion de lugares: permite ir a un determinado lugar sin saber como llegar

hasta el.

2. Sistema antirrobo: el GPS incorporado en un dispositivo garantiza su localizacion

en caso de perdida o de robo.

3. La mayorıa de GPS que existen en el mercado tienen incluidas numerosas aplica-

ciones como por ejemplo la calculadora.

4. Precision: Tienen una Precision de centımetros en la Mayorıa de Casos.

5. Informacion detallada: puede mostrar diversa informacion sobre el camino reco-

rrido como la distancia que falta, el coste del combustible, el horario de llegada

aproximado, etc.

2.2.5.2. Desventa jas del GPS:

Entre las principales desventajas del GPS se encuentran:

1. Alto consumo electrico: el GPS tiene un alto consumo electrico en Comparacion

con el Prototipo Presentado.


EMPRESA PRECIO DE SERVICIO ANUAL PRECIO DE EQUIPO TOTAL ANUAL

EMPRESA 1 540 460 1000

EMPRESA 2 274 660 934

EMPRESA 3 700 350 1050

Cuadro 2.1: Tabla de Comparacion de Precios de Empresas de GPS de Arequipa.

[5]

2. Ondas radioactivas: emite unas ondas radioactivas con mas Potencia que nuestro

Prototipo que pueden llegar a ser daninas para la salud en un uso prolongado.

3. GPS actualizado: la mayorıa del tiempo se tiene que estar conectado a una red de

internet movil por lo que Implica un costo adicional.

2.2.6. Costos de Alternativa:

A continuacion una tabla de comparacion de precios de varias empresas de GPS en

Arequipa.

2.2.7. Conclusiones sobre la alternativa:

El Prototipo que propone esta tesis si se lograra implementar no necesitarıa de

una conexion individual a una red movil, por lo tanto generarıa menos costos.

El GPS es mucho mas costoso que el prototipo que se Propone en esta tesis, el

prototipo presentado costarıa el la mitad del servio anual de Un GPS.

El Prototipo Presentado es menos exacto que un GPS.

El Prototipo cuando se encuentre Implementado puede dar cabida a mas Sensores

para poder formar una Smart City.

Capıtulo 3

Marco Teorico

3.1. Redes de Sensores Inalambricos (WSN)

Wireless Sensor Networks (WSN) es una tecnologıa emergente que tiene un alto poten-

cial para poder crear una inteligencia artificial ambiental. Los diminutos nodos de una

WSN se pueden camuflar discretamente en el entorno para realizar tareas de deteccion,

procesamiento de datos e interactuar con el ambiente. Las capacidades de un unico nodo

son limitadas, pero la viabilidad de las WSNs esta en la colaboracion de todos los nodos.

WSNs tiene su futuro en una amplia variedad de aplicaciones que van desde la domoti-

ca a la vigilancia militar. Para poder soportar la diversidad de aplicaciones dentro de

las limitaciones de recursos se considera que requieren la adaptacion especıfica de las

aplicaciones en cada nodo, protocolo de comunicacion y algoritmo.

Esta tesis presenta la metodologıa de diseno realizada para la implementacion de un pro-

totipo que podra ser replicada en cualquier ciudad del planeta. Uno de los componentes

clave para la tecnologıa prevista son las redes de sensores inalambricos (WSN) [6] [7].

WSN no se refiere solo a una sola implementacion de red sino a una nueva tecnologıa

emergente que consiste en un gran numero de pequenos nodos de sensores recopilan-

do informacion del entorno, procesandola en colaboracion y comunicandola de forma

inalambrica a lugares donde los datos pueden ser explotados. Las posibilidades previs-

tas de la tecnologıa han dado lugar a un interes cada vez mayor en la comunidad de

investigacion [8] y mas recientemente tambien en la industria .

3.1.1. Descripcion de la Tecnologıa WSN

Los conceptos relacionados con las WSN se introducen con un escenario de ejemplo re-

presentado en la figura 2.1. Un gran numero de nodos se despliega al azar en la vecindad

19

Capitulo 3. Marco Teorico 20

o dentro de un fenomeno inspeccionado [8]. Los nodos se auto-organizan y coordinan

de forma colaborativa el proceso de deteccion dependiendo del fenomeno. En lugar de

enviar datos sin procesar, cada nodo refina sus resultados de medicion. Los resultados se

agregan adicionalmente o se fusionan para obtener resultados de aplicacion mas precisos

y completos mientras se los reenvıa hacia un punto de recoleccion de datos, un nodo

sumidero [8]. El nodo sumidero normalmente actua como una pasarela a otras redes y

dispositivos de usuario. La infraestructura del backbone (Principales conexiones tron-

cales) puede implementar una parte de la compleja funcionalidad de procesamiento de

datos del WSN, y contener componentes para el almacenamiento de datos, visualizacion

y control de red [9].

Figura 3.1: Representacion de red de sensores inalambricas standard

[10]

En redes WSN, la conexion en red esta controlada por una pila de protocolos estratifi-

cada, cuyo ejemplo se muestra en la figura 2.1. La pila no sigue estrictamente el modelo

de referencia de interconexion de sistemas abiertos (OSI) en capas debido al diseno de

capa cruzada necesario para la optimizacion del rendimiento de la red y la eficiencia

energetica [11]. Un protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) en la capa de enlace

de datos controla el acceso al canal y mantiene la conectividad de red y la topologıa.

Un protocolo de enrutamiento en la capa de red crea rutas multi-salto entre nodos de

punto final, mientras que un protocolo de transporte implementa control de flujo de

extremo a extremo, si es necesario. En la capa de presentacion, un middleware (logica

de intercambio de informacion entre aplicaciones) se encuentra entre la aplicacion y el

resto de la pila de protocolos y un sistema operativo (SO). Las principales tareas de

un middleware WSN son la formulacion y coordinacion de la ejecucion de la tarea de

aplicacion dentro de la red y la combinacion de datos obtenidos de diferentes fuentes, es

decir, la fusion de datos.


Las caracterısticas de WSNs permiten tanto la funcionalidad de monitoreo y control,

como una variedad de aplicaciones potenciales en el medio ambiente, el hogar, la salud

y los dominios militares. Del mismo modo, el numero de nodos en una red puede variar

de unos pocos a cientos o miles.

La diversidad de aplicaciones y sus requisitos contradictorios hacen imposible una unica

solucion fija para todas las aplicaciones WSN. Por lo cual se hace uso de varias tecnologıas

de comunicacion, tales como redes de Telefonıa celular, WIMAX, IEEE 802.11 o WLAN

y Bluetooth pero que debido al gran numero de nodos y a la eficiencia energetica que se

requiere no son adecuados.

La tecnologıa de red de area personal inalambrica de baja tasa IEEE 802.15.4 (LR-

WPAN) y zigbee son adecuadas para las aplicaciones que se intentaran desarrollar. Con

el fin de cumplir con todos los objetivos y requisitos de este tipo de red (WSN) como son

la diversidad de dominios, los protocolos y los algoritmos y los nodos que se necesitan.

3.1.2. Topicos de Diseno:

El desarrollo de redes de sensores requiere tecnologıas de tres areas de investigacion

diferentes: deteccion, comunicacion e informatica (incluyendo hardware, software y al-

goritmos)”.

Las principales contribuciones de la tesis son las siguientes:

Diseno de una WSN.

Conceptos en el diseno a nivel de arquitectura de software.

Pruebas en un ambiente real.

El enfoque se centra en las abstracciones, metodos y herramientas para el diseno de

WSNs, y en la arquitectura que soporta la implementacion de software para WSNs.

La secuencia de pasos seguidos durante el diseno de WSN, es decir, flujo de diseno, se

adopta a partir de sistemas embebidos.

Es un proceso repetitivo que consiste en requisitos y especificaciones del diseno, im-

plementacion, integracion y pruebas de cada una de las fases. En el diseno de nivel

de sistema, una WSN se compone de un conjunto de componentes que comprenden

plataformas de nodos, protocolos de comunicacion y aplicaciones. Inicialmente, estos

componentes se describen mediante modelos abstractos que definen la funcionalidad del


sistema. Durante el diseno, el modelo se refina segun las implementaciones detalladas

del hardware y del software.

La configuracion de la WSN significa la composicion de los algoritmos utilizados y el

ajuste de los parametros para que se cumplan los requisitos operacionales. El desplie-

gue en este contexto significa la colocacion de la WSN completamente funcional y sus

aplicaciones al entorno de operacion final.

3.1.3. Aplicaciones de WSN

Las aplicaciones para WSN dependen principalmente de los sensores y actuadores dispo-

nibles en los nodos, desde las capacidades del interes en el procesamiento y comunicacion

que permiten obtener la funcionalidad de una aplicacion. Asimismo, los actuadores son

limitados mayormente a los servo-motores y diferentes tipos de Switches, cuando las

cantidades fısicas que pueden ser medidas con las tecnologıas ya existentes son diver-

sas. Las aplicaciones que se pueden implementar con WSN son diversas y se adecuan a

los recursos y sistemas de cada disenador. Pero en general las aplicaciones comparten

algunas caracterısticas basicas que se pueden definir como cuatro independientes de la

aplicacion y pueden ser identificadas como:[10]

Monitoreo: Determina el valor de un parametro en una locacion dada o un area

cubierta por una Red. Tıpicamente, las tareas son completadas usando medidas

periodicas.

Deteccion de eventos: Detecta la ocurrencia de un evento de interes y sus

parametros. La deteccion puede ser hecha por un solo nodo un conjunto de nodos

dependiendo de la complejidad del evento.

Clasificacion de ob jetos o eventos: Identifica un evento o un objeto. Esto

requiere la combinacion de datos desde determinadas fuentes y colaboracion de

procesos para concluir el resultado.

Rastreo de vehıculos: Rastrea los movimientos y posicion de un objeto movil

con el area de cobertura de la red.

Algunas aplicaciones que se han verificado en WSN que miden cantidades fısicas son las

siguientes:

Control de trafico: WSNs hace posible extender el monitorio de trafico y los

sistemas de control mas all de los puntos mas crıticos. Situaciones del momen-

to como trabajos en la pista y accidente pueden ser cubiertos y evitados. Estos


nodos compartirıan la informacion del trafico, generara alertas de accidentes y

atascamientos, y guiara a los conductores por rutas seleccionadas.

Automatizacion en el hogar: WSN son consideradas como la llave para cons-

truccion de casas y edificaciones inteligentes. Ejemplo el control local o remoto de

ventilacion, luminarias, aire acondicionado, limpieza, etc.

Monitoreo medio ambiental: Las aplicaciones medio ambientales cubren esce-

narios diversos desde el monitorio de condicion y el rastreo de la vida salvaje. WSN

puede ser usada para monitorear la agricultura o la Vida salvaje. Otra aplicacion

seria la catastrofe como por ejemplo incendios forestales, terremotos, tsunamis y

su prevencion.

Control y monitoreo industrial: El reemplazo de las tradicional cableado de

las maquinas y sistemas de mantenimiento es la principal aplicacion para las WSN.

Militar: Las aplicaciones militares son las primeras investigaciones. Usado para

cubrir escenarios por ejemplo inteligencia, inspeccion y reconocimiento de objeti-

vos.

Cuidado de la salud: Las redes de sensores biomedicos pueden ser usados para

obtener datos fisiologicos directamente de los pacientes. Otros cuidados de la salud

son las aplicaciones en las areas de administracion de drogas, y rastreo de doctores

y pacientes en los hospitales.

3.1.4. Clasificacion de la comunicacion wireless

La separacion de las redes WLAN y las redes de area personal inalambrica (WPAN)

no es distinta. En general, los WPANs tienen como objetivo la conexion a bajo costo

y baja complejidad de dispositivos personales, como ordenadores portatiles, asistentes

personales digitales (PDA) y telefonos moviles. Bluetooth y IEEE 802.15.4 junto con

zigBee son actualmente las tecnologıas mas conocidas. Varias iniciativas de la industria

han propuesto mejoras o alternativas para bluetooth y ZigBee. Estos incluyen Wibree,

Z wawe, MiWi y ANT que se dirigen a menores consumos de energıa o rentabilidad en

comparacion con las tecnologıas estandar.

Una clasificacion originada por IEEE clasifica las tecnologıas de acuerdo con su rango,

velocidad de datos y consumo de energıa. Ademas de estos, la figura considera tambien

la movilidad de los nodos. El consumo de energıa causado por altas velocidades de datos

y comunicaciones de largo alcance en WWAN, WMAN y tambien en WLAN, los hace

inadecuados para WSN de baja potencia. Los WPANs estan mas cerca de cumplir con

los requisitos unicos de WSN. Como se muestra en la siguiente figura. [10]


Figura 3.2: Comparacion de WSNs con otras tecnologıas wireless con respecto a (a)

Rango y velocidad de datos y (b) Consumo de energıa y movilidad

[10]

3.1.5. Caracterısticas de una WSN

A pesar de que las WSNs poseen algunas similitudes con las otras redes ad-hoc inalambri-

cas, hay varias caracterısticas que establecen WSNs aparte de otras redes de comunica-

cion. Si bien todas estas caracterısticas no pueden aplicarse conjuntamente, a continua-

cion se enumeran las principales propiedades unicas de las WSN. [10]

Paradigma de la comunicacion: En comparacion con la Red TCP/IP, la co-

municacion no se produce entre puntos finales especıficos sino que se origina sim-

plemente de acuerdo con ubicaciones geograficas o contenido de datos. Este tipo

de naturaleza centrada en datos hace que los identificadores de nodos individuales

(IDs) no tengan importancia.

Aplicacion especıfica: Una WSN se despliega para realizar una tarea especıfica

o un pequeno conjunto de tareas. Esto hace posible usar plataformas de nodos

dependientes de la aplicacion, protocolos de comunicacion, agregar datos, proce-

samiento en red y toma de decisiones.

Impredecible: WSN estan sujeta a una serie de factores de incertidumbre. En

primer lugar, los nodos son propensos a errores debido a las duras condiciones

de funcionamiento. Los enlaces de comunicacion no son fiables debido a errores

de nodo, modulaciones simples, movilidad de nodos e interferencias externas o

internas. Ademas, los protocolos WSN tienen una naturaleza dinamica incorporada

que es causada por estructuras de datos que cambian continuamente. Tablas de

enrutamiento, utilizadas para la toma de decisiones. Estos aspectos hacen que las

WSNs incluso estaticas sean imprevisibles.


Escala y densidad: Comparado con otras redes inalambricas, en la mayorıa de

las redes WSN con el numero y la densidad de sus nodos tienen pocos envıos de

bastantes datos. Estos factores dependen de la cobertura, deteccion de los nodos

y de la robustez (redundancia).

Limitacion de recursos: Los nodos en WSN de baja potencia son de pequeno

tamano y estan alimentados por una baterıa. Como el diseno del hardware se guıa

por estos factores, la computacion, la comunicacion, la memoria y los recursos

energeticos de los nodos son muy limitados.

Naturaleza de despliegue: El despliegue de nodos puede ser al azar a los am-

bientes hostiles. Esto dificulta el mantenimiento, y hace que la sustitucion de los

nodos no sea practica. Sin embargo, los requisitos y las aplicaciones de la WSN

pueden cambiar tambien durante el despliegue. Esto implica que la reconfiguracion

en tiempo de ejecucion y la reprogramacion son necesarios.

3.1.6. Factores de diseno de una WSN

Han sido publicados varios esfuerzos para formalizar los factores de diseno de las WSNs.

Y estos se concentran principalmente en los problemas funcionales relacionados con los

protocolos de comunicacion. Para cubrir tambien aspectos de nivel de sistema, los facto-

res funcionales se complementan con factores de despliegue que caracterizan despliegues

fısicos de redes WSN. Los factores de diseno definen los requisitos para el diseno WSN.

Ademas, son adecuados para comparar diferentes implementaciones y para identificar

similitudes entre aplicaciones. Esto facilita la reutilizacion y seleccion de plataformas de

nodos existentes, protocolos de comunicacion y algoritmos para diferentes escenarios de

aplicacion. [10]

3.1.6.1. Factores de despliegue:

Los factores de despliegue extraen los requisitos principales para el despliegue fısico.

Orientan la seleccion de plataformas de nodos y su ubicacion en el entorno de destino.

Implementacion de red: El proceso de implementacion real puede ser aleatorio

o los nodos se pueden establecer manualmente en lugares designados. Los nodos

se colocan una sola una vez, los nodos y las baterıas se pueden sustituir frecuen-

temente.

Costo, tamano, recursos y energıa: Un nodo puede ser del tamano de un

ladrillo, caja de fosforos o grano. Los nodos se pueden alimentar de la red, o la


energıa de operacion puede almacenarse en baterıas o extraerse del ambiente. Los

costes de fabricacion de los nodos pueden variar de pocos centavos a cientos de

euros.

Modalidad de comunicacion: La modalidad de comunicacion en las WSN es

ondas de radio, pero otras modalidades estan disponibles. Estos incluyen luz, aco-

plamiento inductivo que se utiliza en sistemas de identificacion por radiofrecuencia

(RFID), acoplamiento capacitivo, sonido o ultrasonido.

Conectividad y cobertura: La conectividad de la red depende de la cobertura

de radio, mientras que la cobertura en sı en este contexto define la forma segura

y confiable de que un evento se puede detectar con sensores fısicos. Estos pueden

variar desde totalmente conectados y cubiertos hasta esporadicos, en cuyo caso

solo se pueden monitorear partes del area y los nodos estan ocasionalmente en el

rango de comunicacion de otros nodos.

3.1.6.2. Factores funcionales:

Los factores funcionales definen las directrices para el protocolo y el comportamiento

de la aplicacion. Aunque los factores de despliegue tienen mayor influencia antes de que

se implemente una WSN, estos tienen mas efecto en el funcionamiento activo de la red.

[10]

Tolerancia a fallos: El funcionamiento general de una WSN debe ser robus-

to contra fallos de nodos individuales. Ademas de los algoritmos de aumento de

la fiabilidad, esto puede ser abordado por despliegues redundantes, cuantos mas

nodos se utilicen de lo estrictamente necesario.

Funcionamiento autonomo: Las posibilidades de administracion manual de

una WSN dependen de la aplicacion. Sin embargo, la auto-organizacion, la auto-

configuracion, y la recuperacion de errores suelen ser los mecanismos necesarios en

WSNs debido al gran numero de nodos y su alta densidad.

Vida util: La definicion de la vida util depende de la aplicacion. Puede definirse

como el tiempo hasta que la mitad de los nodos mueren o cuando la red deja de

entregar los datos de la aplicacion de forma fiable. En general, la vida util de los

nodos alimentados por baterıa puede ser de horas a varios anos.

Naturaleza dinamica: La movilidad y la interferencia del entorno crean un en-

torno operativo dinamico para las WSN. Los nodos moviles pueden ser conectados


a objetos en movimiento, influidos por fuerzas de la naturaleza (por ejemplo, vien-

to, agua, terremoto, avalancha, deslizamiento de tierra), o tener actuadores que

permitan la movilidad del nodo.

Rendimiento de la red: En el nivel bajo, el rendimiento de la red se puede

caracterizar por el rendimiento, la latencia, la fluctuacion de fase y el numero de

paquetes perdidos y duplicados. Tıpicamente, el rendimiento mejorado resulta en

un mayor consumo de recursos. Este compromiso debe adaptarse de acuerdo con

los requisitos de aplicacion.

Precision de los resultados: La precision requerida de los resultados depende

de la aplicacion. En varios escenarios WSN, la colaboracion distribuida entre los

nodos se requiere para obtener la precision necesaria.

Seguridad: La necesidad de seguridad y privacidad es evidente en ciertos dominios

de aplicacion. En la asistencia sanitaria y militar.

3.2. Zigbee

En este punto se detalla el estandar en el que esta basado el modulo XBEE, arquitectura

y topologıa. Se incluye ademas una descripcion de estos modulos, tanto en sus pines y

modos de operacion. Finalmente indicaremos las herramientas de software que utilizamos

en este proyecto. [12]

3.2.1. Standard Zigbee

ZigBee es un estandar que define un conjunto de protocolos para el armado de redes

inalambricas de corta distancia y baja velocidad de datos. Opera en las bandas de 868

MHz, 915 MHz y 2.4 GHz y puede transferir datos hasta 250 Kbps.

Este estandar fue desarrollado por la Alianza ZigBee, que tiene a cientos de companıas

desde fabricantes de semiconductores y desarrolladores de software a constructores de

equipos OEMs e instaladores. [12]

Esta organizacion sin fines de lucro nace en el ano 2002. Desarrolla un protocolo que

adopta al estandar IEEE 802.15.4 para sus 2 primeras capas, es decir la capa fısica (PHY)

y la sub-capa de acceso al medio (MAC). Y agrega la Capas de red y de aplicacion.

La idea de usar una conexion inalambrica para controlar sensores y adquirir datos tiene

muchos anos. Existen numerosas soluciones propietarias usadas en domotica pero el


gran inconveniente que tienen es la incompatibilidad entre sensores, controles y equipos

de procesamiento de datos que obliga a hacer pasarelas (gateways) para interconectar

dispositivos de diferentes marcas.[12]

El estandar ZigBee fue disenado con las siguientes especificaciones:

Ultra bajo consumo que permita usar equipos a baterıa.

Bajo costo de dispositivos y de instalacion y mantenimiento de ellos.

Alcance corto (tıpico menor a 50 metros).

Optimizado para ciclo efectivo de transmision menor a 0.1 %.

Velocidad de transmision menor a 250 kbps. Tıpica: menor que 20 kbps.

Existen muchos estandares que se pueden usar en redes de corto alcance tales como el

802.11 y bluetooth. Cada uno de estos esta desarrollado para una clase de aplicacion

determinada. ZigBee es el estandar mas aceptado hoy para usar en redes de sensores y

actuadores que deban operar a baterıa.

3.2.1.1. Clasificacion de redes:

En la figura 3.3 se observa un conjunto de estandares de redes inalambricas clasificados

segun los ejes: velocidad de datos y alcance o cobertura.

Figura 3.3: Clasificacion de redes inalambricas

[4]

De acuerdo a su cobertura las redes inalambricas se clasifican en:


WPAN: Redes inalambricas de area personal.

WLAN: Redes inalambricas de area local.

WMAN: Redes inalambricas de area metropolitana.

WWAN: Redes inalambricas de area geografica.

La finalidad de una interfase que opere bajo IEEE 802.11 (WIFI) es brindar conexion

a internet inalambrica. Una vez que un dispositivo WLAN se une a la red, se lo trata

como a cualquier dispositivo cableado.

Las redes WPAN, no estan pensadas para sustituir a un equipo cableado, mas bien para

proveer una comunicacion en el espacio operativo personal (POS: Personal Operating

Space) sin necesidad de infraestructura. El POS, es la region esferica de 10 m de radio

que rodea al dispositivo . A las redes WPAN se las divide a su vez en redes de alta, media

y baja velocidad. IEEE802.15.3 es un ejemplo de red de alta velocidad que puede ser

usada por ejemplo para transmitir video desde una camara a un TV cercano. Bluetooth

es un ejemplo de estandar de media velocidad. Puede ser usado para transmision de

musica de alta calidad desde un equipo de audio a auriculares inalambricos. Tambien se

emplea para conectar teclados, ratones y otros perifericos a computadoras. ZigBee, con

una velocidad de datos maxima de 250 kbps, es considerada una red personal inalambrica

de baja velocidad.[12]

3.2.2. Aplicaciones de ZigBee

3.2.2.1. Automatizacion en el hogar

Es una de las aplicaciones mas usadas de ZigBee ya que es muy facil la instalacion de

dispositivos y la modificacion de posicion de los mismos. Los usos tıpicos son:

3.2.2.2. Seguridad:

Sensores de movimiento, de rotura de cristales, apertura de puertas y ventanas. A pesar

de su baja velocidad tambien se usa para transmitir imagenes de camara de seguridad

de baja calidad.[13]

3.2.2.3. Lectura de instrumentos de servicios:

Los medidores de consumo de agua, gas y energıa electrica deben leerse en forma re-

gular a efecto de facturar los servicios. Es posible crear una red tipo malla para que la


informacion de los medidores llegue directamente a la empresa de servicio. Tambien los

medidores ZigBee podrıan comunicarse con los artefactos dentro de la casa.[13]

3.2.2.4. Sistema de riego automatico

El uso de un medidor de humedad de suelo permite mejorar la eficiencia del consumo de

agua. Se puede distribuir una red de sensores de humedad en un parque de modo que

solo se riegue las zonas secas y controlar el tiempo de regado. Una red inalambrica de

sensores facilita enormemente la instalacion y el mantenimiento.

El uso de un medidor de humedad de suelo permite mejorar la eficiencia del consumo de

agua. Se puede distribuir una red de sensores de humedad en un parque de modo que

solo se riegue las zonas secas y controlar el tiempo de regado. Una red inalambrica de

sensores facilita enormemente la instalacion y el mantenimiento.[13]

3.2.2.5. Control de iluminacion

Para poder controlar el encendido de una lampara se necesita un cableado a una llave

interruptora en una caja de una pared. ZigBee simplifica la instalacion de nuevas lampa-

ras o controles en lugares donde no esta la canerıa para pasar un cable. En la Figura 3.4

se muestra la conexion de lamparas usando ZigBee.

Si bien el costo de la conexion inalambrica es mas elevado que el convencional cableado,

brinda otras ventajas ademas de la facilidad de instalacion. Es posible conectar un

controlador inteligente que encienda/apague luces de acuerdo a una programacion, la

deteccion de presencia de personas o algun otro criterio.[13]

3.2.2.6. Control de temperatura multi-zona

Los termostatos ZigBee se usan para controlar la temperatura de una casa. En los

sistemas de aire acondicionado es posible controlar las rejillas deflectoras amortiguadora

de aire de modo de tener control de temperatura separado para cada habitacion.[13]

3.2.2.7. Controles remotos

Tradicionalmente los controles remotos de TV, DVD y equipos de audio usan tecnologıa

optica infrarroja cuya limitacion mas importante es que solo funciona a muy poca distan-

cia y sin obstaculos. No puede, por ejemplo, penetrar una pared. Ademas la comunicacion


Figura 3.4: Control de luces en una casa usando ZigBee.

[13]

es unidireccional. Como ZigBee usa radiofrecuencia, desaparecen estas limitaciones. Por

ejemplo, alguien puede desde otra habitacion manejar el equipo de audio y recibir en un

display del control remoto, datos de la cancion que esta escuchando.[13]

3.2.2.8. Automatizacion industrial

Para identificar piezas es necesario agregar alguna marca que de alguna informacion. Ac-

tualmente se usan etiquetas de codigos de barra e identificadores de radiofrecuencia de

tipo pasivo (RFID: Radio Frequency Identification). Estas, son marcas (tags) formadas

por un circuito integrado de memoria que cuando se acercan a un campo electromagneti-

co de determinada frecuencia, se pueden leer y grabar. El inconveniente mayor es que

solo trabajan a pocos centımetros del lector. Usando ZigBee es posible construir marcas

activas (active RFID) que se lean a mayor distancia y ademas usarse para brindar in-

formacion indirecta sobre su localizacion usando tres o mas nodos ZigBee de ubicacion

conocida .[13]

3.2.2.9. Otros usos

En hospitales: para el control de pacientes, y medidores y alarma en terapia intensiva.

En hoteles: para controlar el acceso a las habitaciones. En monitoreo ambiental: en apli-

caciones de redes de sensores como temperatura, humedad, presion, redes de proteccion

de incendio, etc. [13]


3.2.3. Estandar IEEE 802.15.4

Es la base sobre la que se define la especificacion de ZigBee, desarrollando un protocolo

que adopta al estandar IEEE 802.15.4 para sus 2 primeras capas, es decir la capa fısica

(PHY) y la Sub-capa de Acceso al Medio (MAC). Zigbee construye los niveles supe-

riores de la pila de protocolos que el estandar no cubre. Agrega la capa de Red y de

Aplicaciones.[12]

Figura 3.5: Capas en las redes Zigbee

[13]

ZigBee es entonces un estandar que define un conjunto de protocolos para el armado de

redes inalambricas de corta distancia y baja velocidad de datos que opera en las bandas

de 868 MHz, 915 MHz y 2.4 GHz y puede transferir hasta 250Kbps.

El proposito del estandar es definir los niveles de red basicos para dar servicio a un tipo

especıfico de red inalambrica de area personal (WPAN) centrada en la habilitacion de

comunicacion entre dispositivos ubicuos con bajo coste y baja velocidad (en contraste

con esfuerzos mas orientados directamente a los usuarios medios, como WiFi). Se enfatiza

el bajo coste de comunicacion con nodos cercanos y sin infraestructura o con muy poca,

para favorecer aun mas el bajo consumo.

En su forma basica se concibe un area de comunicacion de 10 metros con una tasa de

transferencia de 250 kbps. Se definieron inicialmente tasas alternativas de 20 y 40 kbps;

la version actual anade una tasa adicional de 100 kbps. Se pueden lograr tasas aun

menores con la consiguiente reduccion de consumo de energıa. Como se ha indicado, la

caracterıstica fundamental de 802.15.4 entre las WPAN’s es la obtencion de costes de

fabricacion excepcionalmente bajos por medio de la sencillez tecnologica, sin perjuicio

de la generalidad o la adaptabilidad. Un dispositivo que implementa el 802.15.4 puede

transmitir en una de tres posibles bandas de frecuencia.


IEEE 802.15.4 es un estandar que define el nivel fısico y el control de acceso al medio de

redes inalambricas de area personal con tasas bajas de transmision de datos. El grupo

de trabajo IEEE 802.15 es el responsable de su desarrollo.[12]

3.2.3.1. Caracterısticas generales del estandar IEEE 802.15.4.:

Puede trabajar tanto en las bandas de 2.4 GHz como en la de 868/915 MHz.

Tasa de transmision de hasta 250 kbps en 2.4 GHz, 40 kbps en 915 MHz y 20 kbps

en 868 MHz.

Optimizado para aplicaciones con ciclo efectivo menor a 0.1.

Usa CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance) para acceso

al canal.

Produce alto rendimiento y baja latencia para dispositivos de bajo ciclo de trabajo,

muy adecuado esto para sensores y controles.

Baja potencia. Ideal para equipos a baterıa.

64 bits de direccionamiento determina una cantidad maxima de 1.8 exp(19) dis-

positivos.

16 bits para identificar redes que determina un total de 65536 redes.

Permite el uso de ranuras de tiempo (time slots) para posibilitar aplicaciones de

baja latencia.

Protocolo con handshake (dialogo) para mejorar la seguridad en las transferencias.

Rango: hasta 50 m (valor tıpico, depende del ambiente)

3.2.3.2. Caracterısticas Especıficas del estandar IEEE 802.15.4.:

Aparte de las caracterısticas generales en estandar tambien define sus modos de trafico,

direccionamiento, arquitectura y tipos de dispositivos que la conforman. Estas son las

siguientes:

Tipos de trafico Las aplicaciones usadas en ZigBee tienen un trafico que puede

clasificarse en uno de los siguientes tipos:


1. Datos periodicos (continuo): La aplicacion define una tasa de datos. Es un

caso tıpico de sensores en donde por ejemplo un sensor necesita transmitir la

temperatura cada 10 segundos.

2. Datos intermitentes (por eventos): En este caso la aplicacion junto a otros

estımulos externos al dispositivo definen la tasa de datos. Por ejemplo en un sistema

domotico, los interruptores de luces transmiten solo ante un cambio de posicion.

Mientras tanto estan desconectados (comunmente denominado en modo dormir)

y consumiendo una energıa de baterıa mınima.

3. Datos periodicos con comunicacion garantizada GTS: Hay aplicaciones de

baja latencia que requieren comunicacion libre de competencia por el canal. GTS

es un metodo de calidad de servicio que garantiza la atencion por un cierto t dentro

de un perıodo T llamado Supertrama. IEEE 802.15.4 provee un modo de trabajo

denominado con baliza que sirve como multiplexacion temporal.

Tipos de dispositivos El estandar no define niveles superiores ni sub-capas de inter-

operabilidad. Existen extensiones, como la especificacion de ZigBee, que complementan

al estandar en la propuesta de soluciones completas. El estandar define dos tipos de

nodos en la red, lo que determina los distintos tipos de topologıas:

1. FFD (Full Function Device): es el dispositivo de funcionalidad completa (full-

function device, FFD). Puede funcionar como coordinador de una red de area

personal (PAN) o como un nodo normal. Implementa un modelo general de comu-

nicacion que le permite establecer un intercambio con cualquier otro dispositivo.

Puede, ademas, encaminar mensajes, en cuyo caso se le denomina coordinador

(coordinador de la PAN si es el responsable de toda la red y no solo de su en-

torno).

2. RFD (Reduced Function Device): los dispositivos de funcionalidad reduci-

da (reduced-function device, RFD). Se plantean como dispositivos muy sencillos

con recursos y necesidades de comunicacion muy limitadas. Por ello, solo pueden

comunicarse con FFD’s y nunca pueden ser coordinadores.

ZigBee requiere para sus redes que haya al menos 1 dispositivo de funcion completa

(FFD) para que actue como coordinador de red pero los nodos finales de la estrella

pueden ser de funcion reducida para poder reducir costos.

Las redes de nodos pueden construirse como redes punto a punto o en estrella. En cual-

quier caso, toda red necesita al menos un FFD que actue como su coordinador. Las redes


estan compuestas por grupos de dispositivos separados por distancias suficientemente

reducidas; cada dispositivo posee un identificador unico de 64 bits, aunque si se dan

ciertas condiciones de entorno en este pueden utilizarse identificadores cortos de 16 bits.

Probablemente estos se utilizaran dentro del dominio de cada PAN separada.

Figura 3.6: Topologıas en IEEE 802.15.4

[13]

Las redes punto a punto pueden formar patrones arbitrarios de conexionado, y su exten-

sion esta limitada unicamente por la distancia existente entre cada par de nodos. Forman

la base de redes ad-hoc auto organizativas. El estandar no define un nivel de red, por lo

que no se soportan funciones de ruteo de forma directa, aunque si dicho nivel se anade

pueden realizarse comunicaciones en varios saltos. Pueden imponerse otras restricciones

topologicas; en concreto, el estandar menciona el arbol de clusters como una estructura

que aprovecha que los RFD’s solo pueden conectarse con un FFD al tiempo para formar

redes en las que los RFD’s son siempre hojas del arbol, y donde la mayorıa de los nodos

son FFD’s. Puede relajarse la estructura para formar redes en malla genericas, cuyos

nodos sean arboles de clusters con un coordinador local para cada cluster, junto con un

coordinador global. Tambien pueden formarse redes en estrella, en las que el coordinador

va a ser siempre el nodo central. Una red ası se forma cuando un FFD decide crear su

PAN y se nombra a sı mismo coordinador, tras elegir un identificador de PAN unico.

Tras ello, otros dispositivos pueden unirse a una red totalmente independiente del resto

de redes en estrella.[13]

Modos de direccionamiento: Todos los dispositivos tienen direcciones de 64 bits.

Se pueden usar direcciones de 16 bits para poder reducir el tamano del paquete.

3.2.3.3. Arquitectura:

Los dispositivos se relacionan entre sı a traves de una red inalambrica sencilla. La defi-

nicion de los niveles se basa en el modelo ISO-OSI (Capas fısicas y de enlace). El nivel


fısico (PHY) provee el servicio de transmision de datos sobre el medio fısico propiamen-

te dicho, ası como la interfaz con la entidad de gestion del nivel fısico, por medio de la

cual se puede acceder a todos los servicios de gestion del nivel y que mantiene una base

de datos con informacion de redes de area personal relacionadas. De esta forma, PHY

controla el transceptor de radiofrecuencia y realiza la seleccion de canales junto con el

control de consumo y de la senal. Opera en una de tres posibles bandas de frecuencia de

uso no regulado.

868-868,8 MHz: Europa, permite un canal de comunicacion (version de 2003),

extendido a tres en la revision de 2006.

902-928 MHz: Norte America, hasta diez canales (2003) extendidos a treinta (2006).

2400-2483,5 MHz: uso en todo el mundo, hasta dieciseis canales (2003, 2006).

Figura 3.7: Bandas de frecuencia de estandar 802.15.4.

[13]

La version original del estandar, de 2003, especifica dos niveles fısicos basados en espectro

ensanchado por secuencia directa (direct sequence spread spectrum, DSSS): uno en las

bandas de 868/915 MHz con tasas de 20 y 40 kbps; y otra en la banda de 2450 MHz

con hasta 250 kbps. La revision de 2006 incrementa las tasas de datos maximas de

las bandas de 868/915 MHz, que permiten hasta 100 y 250 kbps. El control de acceso

al medio (MAC) transmite tramas MAC usando para ello el canal fısico. Ademas del

servicio de datos, ofrece un interfaz de control y regula el acceso al canal fısico y al

balizado de la red. Tambien controla la validacion de las tramas y las asociaciones entre

nodos, y garantiza slots de tiempo. Por ultimo, ofrece puntos de enganche para servicios

seguros.[13]

3.2.3.4. Topologıas definidas por IEEE 802.15.4:

El estandar no define niveles superiores ni subcapas de interoperabilidad. Existen exten-

siones, como la especificacion de ZigBee, que complementan al estandar en la propuesta

de soluciones completas. El estandar define dos tipos de nodos en la red, lo que determina

los distintos tipos de topologıas.


Figura 3.8: Grafico comparativo de frecuencias y canales.

[13]

FFD: El primero es el dispositivo de funcionalidad completa (full-function device,

FFD). Puede funcionar como coordinador de una red de area personal (PAN) o como un

nodo normal. Implementa un modelo general de comunicacion que le permite establecer

un intercambio con cualquier otro dispositivo. Puede, ademas, encaminar mensajes, en

cuyo caso se le denomina coordinador (coordinador de la PAN si es el responsable de

toda la red y no solo de su entorno).

RFD: Contrapuestos a estos estan los dispositivos de funcionalidad reducida (reduced-

function device, RFD). Se plantean como dispositivos muy sencillos con recursos y ne-

cesidades de comunicacion muy limitadas. Por ello, solo pueden comunicarse con FFD’s

y nunca pueden ser coordinadores.

Las redes de nodos pueden construirse como redes punto a punto o en estrella. En cual-

quier caso, toda red necesita al menos un FFD que actue como su coordinador. Las redes

estan compuestas por grupos de dispositivos separados por distancias suficientemente

reducidas; cada dispositivo posee un identificador unico de 64 bits, aunque si se dan

ciertas condiciones de entorno en este pueden utilizarse identificadores cortos de 16 bits.

Probablemente estos se utilizaran dentro del dominio de cada PAN separada.

Las redes punto a punto pueden formar patrones arbitrarios de conexionado, y su ex-

tension esta limitada unicamente por la distancia existente entre cada par de nodos.

Forman la base de redes ad hoc auto organizativas. El estandar no define un nivel de

red, por lo que no se soportan funciones de ruteo de forma directa, aunque si dicho nivel

se anade pueden realizarse comunicaciones en varios saltos.

Pueden imponerse otras restricciones topologicas; en concreto, el estandar menciona el

arbol de clusters como una estructura que aprovecha que los RFD’s solo pueden conec-

tarse con un FFD al tiempo para formar redes en las que los RFD’s son siempre hojas

del arbol, y donde la mayorıa de los nodos son FFD’s. Puede relajarse la estructura para

formar redes en malla genericas, cuyos nodos sean arboles de clusters con un coordina-

dor local para cada cluster, junto con un coordinador global. Tambien pueden formarse


redes en estrella, en las que el coordinador va a ser siempre el nodo central. Una red ası

se forma cuando un FFD decide crear su PAN y se nombra a sı mismo coordinador, tras

elegir un identificador de PAN unico. Tras ello, otros dispositivos pueden unirse a una

red totalmente independiente del resto de redes en estrella.[13]

3.2.4. Las Capas del Protocolo Zigbee - Relacion con el modelo ISO/O-

SI:

En la Figura 2.9 se muestran las capas del protocolo ZigBee. Estas se basan en el modelo

de referencia ISO para interconexion de sistemas abiertos OSI. Este modelo cuenta con

7 capas pero ZigBee usa solo 4 capas con el objeto de simplificar la arquitectura para

el armado de una red de baja tasa de transmision, simple y de bajo consumo. Las 2

capas inferiores, o sea la capa fısica (PHY) y la capa de acceso al medio (MAC) son

las definidas por el Standard IEEE 802.15.4. Las capas de red (NWK) y de aplicacion

(APL) se definen en ZigBee. Cada capa se conecta con las capas adyacentes por medio

de un SAP (Service Access Point). Un SAP es un lugar por donde una capa superior

requiere un servicio a una capa inferior.

Figura 3.9: Capas en las redes zigbee

[13]

3.2.4.1. La Capa Fısica (PHY):

Le Corresponde a IEEE 802.15.4. Ademas de definir las funciones y la relacion con la

capa MAC, define aspectos como la potencia del transmisor y la sensibilidad del receptor.


No de pagina No de Canal Descripcion

0

0 868 MHz. (BPSK) 1-10 915 MHz (BPSK) 11-26 2.4 GHz (O-QPSK)

1

0 868 MHz (ASK) 1-10 915 MHz (ASK) 11-26 Reservado

2

0 868 MHz (O-QPSK) 1-10 915 MHz (O-QPSK) 11-26 Reservado

3-31 Reservado Reservado

Cuadro 3.1: Asignacion de Canales.

[13]

Canales: En la primera version de 802.15.4 se definıan canales y cada uno de ellos

representaba una frecuencia. Aparecıa un lımite de 27 canales con 1 en la banda de

868MHz, 10 en la banda de 915MHz y 16 en la banda de 2.4GHz. En la version IEEE

802.15.4 de 2006 se introduce el concepto de pagina para permitir la incorporacion de

nuevas formas de tecnologıas a la capa fısica. En la Tabla 2.1 se muestra la asignacion

de canales.

Numeracion de Canales: Cada canal se identifica con un numero de canal. En

todas las paginas el canal 0 se asigna a la banda de 868 Mhz con frecuencia central en

868.3 Mhz. La frecuencia central en cada canal de la banda de 915 Mhz se calcula con

la siguiente formula:

F recuenciaC entral[M hz] = 906 + 2(N umerocanal − 1)

C on1 ≤ N umerocanal ≤ 10

Para la banda de 2.4 GHz la frecuencia central se calcula:

F recuenciacentral[M H z] = 2405 + 5 ∗ (N umerocanal − 1)

C on11 ≤ N umerocanal ≤ 26

Deteccion de la Carga: Antes de transmitir en un canal, el dispositivo debe medir

el nivel de energıa en ese canal. Para eso en modo recepcion hace el valor medio de

los valores medidos en un intervalo correspondiente a la duracion de 8 sımbolos. Esta

medicion solo indica si el canal esta ocupado pero no se puede saber si esa energıa

corresponde a otro dispositivo 802.15.4 o no.

La sensibilidad del receptor se define como la energıa mınima necesaria de la senal

entrante que permita ser detectada y demodulada con un error en los paquetes menor al

1 %. El estandar 802.15.4 admite una diferencia de 10 dB entre la sensibilidad del receptor


y el nivel mınimo de energıa detectable. Por ejemplo si la sensibilidad del receptor es

de -70dBm debe poder medir energıas de 60 dBm El rango de medicion que exige el

protocolo es de 40 dB lo que en este ejemplo determinarıa un intervalo de medicion de

energıa de 60 dBm a 20 dBm. La capa fısica provee el servicio de deteccion de energıa

en un canal dado y lo envıa a la MAC por medio de un entero de 8 bits. [12]

Censado de Portadora (CS) (Carrier Sense): Es un protocolo que usa el estandar

802.15.4 como base y anade funcionalidades de enrutamiento y de red. Fue desarrollado

por la ZigBee Alliance. Esta alianza es un grupo de companıas que trabajaron en coope-

racion para desarrollar un protocolo de red que pueda ser usado en una variedad de

aplicaciones tanto comerciales como industriales de baja tasa de transferencia de datos.

Zigbee anade redes tipo mesh (malla) en donde el rango entre dos puntos puede estar

mas alla de los dos radios localizados en aquellos puntos, pero modulos intermedios estan

presentes para dirigir cualquier mensaje hacia o desde los radios deseados.

Indicador de calidad del enlace (LQI) (Link Quality Indicator) Esta es una

indicacion de la calidad de los paquetes recibidos por el receptor. Puede usarse la in-

tensidad de senal de recepcion o la relacion senal ruido. Cuanta mas alta sea ultima se

considera que habra mas garantıa de que el mensaje llegue a destino. El LQI puede ser

usado en una red ZigBee como mecanismo de ruteo en una malla. Ası se elegirıan las

rutas de LQI mas alto. Pero hay que destacar que hay otros factores a tener en cuenta

en el ruteo. Uno muy importante es el gasto de energıa de las baterıas. Los nodos que

intervengan mas frecuentemente en el paso de mensajes agotaran sus baterıas antes. [13]

Evaluacion de canal libre (CCA) (Clear Channel Assessment): El mecanismo

CSMA-CA hace que la MAC le pida a la capa Fısica que haga una evaluacion del canal

para ver que este libre. El CCA es parte del area de manejo de la capa fısica. En 802.15.4

existen 3 modos de operacion del CCA

Modo 1: Se usa el nivel de energıa y un umbral a partir del cual el canal est

ocupado.

Modo 2: Se usa el nivel CS para determinar la ocupacion del canal.

Modo 3: Combinacion AND u OR de los 2 modos anteriores. AND: La energıa pasa

de un umbral Y la senal cumple con el estandar OR: La energıa supera a un umbral O

es censada una senal que cumple con el estandar.


Concepto de cliente – servidor entre capas: IEEE 802.15.4 y ZigBee usan el

nombre de “primitivas” para describir los servicios que una capa le provee a la capa

siguiente superior. Las capas PHY, MAC y NWK tienen funciones diferentes pero las

formas de requerir servicios son similares. La capa superior usa un servicio de puntos

de acceso (SAP: Service Access Point) para requerir servicios. La capa inferior da la

confirmacion de la transmision exitosa a la capa superior. En la Figura 2.10 se muestra

la comunicacion entre la capa que solicita y la que brinda el servicio.

Las etapas son: Pedido, Confirmacion, Respuesta e Indicacion.

Figura 3.10: Capas en las Redes Zigbee

[12]

La Indicacion se genera en la capa N y va al solicitante del servicio, para senalizar un

evento que es importante para la capa N+1. Por ejemplo cuando la capa fısica recibe

datos de otro dispositivo que deben ser pasados a la MAC la capa usa la primitiva

PD-Data. Indicativo para informarle a la MAC.

3.2.4.2. Interfase entre capa Fısica y MAC:

La Figura 2.11 siguiente nos muestra las 2 capas con 2 bloques SAP: Un SAP de datos

(PD-SAP) y un SAP administrativo (PLME-SAP) que comunica a la administracion

de la capa fısica (PLME) con la administracion de la capa MAC (MLME). Los datos

recibidos en el receptor pasan a la MAC a traves del PD-SAP.

En la Figura 2.12 se ve el camino de comunicacion entre la capa de aplicacion de un

dispositivo con la de otro. PDU (Protocol Data Unit) es la unidad de datos de cada

capa. Al nombre se le antepone una letra que indica la capa a la que pertenece.

A rea Datos de la capa Fısica (PPDU: Physical PDU): Para el caso de la

transmision de datos a otro dispositivo, estos provienen desde el area datos de la capa

MAC (MPDU: MAC PDU). La MAC local genera el pedido de servicio, la capa fısica


Figura 3.11: Interfase de servicio de datos y de manejo entre capas Fısica y Control

de Acceso al medio.

[12]

Figura 3.12: Comunicacion de datos entre dos aplicaciones ZigBee pasando entre

capas.

[12]

intenta satisfacerlo y responde indicando el resultado (transmision exitosa o falla). Las

posibles causas de transmision infructuosa son:

a) El transceptor estaba des-habilitado.

b) El transceptor estaba en modo receptor. (La comunicacion siempre es semi-duplex).

c) El transmisor estaba ocupado con otra transmision previa.

Para el caso de la recepcion, la unidad de datos de la capa fısica envıa un aviso de la

llegada de datos a la capa MAC. Ademas envıa datos relacionados con la calidad del

enlace (LQI)


3.2.4.3. La capa MAC de 802.15.4:

La capa MAC provee una interfase entre la capa fısica y la proxima capa sobre la de MAC

que en el caso de ZigBee es la de red. Como se dijo antes, el protocolo IEEE802.15.4 se

compone de las especificaciones para PHY y MAC y por lo tanto la capa que sigue puede

ser cualquiera de acuerdo al protocolo usado. En este trabajo se estudian los servicios

de MAC en relacion a la capa de red de ZigBee. En la Figura 2.13 se ve el modelo

de referencia con la sub-capa MAC entre PHY y NWK. Aparece al igual que en otras

capas 2 partes: una entidad de manejo de la capa MAC (MLME) que es la encargada

de manejar los servicios y una unidad de datos. La MLME interactua con sus vecinas

NLME y PLME por medio de las SAP. La MAC tiene su propia base de datos llamada

MAC-PIB. Todas las constantes y atributos estan definidos en el estandar IEEE 802.15.4

.[12]

Figura 3.13: La interfase de la capa MAC con sus vecinas.

[12]

Operacion de la PAN usando balizas: El uso de balizas en la red permite disponer

de ranuras de tiempo garantizadas (GTS). Para eso se crean tramas especiales MAC

llamada tramas de baliza. Cuando se trabaja con baliza es posible usar una estructura

especial llamada supertrama. En la Figura 2.14 se observan los tiempos de la supertrama.

Las supertramas, que son opcionales en IEEE 802.15.4, estan separadas por tramas de

baliza.

Una supertrama tiene tres tipos de perıodos: perıodo de acceso en contienda (CAP),

perıodo libre de contiendas (CFP) y Perıodo inactivo. Los nodos que quieran transmi-

tir durante el perıodo CAP deben usar CSMA-CA para acceder a un canal que esta


Figura 3.14: Estructura de una Supertrama.

[12]

disponible igualmente para todos los dispositivos. El primero que lo encuentre libre lo

usara y lo tendra disponible hasta que cese su transmision. Si el dispositivo encuentra el

canal ocupado, iniciara un perıodo de espera aleatorio (back off ) e intentara nuevamen-

te usarlo. Las tramas MAC de comando se deben transmitir durante el CAP. No hay

garantıas dentro del CAP de que el dispositivo pueda usar el canal en el momento en

que lo necesita ya que esta en competencia con otros dispositivos.

En el perıodo CFP, un dispositivo puede tener garantizada una ranura de tiempo (time

slot), con lo que no necesita competir usando CSMA-CA. Esto es muy importante para

aplicaciones de baja latencia. La suma de los perıodos CAP y CFP constituye el perıodo

activo. Este se divide en 16 ranuras de identico tiempo. La baliza esta en la primera

ranura. Puede haber hasta 7 GTS en el CFP. Cada GTS puede durar una o mas ranuras

de tiempo.

La supertrama puede contener un perıodo de inactividad. En este, los dispositivos pueden

apagar los transceptores de radio para conservar la energıa. Es lo que se conoce como

nodo en modo “dormir”. El coordinador es quien define los perıodos de la supertrama

dando valores a las constantes que determinan el intervalo entre balizas (BI) y la duracion

de la supertrama (SD). [12]

Espaciado entre tramas: El espacio entre tramas consiste en una espera que hace el

transmisor entre tramas para que el receptor tenga tiempo de procesarlas. Se lo conoce

como IFS (Interframe spacing). De acuerdo al largo del MPDU se realiza un IFS corto

(SIFS: Short IFS) o largo (LIFS: Long IFS). Y existen dos formas de comunicacion entre

emisor y receptor del mensaje, esto es comunicacion con confirmacion (ACK: Acknow-

ledge) o sin ella. En la figura 2.15 se ve que en el caso de usar ACK el IFS comienza

luego de la recepcion del ACK.


Figura 3.15: Espaciado entre tramas: (a) trabajo con ACK, (b) trabajo sin ACK.

[12]

CSMA-CA: Cuando un dispositivo desea transmitir, previamente verifica que el

canal no este en uso por otro dispositivo. Si esta libre comienza a transmitir. Hay trans-

misiones que se hacen sin verificacion previa. Estas son:

Transmision de balizas.

Transmision durante el perıodo CFP.

Transmision despues de haber dado ACK a un comando de pedido de datos.

El uso del CSMA-CA tiene en cuenta si se esta trabajando con supertrama o no. Si es el

primer caso, el tiempo activo se divide en 16 ranuras iguales, entonces el tiempo de back

off debe ser alineado para que caiga en el CAP. Este caso se llama CSMA-CA ranurado.

Cuando no se trabaja con supertrama, no se necesita sincronizar el back off. Este caso

se denomina CSMA-CA no ranurado.[12]

Los problemas del nodo oculto y del nodo expuesto: El algoritmo de CSMA-

CA tiene problemas cuando aparece un nodo oculto (Figura 2.16). Si los nodos A y C

estan fuera de alcance entre ellos pero existe un nodo B que puede comunicarse tanto

con A como con C. Entonces cuando A transmita algo a B, el nodo C no se enterara.

Analogamente cuando C transmita a B, A no lo recibira. Si por alguna razon transmiten

A y C en el mismo canal y en el mismo momento, esto creara una colision de paquetes

en B. Una forma de resolver este problema es aumentando la potencia en los nodos A y

C de modo que A reciba a C y viceversa.

En la MAC de 802.15.4 a diferencia de IEEE 802.11, no hay un mecanismo de dialogo

(handshake) que soporte RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) ası que no hay

solucion a nivel software de MAC.


Figura 3.16: El problema del nodo oculto.

[12]

El otro problema es el del nodo expuesto. En la figura 3.17, el nodo E le transmite

un mensaje a D mientras que en el mismo momento F le transmite a G. El nodo D

est fuera de alcance del nodo F por lo tanto E y F podrıan transmitir en simultaneo

sin colisiones. Pero el nodo E cuando aplique el algoritmo de CSMA-CA percibira la

transmision del nodo F, considerara que el canal esta ocupado y no transmitira. A esto

se lo denomina el problema del nodo expuesto. En este caso el problema se podrıa

solucionar disminuyendo la potencia a la mınima necesaria para que el receptor reciba

correctamente la informacion, cambiando la ubicacion de los nodos, o usando RTS/CTS

que como se dijo no esta soportado en IEEE802.15.4

Figura 3.17: El problema del nodo expuesto.

[12]

Servicio MAC: La MAC esta dividida en 2 partes principales: el area de datos

(MCPS) y el area de manejo (MLME) que equivale a una unidad de control. La primera

tiene que ver con la comunicacion de la informacion hacia las capas vecinas de red y

fısica segun se trate de una recepcion o una transmision. Es relativamente simple pero

debe ser optimizada ya que es la que se accede con mas frecuencia. La parte de control

(MLME) es la encargada de recibir los comandos desde la capa de red y decodificarlos.

Lo mismo para las indicaciones y confirmaciones desde la capa fısica.


Servicios de Asociacion y Des-asociacion: La asociacion es el proceso mediante

el cual un dispositivo se une a una red. La capa de red (NWK) es la que maneja la

formacion de la red e instruye a la capa MAC para hacerlo. Se usan 4 primitivas :

MLME-Associate.request

MLME-Associate.indication (opcional para RFD)

MLME-Associate.response (opcional para RFD)

MLME-Associate.confirm

La capa de red hace el pedido al coordinador de red para unirse a su red. En ese pedido

le pasa una lista de sus capacidades tal como si es un dispositivo FFD o RFD. La

capa MAC del dispositivo hace el pedido hasta que llega hasta la MAC del coordinador

(pasando por la capa fısica y radio). En la figura 2.18 se observan todas las senales

pedido, confirmacion e indicacion que garantizan que las capas de red se comuniquen

entre sı por medio del servicio MAC:

Figura 3.18: La secuencia de Asociacion de un dispositivo a la red.

[12]

El proceso de des-asociacion puede ser originado por el dispositivo que quiere irse de la

red o bien por el coordinador que desea expulsar al dispositivo. En las figuras 3.19 y

3.20 se observa la secuencia para una des-asociacion iniciada por el dispositivo.

En la figura 3.17 se observa la secuencia para una des-asociacion iniciada por el coordi-

nador. En ambos casos, la secuencia termina con la senal de confirmacion que le llega al

originador del pedido para confirmar la des-asociacion.


Figura 3.19: Des-asociacion iniciada por un dispositivo.

[12]

Figura 3.20: Des-asociacion iniciada por el coordinador.

[12]

Servicio de Notificacion de Baliza Cuando la capa MAC recibe una senal de

baliza, la MLME manda todos los parametros a la capa NWK indicando el LQI y el

tiempo en que se recibio.

Servicio de Habilitacion, Des-habilitacion del receptor La capa NWK puede

pedir que se habilite el receptor durante un cierto intervalo. Es un servicio opcional tanto

para FFD como RFD.

Servicio para generar GTS cuando se trabaja en modo baliza

Usado para reservar ranuras de tiempo cuando se trabaja en modo baliza.

Servicio de Reset Resetea a la capa MAC llevando los parametros a los valores por

defecto de la PIB.


Servicio de Arranque Arranca a la capa MAC e inicializa el dispositivo. Se la llama

normalmente luego del reset.

Servicio de Notificacion de orfandad Un dispositivo debe pertenecer a una red

para poder establecer una comunicacion con otros. Cuando el dispositivo de desengancha

de la red sin el proceso de des-asociacion se lo considera huerfano. Esto puede ocurrir por

algun tipo de falla o bien porque se movio y quedo fuera de rango de alcance. Cuando

la capa NWK recibe repetidas fallas en la comunicacion o no recibe ACK (parametros

ajustables en la base de datos.), concluye que esta huerfana. En ese caso instruye a la

MAC a resetearse e intentar una nueva asociacion o bien iniciar un procedimiento de

reenganche de dispositivo huerfano. En la figura 3.21 se ve como es el procedimiento de

reenganche en la red. Consiste en una trama broadcast para encontrar a sus padres. Si

el coordinador lo tenıa registrado lo reenganchara a la red.[12]

Figura 3.21: Secuencia de notificacion de dispositivo huerfano.

[12]

Servicio de Barrido de Canales: El barrido de canales es un servicio de la MAC

para darle informacion a la NWK sobre la actividad que hay en el POS. Hay 4 tipos de

barridos:

Barrido de energıa ED. Con esto determina la energıa de cada canal usando para

eso el servicio de deteccion de ED de la capa PHY.

Barrido de nodo huerfano: Cuando el nodo esta huerfano trata de encontrar a que

PAN esta asociado enviando una notificacion en cada canal y esperando que le

contesten en alguno.


Barrido activo: El dispositivo manda una trama de baliza y espera respuesta. Esto

lo pueden usar los coordinadores para descubrir los identificadores que se estan

usando en su area (POS)

Barrido pasivo: Similar al caso anterior pero no hay una senal previa de baliza.

Servicios de Sincronismo y notificacion de Perdida de Sincronismo: Cuando

se trabaja con baliza el dispositivo debe sincronizarse al coordinador. Entonces enciende

el receptor en determinado momento justo antes del comienzo de la baliza. Si no escucha

la baliza en un cierto intervalo entonces la capa NWK le ordenara a la MAC que informe

al coordinador de la perdida de sincronismo. Servicio de Encuesta (Poll): La capa NWK

puede pedir a la MAC que esta le haga un pedido de datos al coordinador. Esta primitiva

se usa como un metodo indirecto de pedido de datos que puede ser usado tanto en

sistemas con balizas como en sistemas sin ellas. [12]

3.2.4.4. Formato de la trama MAC:

Hay 4 tipos de tramas MAC: de baliza, de dato, de confirmacion (ack) y de comando.

Todas las tramas tienen 3 partes: un encabezado (MHR), una carga util (payload) y

un pie (MFR). El encabezado contiene informacion sobre el tipo de trama, campos

de direcciones y banderas de control. La carga util tiene un largo variable y contiene

comandos o datos o nada (cero bytes). El MFR contiene una secuencia de chequeo (FCS)

para verificar los datos basada en el clasico polinomio cıclico redundante (CRC). Las

figuras 3.20, 3.21, 3.22 y 3.23 muestran los diferentes formatos que puede tener la trama

MAC.

Figura 3.22: Estandar 802.15.4. Trama de comando.

[13]

Resumen de las responsabilidades de la capa MAC: Las responsabilidades de

la capa MAC se puede resumir como:


Figura 3.23: Estandar 80215.4. Trama de baliza.

[13]

Figura 3.24: Estandar 802.15.4 . Trama de dato.

[13]

Figura 3.25: Estandar 802.15.4. Trama de acknowledge.

[13]


Puede generar balizas si es coordinador.

Usa CSMA-CA como metodo de compartir el canal.

Provee el manejo, sincronizacion y GTS cuando se usa balizas.

Provee un enlace seguro entre las MACs de dos dispositivos.

Provee servicios de asociacion des-asociacion.

Provee un mecanismo de seguridad cuyo nivel estara determinado por lo solicitado

desde las capas superiores.

3.2.4.5. La capa de Red ZigBee:

La capa de red provee a Zigbee funciones para el armado y manejo de redes y una interfaz

simple para relacionarla con las aplicaciones de los usuarios. Al igual que las otras capas

provee 2 tipos de servicios: de datos a traves de la NLDE y de control o manejo por

medio de la NLME. Cada una de estas entidades se comunica con sus homologas en las

capas MAC y APL por medio de los respectivos puntos de acceso (SAP). La capa de

red tiene sus propios atributos y constantes que se guardan en una base de datos (NIB)

dentro del NLME. En la Figura 3.26. se observa la relacion de la capa de red con sus

vecinas.

Figura 3.26: Interfase de la capa de red.

[13]

La capa de red del coordinador asigna direcciones de 16 bits a cada miembro de la PAN.

Esa direccion asignada NTW debe ser identica a la direccion corta (16 bits) de la MAC

802.15.4. Cada trama de red lleva un parametro llamado radio que indica la cantidad

de saltos maximos que esta puede llegar a realizar. Este parametro se va decrementando

en cada salto. Cuando llega a cero, esa trama no sera retransmitida a otro dispositivo.

Existen 3 tipos de comunicacion de mensajes: broadcast, multicast y unicast:


Un mensaje tipo broadcast tiene como destino a todo dispositivo que lo pueda

recibir.

Un mensaje multicast se envıa solo a un grupo de dispositivos.

Un mensaje unicast contiene la direccion de un unico dispositivo.

3.2.4.6. Tipos de nodos ZigBee

El estandar especifica 3 tipos de nodos que pueden estar en una red: coordinador, ru-

teador y dispositivo final.

Coordinador Es obligatoria la presencia de uno y solo un nodo coordinador dentro

de la red. Actua como nodo raız en la topologıa arbol y es responsable de:

Arranque de la red.

Configuracion de los parametros de red.

Admision de nodos a la red.

Asignacion de direcciones de red.

El coordinador requiere de un dispositivo de funcion completa (FFD) ya que necesita

mas potencia de computo. Tambien es importante que la fuente de alimentacion sea

permanente y segura ya que este dispositivo nunca entrara en modo “dormir”. [12]

Ruteador: Es un nodo de tipo FFD pero que no es el coordinador. La utilidad de

estos es para extender la cobertura de la red y para aumentar la confiabilidad con la

creacion de rutas adicionales de datos.[12]

Dispositivo Final: Estos nodos se comunican con un nodo ruteador o un nodo coor-

dinador. Estos nodos tienen menos potencia de computo y usualmente son alimentados

a baterıa. Son dispositivos de funcionalidad reducida (RFD) segun el estandar IEEE

802.15.4.[12]


3.2.4.7. Resumen de las responsabilidades de la capa de red:

Las tareas mas importantes de la capa de red serıan:

Establecer una nueva red brindando topologıas como arbol o malla.

Agregar o quitar a un dispositivo a/de la red.

Garantizar la comunicacion dentro de toda la red mas alla del alcance de un unico

nodo.

Configurar a un nuevo dispositivo para que pueda operar en la red.

Asignar direcciones de red a los dispositivos brindando una interfase unificada para

todos ellos.

Sincronizar entre dispositivos usando balizas o encuestas.

Proveer seguridad.

Rutear tramas a sus destinos.

3.2.4.8. Capa de Aplicacion:

Consiste en la sub-capa APS (Application Support) y la ZDO (ZigBee Device Object).

Responsabilidades: mantener las tablas para los enlaces (binding) que consiste en balan-

cear o adaptar dos dispositivos entre ellos basados en los servicios y necesidades. Cada

sub-capa se puede definir con:

APS: trata de descubrir tambien a otros dispositivos que estan operando en su

mismo espacio operativo.

ZDO: Define el rol de un dispositivo dentro de la red.

En la capa de aplicacion se inician o responden pedidos de enlace y se establece una

relacion segura entre dispositivos seleccionando un metodo de seguridad como una clave.

[12]

Perfiles: En la capa aplicacion hay perfiles que se disenaron para unificar el inter-

cambio de datos en esta capa. Un perfil caracteriza tipos de dispositivos, formato de

los mensajes y acciones y funciones que se usaran en ciertas aplicaciones. Los perfiles

pueden ser:


Perfiles publicos: los especifican la Alianza ZigBee para proveer algun tipo de

interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes.

Perfiles privados: los especifica un fabricante o un usuario para sus aplicaciones

especıficas que no pueden realizarse con un perfil publico.

Un cluster es un mensaje especial definido dentro de un perfil. Cada cluster tiene ciertos

atributos que se transmiten dentro del mensaje. Por ejemplo: el control de encendido/

apagado de las luces de una casa y el control de los atenuadores de luz son diferentes

clusters dentro del perfil Automatizacion hogareno (HA).

ZigBee define puntos finales de aplicaciones que son los destinos de las mismas. Estos

actuan como puertos de comunicacion en la capa aplicacion. Por ejemplo un control

remoto que encienda /apague luces y que controle la temperatura de un equipo de aire

acondicionados maneja 2 aplicaciones diferentes y por esto tiene 2 puntos finales de

aplicacion. Un nodo en ZigBee puede tener hasta 240 puntos finales de aplicacion.[12]

El enlace: es un procedimiento en el que se realiza la conexion virtual entre puntos finales

de aplicacion. Los enlaces pueden ser: (Figura 3.27) Uno a Uno: Ejemplo: un sensor que

se conecta a un nodo central. Muchos a Uno: Ejemplo: muchos sensores del mismo tipo

se conectan a la misma central. Uno a muchos: Ejemplo: un interruptor que controla

muchas luces.

Figura 3.27: Enlaces uno a uno, varios a uno y uno a varios.

[12]

3.2.4.9. Ob jetos ZigBee (ZDO):

Fueron creados para simplificar el manejo de la red por las aplicaciones de los usuarios.

Los objetos ZigBee contienen perfiles de dispositivos ZigBee (ZDP: ZigBee Device Pro-

file) que solo se ocupan del manejo de red y no del intercambio de datos especıfico de la

aplicacion. ZDP provee de un conjunto de comandos y respuestas para:


Realizar una exploracion del canal.

Descubrir dispositivos.

Manejo de la potencia de transmision.

3.2.5. Seguridad:

3.2.5.1. Seguridad en ZigBee:

Dadas las caracterısticas inalambricas de la red ZigBee, un mensaje puede ser recibido

por cualquier dispositivo cercano. Esto puede no ser un inconveniente en algunas apli-

caciones pero en otras un intruso podrıa violar la privacidad de las personas, producir

algun dano o inhabilitar algun sistema. Por ejemplo alguien podrıa des-habilitar una

alarma o tambien podrıa obtener algun dato privado. ZigBee soporta el uso de proto-

colos estandar de encriptacion y autenticacion. El disenador de la red tiene que hacer

un compromiso entre nivel de seguridad, complejidad y costo de los dispositivos ya que

el aumento de seguridad requiere mas capacidad de computo y mas memoria y esto

tambien incrementa el gasto energetico.[13]

ZigBee utiliza AES (Advance Encryption Standard) del NIST (National Institute of

Standards and Technology) como tecnica de encriptacion . Un punto fundamental es el

mecanismo por el cual cada dispositivo obtiene la clave. Hay 3 metodos para obtener la

clave:

1. Pre-instalacion: El fabricante embebe la clave en el dispositivo. Con un conjunto

de jumpers el usuario puede seleccionar luego alguna clave.

2. Transporte de clave: El dispositivo pide a un centro de confianza para que le mande

una clave. En este caso hay un momento de vulnerabilidad cuando se envıa la clave.

3. Establecimiento de clave sin comunicacion: Es un metodo de generar claves al azar

para dos dispositivos sin necesidad de comunicarlos. Este servicio ZigBee se basa en

el protocolo SKKE (Symmetric-Key Key Establishment). Los dispositivos destino

de la clave ya tienen que tener una clave comun llamada clave maestra que pudo

haber sido pasada de acuerdo al metodo a) o b).

Los detalles del protocolo SKKE se pueden encontrar en la especificacion ZigBee . La

principal limitacion que existe en la implementacion de mecanismos de seguridad es la

escasez de los recursos. Los nodos en su mayorıa son alimentados a baterıa, tienen poco

poder de computo y poca memoria. Son dispositivos de bajo costo que no resisten un


posible ataque. Un intruso puede simplemente leer la clave directamente de la memoria

de un dispositivo. Agregando un poco mas de complejidad a los dispositivos se puede

lograr una defensa contra la lectura directa de informacion sensible.[13]

El centro de confianza tiene 2 modos de operacion:

Modo comercial: en este modo mantiene una lista de dispositivos, claves maestras,

claves de enlaces y claves de red. El espacio de memoria requerido aumenta con la

cantidad de dispositivos en la red.

Modo residencial: La unica clave que es obligatorio mantener en el centro de con-

fianza es la clave de red. No se hace ningun control para verificar si algun intruso

modifico el contador de tramas.

En la red ZigBee cada capa del protocolo (APS, NWK y MAC) es responsable de la

seguridad de las tramas iniciadas en esa capa. Por simplicidad se usa una misma clave

para todas las capas.

3.2.5.2. Autenticacion:

ZigBee soporta autenticacion de dispositivos y de datos. El proposito de la autenticacion

de datos es asegurar que los mismos son validos y que no sufrieron transformacion alguna.

Para eso el transmisor acompana al mensaje un codigo especial que en ZigBee lo llaman

codigo de integridad de mensaje (MIC: Message Integrity Code). El MIC se genera con

un metodo que conocen tanto el emisor como el receptor. Un dispositivo no autorizado

no deberıa poder crear este MIC. Cuando recibe el mensaje el receptor calcula el MIC y

si este coincide con el que envıa el transmisor, el mensaje se considera autentico. El nivel

de seguridad en el control se incrementa con el numero de bits del MIC. ZigBee y 802.15.4

soportan MIC de 32, 64 y 128 bits. Si lo que se desea es tener confidencialidad lo que

se debe hacer es encriptar el mensaje. EL MIC en ZigBee se genera usando el protocolo

CCM* (enhanced Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code).

El CCM* se usa en conjuncion con AES de 128 bit y comparten la misma clave de

seguridad. En la Figura 3.27 se ve el uso de AES-CCM* para lograr autenticacion y

confidencialidad en el mensaje.[13]

En la Figura 3.28 se ven 3 entradas a la AES-CCM*: los datos, la clave y la cadena

especial de 13 bytes apodado nonce construido a partir de datos de un header auxiliar

que contiene bits control de seguridad, bits del contador de trama (frame) y el campo

direccion fuente de un encabezado auxiliar. El AES usa el nonce como parte del algorit-

mo. El nonce no se repite para dos mensajes transmitidos con la misma clave porque se


va incrementando el contador de trama. El uso del nonce apunta a garantizar la “fres-

cura del mensaje”. Si un intruso retiene el mensaje y lo envıa mas tarde, el contador de

trama indicara que el mensaje se habıa recibido previamente. Si intentara modificar el

contador de trama antes de retransmitir el mensaje, el receptor notarıa la modificacion

no autorizada, porque el MIC calculado no coincide con el MIC que trae el mensaje. EL

MIC es un poderoso control de modificaciones intencionales y accidentales. [13]

Figura 3.28: El uso de seguridad por capas aplicando AES.

[13]


Figura 3.29: El proceso de encriptacion, desencriptacion en AES.

[13]

Capıtulo 4

Desarrollo del Proyecto

Para la realizacion de este proyecto se reviso estudios previos de diferentes investiga-

ciones y tipos de soluciones ya existentes que podıan darnos una referencia mas clara y

concisa de lo que podıamos lograr y los objetivos a los cuales deberıamos apuntar para

la realizacion de nuestro proyecto.

4.1. Antecedentes - Traba jos Previos:

Pudimos consultar diferentes bibliotecas virtuales para la obtencion de papers para el

proyecto; que se especializaban en Monitoreo de vehıculos, Arduino, Zigbee, etc.

4.1.1. Rastreo:

Para la investigacion de rastreo se investigo diferentes formas que se realiza el rastreo

en la actualidad, existen rastreo de objetos, vehıculos en movimiento y de celulares. En

lugares cerrados y abiertos. Una de estas investigaciones nos muestra el rastreo de objetos

en un entorno cerrado mediante el uso de RFID, esta RFID aparte de ubicar el objeto en

una determinada zona puede darnos la ubicacion exacta del objeto en un determinado

plano mediante la informacion del RSSI. Mediante una WSN esta informacion llega a un

servidor en la nube que muestra la ubicacion de los objetos en un plano determinado. [14]

Tambien existen rastreos con una red de sensores inalambricos que utiliza los tiempos

de transmision entre el receptor y la antena para poder hallar la localizacion del objeto,

utiliza variables como el tiempo de llegada de la informacion (TOA) y la diferencia

de tiempo de llegada (TDOA). Esto se une a la localizacion mediante una RSSI que se

explic en el proyecto [14], en el proyecto [15] unen estos dos tipos de modos de rastreo en

un algoritmo de rastreo que muestra una ubicacion bastante precisa del objeto. Tambien

60

Capıtulo 5. Desarrollo del Proyecto 61

existen algoritmos que utilizan algunas variables ya descritas pero en el ambito de las

redes celulares. El cual puede hallar la ubicacion de un receptor por variables como

tiempo de llegada (TOA), diferencia de tiempo de llegada (TDOA), angulo de llegada

(AOA) y (RSS) intensidad de la senal. Este Algoritmo tiene un defecto que es que las

senales no siempre viajan en una lınea no lineal (NLOS), lo que produce una desviacion

positiva de la medicion del tiempo y conduce a un gran error de posicionamiento. Por lo

que la investigacion propone mejorar la precision mediante la utilizacion del algoritmo

de Chan para estimar la posicion inicial de la estacion movil y corregir la posicion inicial

de estimacion por el filtro de Kalman. [16] El filtro de Kalman es Bastante usado para

la correccion del error no Lineal de la vista (NLOS), por ejemplo en una investigacion se

propuso un algoritmo de localizacion y seguimiento basado en el algoritmo de Kalman

en dos pasos. Primero el algoritmo se utilizo para eliminar el error NLOS y luego con

las mediciones reconstruidas se utilizo la covarianza de ruido del sistema de filtro de

Kalman para ser mejorada y reajustada. [17] En otro proyecto el objetivo principal de

la investigacion presentada es disenar y evaluar la precision de los algoritmos robustos

y de despliegue rapido basados en el principio del filtro Kalman, adecuados para el

seguimiento de nodos moviles dentro del contexto de aplicaciones en las que solo se

dispone de mediciones RSS. Se presenta un nuevo modelo de observacion basado en RSS

y se discute la estimacion en lınea de los parametros del modelo de propagacion.[18]

4.1.2. WSN

Los WSN son diversos y se usan para diferentes aplicaciones pero para nuestro proyecto

tomamos de referencia a papers que utilizan WSN para el rastreo ya sea en lugares

cerrados o abiertos. Una manera bastante popular de utilizar WSN es con los sensores

de tipo etiquetas RFID, como se explica en la investigacion [14] se puede utiliza etiquetas

RFID con una frecuencia de 2.45 Ghz para poder rastrear objetos en un lugar cerrado

mediante su RSSI con un radio no mayor de 5 metros, segun estos resultados se logro una

mejora de 34 % en comparacion con los sistemas tradicionales de rastreo en ambientes

cerrados. [14]

Hay otros metodos que localizan el objeto mediante la comparacion del RSSI de varios

sensores y para reducir el procesamiento de la localizacion exacta del objeto solo uno

de los sensores reporta al nodo principal. Todos los demas sensores reportan al sensor

principal sobre su perspectiva de localizacion con respecto al objeto. El sensor principal

es el que realiza el procesamiento para liberar al nodo principal de tiempo valioso. [19]

Tambien investigaciones parecidas a la que nosotros desarrollamos encontramos que

utilizan Zigbee en entornos cerrados, lo cual les permite abaratar costos de Hardware


Figura 4.1: Plano de ubicacion de lectores de RSSI.

[14]

Figura 4.2: Rastreo por RSSI del movil segun intensidad en cada punto.

[19]

para comunicaciones en zonas industriales, para tambien realizar el rastreo de personas

y objetos. [20]

En otros sistemas se utiliza sensores direccionales como parte de una WSN estos sensores

actualizan la ubicacion del objetivo al jefe de cluster o estacion de base mas cercano.

Cada sensor monitorizara continuamente el objetivo hasta que cruce el campo de vision

del sensor FoV o el rango de deteccion del sensor. El metodo propuesto ha sido imple-

mentado en OMNeT ++ y el rendimiento del algoritmo ha sido evaluado con sensores

direccionales activos y pasivos. Se han considerado diferentes movilidades objetivo y di-

ferentes angulos FoV sensor. Los resultados muestran que el metodo propuesto rastreo

con exito el objetivo y localizo el objetivo en cada instante de tiempo. Los sensores

direccionales producen resultados mas precisos en comparacion con los sensores pasivos.

Tambien se observo que la precision de localizacion del objetivo dependıa principalmente

del angulo FoV y FoV / radio de deteccion del sensor. [21]


Figura 4.3: Distribucion de hubs y gateway en el proyecto para el rastreo de objetos.

[20]

Figura 4.4: Lobulos de los sensores direccionales.

[21]

4.2. Sistema propuesto del sistema de monitoreo vehicular

Para el desarrollo de las redes para este proyecto se tiene que pasar por determinadas

etapas para su creacion, ya que no existe un procedimiento establecido para el desarrollo

de la aplicacion que queremos crear. Las etapas que se describiran en este capitulo

seran la base para poder hacer un protocolo de configuracion y puesta en marcha para

cuando se ponga en funcionamiento realmente. En cada una de las Etapas se agregara

informacion, por ejemplo, la placa de vehıculo, ubicacion de semaforo, a que distrito

pertenece, etc. Toda esta informacion llegara al servidor de monitoreo de las unidades

y se mostrara en la web mediante el programa que se detallara en puntos mas adelante.

[1]


4.2.1. Subsistema Nodo - Movil:

Es el primer subsistema y es el encargado de llevar la informacion del vehıculo a los

nodos o semaforos, cuando los moviles pasen por determinado Nodo y ası sabiendo la

ubicacion del nodo se puede conocer la ubicacion de los moviles.

4.2.1.1. Descripcion del Sistema:

La comunicacion entre los moviles y el nodo (semaforo) se da mediante 2 Zigbee, el que

esta en el Movil tiene guardado en un Arduino UNO el numero de placa del vehıculo en

el cual esta instalado, el nodo fijo o semaforo recibe la Informacion mediante el Zigbee

descrito anteriormente y lo transmite hacia un arduino MEGA.

El Zigbee del movil toma la connotacion de End Device y el Zigbee que se encontraba

en el semaforo es nominado como un coordinador. En este Subsistema se eliminan los

Zigbee de tipo Routers ya que solamente se utilizaran la comunicacion de 2 Zigbee punto

a apunto.

En este paso la informacion ya termino de recorrer el subsistema movil- nodo, ya que el

arduino MEGA recibe la informacion de la placa y le agrega la ubicacion del semaforo

y la informacion que se genero hasta el momento se transmite al siguiente subsistema

que es el de redes de comunicacion.

4.2.2. Subsistema de redes de comunicacion:

El sistema de redes de comunicacion el sistema de redes de comunicacion es el encargado

de transportar la informacion que es almacenada en lo Semaforos.

4.2.2.1. Descripcion del Sistema:

El arduino MEGA ya mencionado en el anterior subsistema envıa la informacion recibida

por otro Zigbee con diferente PAN ID que es de notado como un Router, esta informacion

es pasada entre varios Routers que gestionan el enrutamiento de la informacion que a

sido generada hacia el coordinador de esta red. Cuando llega la informacion al coordinar

este la transmite mediante una conexion de internet como sera explicado en el siguiente

subsistema.

El coordinador almacena la informacion y la envıa a la nube mediante internet.


Figura 4.5: Subsistema Nodo - Movil.

[4]

Figura 4.6: Subsistema de redes de comunicacion.

[4]


4.2.3. Subsistema gateway - Integracion de la red Zigbee con internet:

Aparte de la funcion que tiene el coordinador de recibir toda la informacion que se recibe

de los semaforos, tambien es un Gateway que logra la conectividad y transferencia de

datos entre un dispositivo Zigbee y un servidor Linux.

Figura 4.7: Subsistema Gateway con la nube.

[1]

4.2.3.1. Descripcion del sistema:

La arquitectura cliente-servidor es un modelo de aplicacion distribuida en el que las

tareas se reparten entre los proveedores de recursos o servicios, llamados servidores, y

los demandantes, llamados clientes. Un cliente realiza peticiones al servidor y el es quien

le da respuesta.

La Arquitectura es la siguiente:

4.2.3.2. Descripcion de aplicaciones:

Aplicacion cliente: El cliente(gateway) una vez que obtiene los datos tiene que

transmitir la informacion para ello es necesario empaquetar los datos.


Figura 4.8: Subsistema Gateway con la nube.

[1]

Para transmitir la informacion usamos sockets otra alternativa serıa utilizar webservices,

pero por tiempo de implementacion y para mantener la simplicidad optamos por los

sockets, para ellos el gateway realiza las siguientes tareas:

Prepara el socket para la conexion

Bind (asociar un socket con un puerto)

Espera conexiones

Acepta Conexiones

Recibe los datos transmitidos

Envıa respuestas a los clientes

Aplicacion Servidor: El servidor es el responsable de atender las peticiones de los

clientes(gateway) procesar y decodificar su informacion y luego almacenarla, para ello

realiza las siguientes tareas:

Prepara el socket para la conexion

Conecta al servido

Envıa la informacion


Recibe una respuesta

Figura 4.9: Aplicaciones en lenguaje Python en gateway Zigbee.

[1]

4.2.4. Subsistema base de Datos (Mysql):

Posteriormente al recepcionar los datos el servidor tiene que almacenar la informacion

para ello utilizamos un servidor MySql, para almacenar los datos usamos el comando

INSERT de SQL. Nosotros al estar trabajando en Python utilizamos la librerıa importa

MySQLdb que nos permite utilizar comandos SQL en python.

Figura 4.10: Logo de Python.

[4]


4.2.5. Aplicativo Web:

El programa aplicativo esta destinado hacia futuros clientes de este proyecto, en el cual

podran revisar la ubicacion de sus vehıculos por internet en una pagina web. Para lo

cual a cada usuario se le otorgara un usuario y contrasena.

4.2.5.1. Descripcion del sistema:

Este sistema es una aplicativo web que se encontrara instalado en el servidor adquirido

y obtendra informacion del subsistema de Base de Datos que se explico en el anterior

punto.

Tienes las siguientes Especificaciones Tecnicas:

Lenguaje de Programacion: PHP Version 5.6 (Software Libre)

Base de Datos: Mysql – MariaDB

Aplicacion Cliente: Navegador Web

Servidor: Apache Version 2.0

4.2.5.2. Partes del aplicativo web:

El aplicativo tienes las siguientes partes:

Validacion de usuarios: Como se explico anteriormente a cada usuario se le dar

un usuario y contrasena el cual podran usar para acceder a localizar su vehıculo.

Interfaz por tipo de usuario: Se crearon interfaces que muestran los vehıculos

segun sean los privilegios de el usuario, que puede ser un administrador de un grupo de

vehıculos o el propietario de un solo vehıculo.

Reportes de aplicativo: Se pueden sacar reportes de una fecha y hora de inicio a

una fecha y hora de Fin. Y pueden ser de 2 tipos Grafico o Textual.


Figura 4.11: Acceso al usuario y contrasena.

[22]

Figura 4.12: Interfaz de administrador.

[22]

Figura 4.13: Interfaz de propietario.

[22]


Figura 4.14: Interfaz de Administrador.

[22]

Capıtulo 5

Pruebas y Resultados:

Para el desarrollo de las redes para este proyecto se tiene que pasar por determinadas

etapas para su creacion, ya que no existe un procedimiento establecido para el desarrollo

de la aplicacion que queremos crear.

Las etapas que se describiran en este capıtulo seran la base para poder hacer un protocolo

de configuracion y puesta en marcha para cuando se ponga en funcionamiento realmente.

En cada una de las etapas se agregara informacion, por ejemplo, la placa de vehıculo,

ubicacion de Semaforo, a que distrito pertenece, etc.

Toda esta informacion llegara al servidor de monitoreo de las unidades y se mostrara en

la Web mediante el programa que se detallara en puntos mas adelante.

5.1. Componentes utilizados:

En el proyecto se pueden identificar varios tipos dispositivos como los Coordinadores,

Routers y End Device.

Estos son formados por equipos separados, estos equipos en este proyecto son de la

marca DIGI y se describen a continuacion:

5.1.1. End Device - Moviles:

Los moviles estan formados por un Arduino UNO, que es el mas simple y un Xbee con

antena incorporada.

72

Capıtulo 6. Documentos Tecnicos 73

1. Arduino UNO - se caracteriza por tener solo un puerto serial y es el Arduino con

la placa mas simple.

Figura 5.1: Arduino UNO

[4]

2. Zigbee - XBEE S2C XB24CZ7PIT-004 - es un Xbee con antena incorporada que

en un ambiente sin obstaculos con linea de vista puede llegar a un alcance de 80

metros aproximadamente pero en un ambiente con obstaculos puede llegar a 30

metros aproximadamente.

Figura 5.2: Xbee S2C con antena incorporada.

[4]

5.1.2. Router - Semaforos:

Los semaforos estan formados por un Arduino MEGA y 2 Xbee uno con antena incor-

porada y el otro con antena exterior.


1. ARDUINO MEGA 2560 - se caracteriza por tener 4 puertos seriales, mas puertos

de entrada y salida que el Arduino UNO y un procesamiento mucho mas rapido.

Figura 5.3: Tramas recibidas con y sin obstaculos

[4]

2. Zigbee - XBee S2c XB24CZ7SIT-004 - es un Xbee con antena exterior que en un

ambiente sin obstaculos puede llegar a un alcance de 500 metros aproximadamente

con linea de vista.

Figura 5.4: Xbee S2C con antena externa.

[4]

5.1.3. Coordinador - Estacion Base:

Estan formados por un XBEE con conexion ethernet.

1. Zigbee - Gateway Ethernet X2E-Z3C-H2-W - con conexion ethernet que puede

comunicarse con DIGICLOUD y ası subir los datos que recolecta de los Xbee a la

nube.


Figura 5.5: Gateway Xbee con conexion ethernet.

[4]

5.2. Pruebas Realizadas:

5.2.1. Etapa 1: Pruebas de comunicacion

En el primer pas debemos realizar la prueba basica de comunicacion punto a punto,

esta prueba estara constituida por:

Zigbee 1 conectado a la laptop

Zigbee 2 conectado a la laptop

Ob jetivos de la Prueba:

Verificar cuantos dBm tienen las tarjetas cuando se realiza los experimentos con

obstaculos y sin obstaculos.

Revisar cual es el porcentaje de tramas recibidas de 20 enviadas.

Descripcion de la Prueba: Se probo el envio y recepcion de Datos entre 2 Zigbee

conectados cada uno con una Laptop. En el interior del Software XCTU de la empresa

DIGI se puede realizar una conexion de envio de datos y medir RSSI del Xbee 1 y 2.

En la tabla y graficos siguientes se puede ver el comportamiento de la senal:


Cuadro 5.1: Potencia de Xbee S2C.

Distancia (m) RSSI (local) RSSI (remoto) N Tramas Recibidas de 20 Enviadas

Sin Obstaculos Con Obstaculos Sin Obstaculos Con Obstaculos Sin Obstaculos Con Obstaculos 10 -50 -64 -52 -66 20 20 20 -57 -65 -54 -67 20 20 30 -61 -87 -58 -84 20 20 40 -71 -84 -63 -80 20 20 50 -67 -89 -65 -86 20 20 60 -71 -87 -70 -86 20 20 70 -83 -89 -80 -85 20 20 80 -84 -78 20 19 90 -79 -72 20 18 100 -74 -73 20 18

Figura 5.6: Tramas recibidas con y sin obstaculos

[2]

Figura 5.7: Potencia de senal en el Xbee Local con y sin obstaculos

[2]

Conclusiones:

Se puede apreciar en Cuadro 5.1 que a 80 metros con obstaculos las tramas reci-

bidas comienzan a disminuir.


Figura 5.8: Potencia de senal en el Xbee remoto con y sin obstaculos

[2]

Se midio la potencia en dBm de la RSSI en los 2 Zigbee, teniendo un ambiente

con obstaculos y sin obstaculos, los dBm Maximos Fueron -50 a 10 metros Sin

Obstaculos.

Se pudo observar que a distancias mayores con obstaculos la conexion no es con-

fiable.

5.2.2. Etapa 2: Envi de datos punto a punto

En esta etapa se envıa el Dato de la placa de cada vehıculo de un Zigbee a otro, esta

prueba esta constituida por:

Arduino 1 conectado a Zigbee 1 enviando como Dato la placa del vehıculo.

Computadora recibiendo el dato por el Arduino conectado a Zigbee 2.


Poder enviar datos mediante la comunicacion serial del arduino y de los 2 Zigbee.

Poder Revisar cual es el estado de la informacion recibida.

Descripcion de la Prueba: Se realizo la prueba programando un Arduino para que

envie datos mediante su puerto de comunicacion serial. Estos datos son recibidos por el

Zigbee 1 mediante la comunicacion serial y es enviado al Zigbee 2. El Zigbee 2 recibe

la informacion y lo muestra en la pantalla de la computadora mediante la interfaz el

programa XCTU.

Las pruebas se realizaron de la siguiente manera:


Figura 5.9: Pruebas realizadas punto a punto.

[2]

Conclusiones:

Se verifico el envio de datos de los Arduino mediante los Xbee, los Datos de la

placa llegaron con algunas signos de mas, pero fue levantada la observacion repro-

gramando el Arduino.

Se verificaron los tiempos de Retardo que genera el envio y recepcion correcto de

datos.

5.2.3. Etapa 3: Envi de datos en dos redes punto a punto

En el proyecto se plantea crear dos redes separadas, cada una con un PAN ID diferente.

La primera para poder recoger los datos de los vehıculos hacia los semaforos. Y la segunda

para poder llevar los datos recogidos en los semaforos hacia el servidor propuesto.

Esta etapa tendra los siguientes componentes:

Arduino 1 conectado al Zigbee 1 con PAN ID 99.

Arduino 2 conectado al Zigbee 2 con PAN ID 99 y Zigbee 3 con PAN ID 100.

Arduino 3 conectado al Zigbee 4 con PAN ID 100.


Poder enviar Datos mediante la Comunicacion Serial del Arduino y de los 2 Zigbee.

Poder Revisar cual es el Estado de la Informacion Recibida.


Figura 5.10: Pruebas de 2 redes realizadas.

[2]

Descripcion de la Prueba: En esta prueba se interconectan las 2 Redes con diferente

PAN ID. El Arduino 1, que tiene configurado en su Programa la Placa, envıa esta por

su Puerto Serie al Zigbee 1 configurado con la PAN ID 99, . El Arduino 2 recibe los

datos por el Zigbee 2 configurado en la red PAN ID 99 y los envıa los datos recibidos

por el Zigbee 3 configurado en la red PAN ID 100. EL Arduino 3 recibe los datos por el

Zigbee 4 configurado en la Red PAN ID 100.

Conclusiones:

La informacion enviada fue la placa del movil, en la estacion base se agrega la

informacion del lugar donde se encuentra la estacion base.

Se pudo verificar la interconexion de las redes y que la informacion puede viajar

entre las 2 redes sin modificarse.

Se comienza las pruebas de las estaciones base, el funcionamiento correcto de las

estaciones base es un factor muy importante en el proyecto.

5.2.4. Etapa 4: Envi

Real

de Varias Placas hacia el Servidor en un Entorno

Despues de probar la anterior etapa en un entorno cerrado y controlado, teniendo buenos

resultados. El proximo paso sera probar el sistema poniendo los equipos en un entorno

real. Por lo que se probara en las calles el proyecto, se hara uso de 3 parantes de un

tamano de 4.5 metros, tamano aproximado a un semaforo, en estos lugares se colocara

los Routers - Semaforos, que estan configurados con las iniciales de un distrito (Ejemplo:

SO-12 - Significa semaforo numero 12 en Socabaya). Cada semaforo esta separado entre

si entre 50 y 70 Metros. Se pasara caminando con los End Device - Moviles cerca de


los semaforos. el Primer semaforo estara conectado con el Coordinador que cargara la

informacion en el servidor DIGICLOUD que almacenara todos los numeros de placas

que lleguen con la hora y la ubicacion del semaforo.


Movil 1 - 1 Arduino UNO conectado a Zigbee 1 enviando como dato la placa del

vehıculo C1V-234 en la Red con PAN ID 99.

Movil 2 - Arduino UNO conectado a Zigbee 2 enviando como dato la placa del

vehıculo F7V-490 en la Red con PAN ID 99.

Movil 3 - Arduino 3 conectado a Zigbee 3 enviando como dato la placa del vehıculo

BH8-833 en la Red con PAN ID 99.

Semaforo 1 – SO12 Arduino MEGA 4 conectado a Xbee 4 recibiendo los datos de

Zigbee 3 con PAN ID 99 y enviando por el Xbee 5 configurado en la red con PAN

ID 100 los datos recibidos.

Semaforo 2 – CE23 Arduino MEGA 5 conectado a Xbee 6 recibiendo los datos de

Zigbee 3 con PAN ID 99 y enviando por el Zigbee 7 configurado en la red con PAN


Semaforo 3 – MI07 Arduino MEGA 6 conectado al Xbee 8 recibiendo los datos de

Zigbee 3 con PAN ID 99 y enviando por el Xbee 9 configurado en la red con PAN


Gateway Ethernet 5 Ethernet recibe el dato de las placas y sube la informacion al

servidor DIGICLOUD.

Ob jetivos de la prueba:

Verificar el Funcionamiento del Prototipo del sistema en un entorno real.

Poder revisar la hora y el lugar de cada estacion base por la que paso cada movil.

Descripcion de la prueba: Las pruebas se realizaron de manera exitosa primero

configurando las ubicaciones de los semaforos.

1. Movil 1 estuvo en Semaforo 1 Enviando Normalmente.

2. Movil 1 se movio a Semaforo 2.

3. Movil 1,2 y 3 se conectaron a Semaforo 3.




6. Se noto que Movil 1 se demoraba en conectarse con los semaforos, se cambio su

fuente a alimentacion de baterıa Duracell a Laptop.

7. Movil 1,2 y 3 se conectaron a Semaforo 2 nuevamente, el movil que se encontraba

con la alimentacion de baterıa Duracell se demoro en conectar nuevamente. No-

ta: La conexion depende de la alimentacion directamente, se recomienda que las

proximas pruebas sean con fuente de alimentacion mas estable.

Figura 5.11: Postes instalados con los semaforos en su parte superior.

[2]

Conclusiones:

Se realizo las primeras pruebas en un entorno real del prototipo, los moviles, las

estaciones base y el Gateway ethernet, como se muestra en la figura 5.11.

Se pudieron ubicar los puntos de instalacion de los Postes en el Google Maps como

se muestra en la Figura 5.12. Para no tener equivocaciones solo una estacion base

tenia lınea de vista con el Gateway ethernet

Se pudo revisar los resultados de la prueba en la pagina de DIGICLOUD, tuvimos

un 100 % de reporte de todos los moviles, es decir que cada movil se pudo conectar

a cada estacion base y transmitir su placa, ası tambien cada estacion base pudo

retransmitir por una Red Mesh la informacion.


Figura 5.12: Ubicacion de postes instalados.

[2]

5.2.5. Etapa 5: Verificacion de conexion de End Device a varias velo-

cidades

Despues de tener una buena comunicacion en la anterior etapa, pasaremos a trabajar en

el envio de varios datos de 3 Xbee diferentes hacia el servidor, utilizando las 2 Redes ya

descritas a velocidades que puede tener un Vehıculo en ciudad.


Arduino 1 conectado a Zigbee 1 enviando como Dato la Placa del vehıculo en la

red (PAN ID) 99.


red (PAN ID) 99.


red (PAN ID) 99.

Arduino 4 conectado a Zigbee 4 recibiendo los datos de Zigbee 3 y enviando por

el Zigbee 5 configurado en la red(PAN ID) 100 los datos recibidos.

Zigbee 5 recibe el dato de las placas, este se conecta al Arduino 3 conectado a la

computadora.



Vehıculo Num. de movil Envıo de datos Nivel de potencia

F7V-490 1 0.5 seg High

C1V-234 2 1 seg. High

B8H-833 3 2 seg High

Cuadro 5.2: Configuracion de XBee.

N. de Prueba Velocidad (Km/h) N. Reg. Movil 1 N. Reg. Movil 2 N. Reg. Movil3

1 20 17 21 2

2 40 6 87 6

3 40 22 55 8

4 50 19 58 0

5 50 44 19 11

Cuadro 5.3: Pruebas a diferentes Velocidades

Poder enviar Datos de los Moviles hacia una estacion base a diferentes velocidades

en las que transitan los vehıculos.

Revisar la informacion obtenida y poder saber como configurar los nodos moviles

adecuadamente.

Descripcion de la Prueba: Se ubico un semaforo en la parte superior del Bypass de

la interseccion de la calle Paucarpata y la Av. Venezuela. Por la parte inferior pasara

un vehıculo a diferentes velocidades y con 3 moviles Xbee en su interior con diferentes

configuraciones. Las configuraciones de los nodos moviles son las que aparecen en la

Imagen 5.2:

Figura 5.13: Cuadro de comparacion de velocidades con el numero de conexiones de

cada modulo.

[2]

Conclusiones:

Se verifico la conexion y desconexion de los nodos moviles a diferentes velocidades.


Se realizo el cuadro 5.3 para verificar las conexiones realizadas de cada Nodo Movil.

Como se muestra en el Cuadro el numero de registros que llegaron del Movil 2

fueron los mas abundantes.

De esta Prueba se saca que la mejor configuracion de tiempo en envio de datos es

de 1 Segundo de la Placa C1V-234.

5.2.6. Etapa 6: Conexion entre Semaforos

En esta Etapa se probara la conexion entre los semaforos para poder comprobar a que

distancia se podrıa poner los Semaforos en un entorno real. Esta prueba se realizara

en un entorno real para poder verificar la Conexion de las estaciones base con antena

Externa.


Xbee 1 como el Coordinador con Antena Interna conectado a Laptop recibiendo

Informacion.

Xbee 2 como el Router 1 con Antena Externa en un mastil.

Xbee 3 como el Router 2 con Antena Externa en un mastil.


Poder verificar a cuanta Distancia las estaciones base deben ser colocadas para

una optima operacion.

Verificar el Alcance de las Antenas externas de los Xbee.

Descripcion de la Prueba:

1. La Primera Prueba se realizo entre el semaforo de la salida del area de transpor-

tes de la UNSA ubicada en la calle Paucarpata hasta la Interseccion de la Av.

Independencia con la Calle Paucarpata. Con una distancia de 190 metros aproxi-

madamente. Los 2 Xbee con Mastiles se separaron la Distancia indicada y el Xbee

1 se encontraba en la base del Mastil del XBee2 recibiendo informacion.

2. La segunda prueba se realizo entre el semaforo de la interseccion de la Av. Inde-

pendencia con la Calle Paucarpata hasta el semaforo al frente del coliseo Arequipa.

Con una distancia de 230 metros aproximadamente. Los 2 Xbee con Mastiles se

Separaron la Distancia indicada y el Xbee 1 se encontraba en la Base del Mastil

del XBee2 recibiendo informacion. Se realizo la conexion sin inconvenientes.


Figura 5.14: Conexion de la Primera Prueba.

[2]

Figura 5.15: Conexion de la segunda prueba.

[2]

3. La Tercera prueba se realizo entre el semaforo de la interseccion de la Av. Inde-

pendencia con la Calle Paucarpata hasta el semaforo de la Interseccion de la Av.

Independencia con Vıctor Lira. Con una Distancia de 430 metros Aproximada-

mente. Los 2 Xbee con Mastiles se Separaron la Distancia indicada y el Xbee 1 se

encontraba en la base del mastil del XBee recibiendo informacion. En esta Prueba

se conectaron los Xbee que se encontraban en los mastiles.

Figura 5.16: Conexion de la Tercera Prueba.

[2]

Conclusiones:

Se pudo comprobar que el alcance que tienen los Zigbee PRO (con antena exterior)

es de mas de 400 metros con linea de vista.

Se realizo la Prueba en un entorno real y se tuvo un gran alcance en ambientes en

los que se hara la implementacion final del sistema.


En la primera prueba se tuvo Problemas en la conexion por falta de linea de vista,

se tuvo que re-ubicar el mastil en la acera de en frente.

Se tuvo una comunicacion aceptable entre los Zigbee en las 3 pruebas pero se

recomienda que la distancia entre los mastiles no supere los 230 Metros de la

prueba numero 2.

En la tercera prueba se verifico el alcance entre de los Zigbee PRO, ya que los

Zigbee Pro pueden comunicarse a mas distancia, se comprueba que si un nodo fijo

no puede comunicarse en una cuadra, no se perdera la comunicacion entre ellos

porque puede saltar al Zigbee PRO averiado y comunicarse con el que esta una

cuadra mas alejado.

5.2.7. Etapa 7: Prueba de cantidad de Xbee conectados a un semaforo

al mismo tiempo

En esta Etapa se probo cuantos Xbee - End Device se pueden conectar a la misma vez

a un Xbee - Router, por lo que se realizo la prueba de encender un Semaforo - Router

y escalonadamente encender 20 Xbee - Routers.


Movil 1 - PLACA ABC-001 -Arduino 1 conectado a Xbee 1 enviando como Dato

la Placa del vehıculo en la red PAN ID 99.


















Movil 10 - PLACA ABC-010 -Arduino 10 conectado a Xbee 10 enviando como

Dato la Placa del vehıculo en la red PAN ID 99.





















Semaforo 1 - Nodo 1 - Arduino 4 recibiendo datos de Xbee 4 con PAN ID 99 y

enviando por el Xbee 5 con PAN ID 100 el Dato de la Placa del vehıculo.

Gateway Ethernet recibe el Dato de las Placas y sube la Informacion al Servidor

DIGICLOUD.



Poder enviar datos mediante la comunicacion serial del Arduino y Zigbees, entre

las 2 redes con PAN ID 99 y 100.

Poder revisar cual es el estado de la informacion recibida.

Descripcion de la Prueba: Primero se encendio el Gateway Ethernet para la recepcion

de la informacion y la grabacion en el DIGICLOUD. En la segunda parte se encendio el

Semaforo 1 - Nodo 2 para la recepcion de la informacion.

La duracion de la Prueba fue de 1 hora, encendiendo los Moviles 1 por 1, en los primeros

8 minutos se encendieron hasta el Movil 5. Hasta los 12 minutos se encendieron el Movil

6, 7 y 8. Estuvieron encendidos los 8 moviles hasta el minuto 28.

La ultima media Hora cada 8 minutos se Encenderan 3 moviles hasta completar los 20

restantes.

En el siguiente cuadro se muestra los minutos que se ha conectado cada Movil. En la

Grafica que aparece en la Figura 5.19 aparece reflejada la Tabla 5.18.

Cap

ıtulo

6.

Docu

men

tos T

ecn

icos

89

Figura 5.17: Conexion de Semaforos con Moviles en la Etapa 8.

[2]

Cap

ıtulo

6.

Docu

men

tos T

ecn

icos

90

Figura 5.18: Grafica de Conexiones de los Moviles en cada Minuto.

[2]


Conclusiones:

Se pudo verificar igual que en teorıa que la maxima conexion de Zigbee a un

Semaforo es de 8 a la vez.

De acuerdo a esta Prueba en un Entorno Real solo Podremos censar a 8 Vehıculos

en cada Semaforo. Si cada Vehıculo mide en promedio 3 metros, entonces se podra

sensar a 12 metros del Semaforo en una calle de 2 Filas.

Capıtulo 6

Evaluacion del Sistema

En este capıtulo se evaluara el sistema en varios temas, como en un entorno real, perdidas

en la senal en los Zigbee, parte electrica y costos de los equipos.

6.1. Evaluacion de Prueba en Entornos Reales:

Se realizaron pruebas para poner en prueba los dispositivos anteriormente descritos en

lugares donde se instalarıan los Equipos en un futuro. Se realizaron cuatro pruebas en

entornos reales.

6.1.1. Prueba 1: Proyecto en un Entorno Real

En esta Etapa se probo el funcionamiento del proyecto en un entorno real, se distribu-

yeron nodos en una ruta cercana de la UNSA, para probarlos en un entorno real, los

routers se colocaron en donde existen semaforos reales.


Movil 1 - PLACA ABC-001 -Arduino 1 conectado a Xbee 1 enviando como dato

la placa del vehıculo en la red PAN ID 99.





92

Capıtulo 8. Actividades y Costos 93

ESTACIONES LATITUD LONGITUD

ESTACIO N BASE 16◦ 24’23.61”S 71◦31’29.65.O

SEMA FORO 1 16◦ 24’32.21”S 71◦31’25.52.O

SEMA FORO 2 16◦ 24’36.11”S 71◦31’22.83.O

SEMA FORO 3 16◦ 24’42.13”S 71◦31’15.51.O

SEMA FORO 4 16◦ 24’52.60”S 71◦31’9.97.O

SEMA FORO 5 16◦ 24’50.95”S 71◦31’5.89.O

Cuadro 6.1: Tabla de Posiciones de Semaforos.












DIGICLOUD.

Ob jetivos de la prueba:

Poder Probar el proyecto en un entorno real.

Demostrar que el proyecto se puede comunicar mediante la red Mesh, solo teniendo

una estacion base comunicacion con el Gateway Ethernet.

Demostrar la comunicacion entre la Red con PAN ID 99 y la Red con PAN ID 100

en los semaforos.

Descripcion de la Prueba: La prueba se inicia ubicando el Gateway Ethernet y

semaforos en las posiciones descritas. El Gateway Ethernet se encontrara ubicado en la

escuela de Ingenierıa Electronica conectado a internet. Los semaforos siguientes seguiran

la Ruta de la Av. Lambramani como se muestra en las siguientes imagenes:

Se comenzo a colocar los semaforos en las posiciones del Cuadro 5.4:


Figura 6.1: Colocacion de semaforos para la prueba 7.

[2]

ESTACIONES DISTANCIAS (m)

ESTACIO N BASE - SEMA FORO 1 290.31

SEMA FORO 1 - SEMA FORO 2 144.14




TOTAL 1212.41

Cuadro 6.2: Distancias entre Semaforos.

Los semaforos estan separados por las distancias mostradas en el Cuadro 5.5:

Movimiento de los Moviles:

1. El movil 1 se quedo en la Estacion 4 desde su instalacion hasta su des-instalacion.

2. El movil 2 probo la conectividad del Nodo 5 y retorno con el movil 3 hacia la

Estacion Base.

3. El movil 3 paso por todos los semaforos en el interior de un vehıculo, a su regreso

a la estacion base fue con el Movil 2.

En el siguiente Cuadro se muestra las horas en que se conectaron las placas en cada

nodo.

Conclusiones:

Se demostro que la Ruta 3 seleccionada funciona sin inconvenientes y puede co-

municar la informacion por una Red Mesh a unos 1200 metros desde donde se

encuentra ubicado el Gateway Ethernet, teniendo solo Linea de vista con la pri-

mera estacion base.


FECHA HORA NODO 1 NODO 3 NODO 4 NODO 7 NODO 9

09/03/2017 11:10 1 09/03/2017 11:11 1 09/03/2017 11:14 1 09/03/2017 11:15 1 09/03/2017 11:16 1 09/03/2017 11:23 1 09/03/2017 11:24 1 09/03/2017 11:25 1 09/03/2017 11:32 1 09/03/2017 11:33 1 09/03/2017 11:34 1 09/03/2017 11:35 1 09/03/2017 11:36 1 09/03/2017 11:37 1 09/03/2017 11:38 1 09/03/2017 11:39 1 09/03/2017 11:40 1 09/03/2017 11:41 2

09/03/2017 11:42 2

09/03/2017 11:43 2

09/03/2017 11:44 2

09/03/2017 11:45 2

09/03/2017 11:46 2

09/03/2017 11:47 2

09/03/2017 11:48 1 2

09/03/2017 11:49 1 2

09/03/2017 11:50 1 2

09/03/2017 11:51 1 2

09/03/2017 11:52 3 1 2

09/03/2017 11:53 3 2

09/03/2017 11:54 3 2

09/03/2017 11:55 2

09/03/2017 11:56 2

09/03/2017 11:57 2

09/03/2017 11:58 2,3

09/03/2017 11:59 09/03/2017 12:00 09/03/2017 12:01 1,2 09/03/2017 12:02 1,2,3 09/03/2017 12:03 2,3 1,2,3 09/03/2017 12:04 2,3 09/03/2017 12:05 2,3 2,3 09/03/2017 12:06 2,3 2,3 09/03/2017 12:07 2,3 09/03/2017 12:08 1 09/03/2017 12:09 1

Cuadro 6.3: Table de Conexion a los Nodos.


Las conexiones de los moviles se pueden observar en el Cuadro 5.6 donde se Ob-

servan el Movil que se conecto, la hora de conexion y su frecuencia.

El movil 3 no fue detectado por el Nodo 2 y Nodo 4 en la ida del Vehıculo al

Ultimo Nodo. Cuando regreso el vehıculo no hubo inconveniente y fue detectado

por todos los Nodos. Esta deficiencia se debe a la posicion de la antena en la que

se encontraba el Zigbee del semaforo.

El Movil 2 fue detectado por todos los Nodos por los que paso.

El Movil 1 fue detectado por todos los nodos pero cuando se quedo en el Nodo

4 tuvo un tiempo que dejo de enviar informacion. El problema se debio a causas

Externas.

Se debe tener cuidado en la Posicion de las Antenas de cada Estacion Base que se

comunican con los Nodos Moviles.

6.1.2. Prueba 2: Segunda Prueba en un entorno real

En Esta Etapa se probo el Sistema en un entorno real, donde podremos darnos cuenta

de la efectividad del sistema y ası poder verificar que problemas tiene el sistema.

Esta Etapa tendra los siguientes componentes:































DIGICLOUD.


Poder enviar datos e informacion mediante la red Mesh troncal que comunica los

Zigbee y el Gateway Ethernet.

Poder identificar Problemas de Comunicacion en las Redes con PAN ID 99 y PAN

ID 100.

Poder revisar la informacion Recibida e identificar si todos los nodos funcionaron

convenientemente.

Descripcion de la Prueba: Primero se encendio el Gatheway Ethernet para la recep-

cion de la informacion y la grabacion en el DIGICLOUD.

En la segunda parte se encendieron los Semaforos 1,2,3,4,5,6,7,8 y 9 para la recepcion

de la informacion.

La duracion de la prueba fue de 3 horas, encendiendo los Moviles 1 por 1, se encendieron

los moviles del 1 al 5 y se asignaron a los siguientes vehıculos:


Movil 1 – Vehıculo Alumno Gimenez


Movil 3 – Vehıculo Ingeniero Parı

Movil 4 – Vehıculo Ingeniero Postigo

Movil 5 – Vehıculo Ingeniero Postigo

Lo Vehıculos comenzaron a pasar por la ruta Especificada, como se muestra en la Figura

1.20:

Figura 6.2: Colocacion de Semaforos para la Prueba 7.

[2]

Cada uno de los nodos tenia la siguiente distancias como se muestra en el Cuadro 1.7:

Y se conectaron como se muestra en la Figura 1.21:

El siguiente Cuadro 1.21 muestra las conexiones de los modulos a los semaforos:


Nodos Distancias

Nodo 1 a Nodo 2 148

Nodo 2 a Nodo 3 150

Nodo 3 a Nodo 4 120

Nodo 4 a Nodo 5 70

Nodo 5 a Nodo 6 106

Nodo 7 a Nodo 8 103

Nodo 8 a Nodo 9 160

Nodo 9 a Nodo 10 150

Cuadro 6.4: Distancias entre Nodos.

Figura 6.3: Conexion de los nodos.

[2]

Cap

ıtulo

8.

Activ

idad

es y C

osto

s 1

00

Cuadro 6.5: Conexiones de los modulos a los Semaforos

Nodo Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 Nodo 7 Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 Total

ABC-001 1 1 1 1 1 1 1 1 8

ABC-002 1 1 1 1 1 1 1 7

ABC-003 1 1 1 1 1 1 1 7

ABC-004 1 1 1 1 1 1 6

ABC-005 1 1 1 1 4

Total 5 3 4 0 0 2 4 5 5 4


Conclusiones:

Los vehıculos tuvieron una buena conexion con los Nodos y pudieron Reportar la

mayoria de veces que pasaron por los Nodos Fijos.

Los nodos que no tuvieron ninguna conexion fue por problemas en el Hardware,

mala conexion de una antena, falla en su Baterıa, etc.

La prueba nos mostro los Resultados esperados, aunque para Proximas oportuni-

dades se necesita una Capacitacion a los Integrantes para Verificar el Hardware

antes de probarlo.

6.1.3. Prueba 3: Tercera Prueba en un entorno real

En Esta Etapa se probo el Sistema en un Entorno real, aca podremos probar el sistema

y verificar su funcionamiento en un entorno con trafico abundante.

En esta prueba podremos hallar la Localizacion de los Vehıculos mediante el Software

en el servidor, que nos puede dar reportes Textuales o Graficos de la ruta que tomo cada

vehıculo.

Esta prueba es realizada principalmente por toda la AV. Lambramani desde la AV.

Venezuela y la Av. Guardia Civil.



























Semaforo 10 - Nodo 10 - Arduino 13 recibiendo datos de Xbee 22 con PAN ID 99

y enviando por el Xbee 23 con PAN ID 100 el Dato de la Placa del vehıculo.


DIGICLOUD.


Poder enviar datos e informacion mediante la red Mesh troncal que comunica los


Poder identificar problemas de Comunicacion en las redes con PAN ID 99 y PAN

ID 100.

Poder revisar la informacion recibida e identificar si todos los nodos funcionaron

convenientemente.

Poder realizar las pruebas necesarias para verificar el Funcionamiento del Software

que se tiene en el Servidor.

Descripcion de la Prueba:

Primero se Encendio el Gatheway Ethernet ubicado en el tercer piso del edificio de

investigacion de la escuela de ingenierıa Electronica para la recepcion de la informacion

y procesamiento en el servidor del proyecto.


En la segunda parte se tenıan que encender los semaforos 1,2,3,4,5,6,7,8,9 y 10 para la

recepcion de la informacion.

Los Semaforos se distribuiran en el siguiente orden:

Figura 6.4: Distribucion de Semaforos en el mapa.

[2]

Cuando se estaba terminando la colocacion de los semaforos, se pudo comprobar que

entre los semaforos 3 y 4 no habıa comunicacion, se intento levantar la observacion sin

exito, si el Semaforo 3 no cuenta con comunicacion significa que los Semaforos 1 y 2

tampoco podran comunicarse con el Gatheway.

La duracion de la Prueba fue de 4 horas y tuvo que ser cancelada por el Cansancio y la

Seguridad de los Integrantes.

Como se explico no se podıa realizar la Prueba de una forma exitosa. De esta manera

solo 3 Moviles hicieron pruebas de reconocimiento de instalacion de los Semaforos, mas

no hicieron el Recorrido. Los unicos Moviles que pasaron fueron los siguientes:



Movil 3 – Vehıculo Ingeniero Parı

Los Moviles 1, 2 y 3 realizaron los siguientes recorridos que fueron registrados por la

Base de Datos y el Software de Rastreo que estan instalados en el Servidor:


Figura 6.5: Recorrido de Movil 1 en la Ruta 2.

[2]

El Movil 1 fue registrado desde el Pasaje Santa Rosa hasta la Av. Independencia como

se muestra en la Figura 6.2.


[2]

El Movil 2 fue registrado desde la Av. Goyoneche hasta el Semaforo 10 en la Av. Inde-

pendencia como se muestra en la Figura 6.3.

El Movil 3 solo fue Registrado por todo el recorrido en la Av. Independencia como se

muestra en la Figura 6.4.

Conclusiones:



[2]

No se pudo realizar la prueba completa por problemas de comunicacion entre el

semaforo 3 y 4.

El problema principal de la comunicacion en ese punto es la abundancia de arboles

con ramas que estan invadiendo el area de la pista.

6.1.4. Prueba 4: Prueba final en un entorno real

En esta etapa se probo el Sistema en un entorno real, aca podremos probar el sistema y

verificar su funcionamiento en un entorno con trafico abundante.

Esta prueba sera realizada por las calles del centro de Arequipa.

































Semaforo 10 - Nodo 10 - Arduino 13 recibiendo datos de Xbee 25 con PAN ID 99

y enviando por el Xbee 26 con PAN ID 100 el Dato de la Placa del vehıculo.


DIGICLOUD.


Poder enviar datos e informacion mediante la Red Mesh troncal que comunica los


Poder identificar problemas de comunicacion en las redes con PAN ID 99 y PAN

ID 100.


Poder revisar la informacion recibida e identificar si todos los nodos funcionaron

convenientemente.

Poder realizar las pruebas necesarias para verificar el funcionamiento del software

que se tiene en el servidor.

Descripcion de la Prueba: Primero se encendio el Gatheway Ethernet ubicado en el

tercer piso del edificio de investigacion de Ingenierıa Electronica para que pueda realizar

la recepcion de la informacion y la grabacion en el servidor del Proyecto.

En la Segunda parte se encendieron los semaforos 1,2,3,4,5,6,7,8,9 y 10 para la recepcion

de la informacion de cada movil. Los semaforos se distribuiran en el siguiente Orden:

Figura 6.8: Distribucion de semaforos en el mapa.

[2]

La prueba alcanza casi los 2.5 km de distancia entre nodos como se muestra en el Cuadro

5.9.

La duracion de la prueba fue de 4 horas, comenzo a las 3:00 pm y termino a las 7 pm,

las 3 primeras horas se usaron para poder montar cada uno de los semaforos y verificar

la conexion de cada uno de ellos con la estacion base.

Despues de poder verificar la conexion de cada uno de ellos a la estacion base, comenzaron

a pasar los 6 Moviles por los semaforos, los moviles que realizaron la prueba fueron los

Siguientes:

Personas responsables de cada Movil:


Nodos Distancias(m)

Estacion Base a Nodo 1 67.11

Nodo 1 a Nodo 2 209.22








Nodo 9 a Nodo 10 193.41

Total 2454.87

Cuadro 6.6: Distancias entre Nodos en Prueba 11.

Movil 1 – ABC-001 – Jorge Matta H.

Movil 2 – ABC-011 – Faride Postigo V.

Movil 3 – ABC-012 - Claudia Granda V.

Movil 4 – ABC-013 – Danitza Ticona Lazaro

Movil 5 – ABC-014 – Daniela Huancachoque F.

Movil 6 – ABC-015 – Ing. Lizardo Pari

Los Moviles 1, 2 y 3 realizaron los siguientes recorridos que fueron registrados por la

Base de datos y el Software de rastreo que estan instalados en el servidor.

La Informacion fue extraıda del servidor mediante reportes graficos y de texto que genera

el software, en cada reporte aparece la imagen, nombre y numero de documento del

conductor y del dueno como se muestra en La Figura 5.27:

En las Figuras 5.28 nos muestra como se ve el reporte Textual cuando se extrae el

recorrido de un vehıculo en este caso se muestra el del vehıculo ABC-001.

La Figura 5.29 nos muestra el recorrido del Movil ABC-001 el dıa de la Prueba. El

movil se encontraba en el carro del coordinador encendido por lo que paso por todos los

semaforos ida y vuelta, se muestra la imagen del Reporte Grafico que bota la aplicacion

donde se confirma esto.

La Figura 5.30 nos muestra el recorrido del Movil ABC-011 el dıa de la prueba. El movil

se encontraba con una alumno que fue en Taxi, paso por todo los semaforos, menos por

el semaforo 10 que no lo capto.


Figura 6.9: Distribucion de semaforos en el mapa.

[2]

Figura 6.10: Reporte Textual que se obtiene del Software.

[2]


Figura 6.11: Recorrido del Movil ABC-001 el dıa 17/11.

[2]

Figura 6.12: Recorrido del Movil ABC-011 el dıa 17/11..

[2]


La Figura 5.31 nos muestra el recorrido del Movil ABC-012 el dıa de la prueba. El

movil se encontraba con una alumno que fue en Taxi, paso por todo los semaforos sin

excepcion.


[2]

La Figura 5.32 nos muestra el recorrido del Movil ABC-013 el dıa de la prueba. El movil

se encontraba con una alumno que fue en Taxi, solo capto el Semaforo 7.


[2]

La Figura 5.33 nos muestra el recorrido del Movil ABC-014 el dıa de la prueba. El

movil se encontraba con una alumno que fue en Taxi, paso por todo los semaforos sin

excepcion.



[2]

El cuadro 5.10 nos muestra un las conexiones de cada vehıculo a los semaforos en cada

minuto que duro la prueba.

ıtulo

8.

Activ

idad

es y C

osto

s 1

13

Cuadro 6.7: Tabla de Conexiones de Vehıculos en por Minuto.

Cap

PLACA S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 06:40p. m. ABC-015 06:41p. m. ABC-015 06:42p. m. ABC-015 06:43p. m. ABC-015 06:44p. m. ABC-011 ABC-015 ABC-015 06:45p. m. ABC-011 ABC-011 ABC-011/015 ABC-015 06:46p. m. ABC-011 ABC-011/015 ABC-015 06:47p. m. ABC-012 ABC-011 ABC-015 06:48p. m. ABC-012 ABC-012 ABC-011 ABC-015 ABC-015 06:49p. m. ABC-012 ABC-012 ABC-011 ABC-015 ABC-015 06:50p. m. ABC-014 ABC-014 ABC-012 ABC-011 ABC-015 06:51p. m. ABC-014 ABC-014 ABC-012 ABC-011 06:52p. m. ABC-014 ABC-012/014 ABC-012 ABC-00 1

06:53p. m. ABC-014 ABC-012 ABC-012 ABC-012 ABC-011 06:54p. m. ABC-014 ABC-014 ABC-014 ABC-012 ABC-001 06:55p. m. ABC-014 ABC-014/001 ABC-012 ABC-01 5

06:56p. m. ABC-001 ABC-001 ABC-014 ABC-01 2

06:57p. m. ABC-001 ABC-001 ABC-014 ABC-01 4

06:58p. m. ABC-001 ABC-001 ABC-01 4

06:59p. m. ABC-001 07:00p. m. ABC-001 07:01p. m. ABC-001 07:02p. m. ABC-001 07:03p. m. 07:04p. m. ABC-001 07:05p. m. ABC-001 ABC-001 07:06p. m. ABC-001


Conclusiones:

El 84 % de Moviles fueron rastreados por la aplicacion sin inconvenientes.

Falta Verificar los problemas que puedo tener el movil que no capto adecuadamen-

te.

El reporte Grafico y Textual del vehıculo ABC-015 tiene problemas en que se

extraiga del software. Tiene que ser revisado este problema.

EL proyecto con su Aplicacion funcionando fue probado en su totalidad y funciona

adecuadamente y puede funcionar en un entorno real sin problemas.

6.2. Evaluacion de Perdidas en WSN:

Los modelos de propagacion son usados para describir las actuales caracterısticas de los

sistemas de propagacion reales de ondas electromagneticas utilizadas para transportar

informacion de forma compacta a un modelo con un pequeno numero de parametros.

El modelado correcto de las perdidas por propagacion es de bastante importancia en el

diseno y analisis de sistemas de sensores inalambricos WSN.

La mayorıa de los parametros de rendimiento comunmente usados son la disipacion de

energıa, la optimizacion de transferencias, la fiabilidad y la conectividad.

Sin embargo, en muchos estudios se utilizan modelos de propagacion excesivamente sim-

plistas y poco realistas. Una de las razones de la utilizacion de tales modelos de propa-

gacion poco practicos es la falta de conocimiento de la propagacion experimentalmente

disponible y los modelos de perdida de ruta.

Sobre la base de los antecedentes, se presenta una vision general de los modelos de pro-

pagacion, verificacion y experimentacion para WSNs, y se proporcionan comparaciones

cuantitativas de los modelos de propagacion empleados en la investigacion WSN bajo

varios escenarios y bandas de frecuencias.

6.2.1. Perdidas en propagacion en comunicaciones inalambricas:

Los modelos de propagacion se centran principalmente en la estimacion de la caıda de

la intensidad de la senal medida en diferentes Equipos TR-transmisor-receptor y en la

variabilidad de la intensidad de la senal en proximidades. La variacion de la fuerza de


la senal se debe a los cambios en la trayectoria de propagacion entre un transmisor y un

receptor.

Ademas, incluso si tanto el transmisor como el receptor son estaticos, la intensidad de

la senal tambien puede cambiar debido a los dispersores moviles o a los objetos que

afectan al entorno de propagacion. Con respecto a las escalas espaciales y de tiempo,

los modelos de propagacion pueden agruparse en dos clases, es decir, a gran escala y en

pequena escala.

Los modelos de propagacion a gran escala se caracterizan por la fuerza medida debido a

la gran distancia de un efecto de propagacion se encuentran en el poder de propagacion

del canal de energıa radiada.

Por otra parte, los modelos de escala pequena (o de carga) tratan de caracterizar las

fluctuaciones rapidas en la intensidad de la senal a lo largo de un espacio espacial relati-

vamente corto Cambios (unas pocas longitudes de onda) y cortas duraciones de tiempo,

Este artıculo se centra principalmente en los modelos de propagacion a gran escala. El

modelo de propagacion de espacio libre debe ser entendido como una base sobre la cual

poder comprender modelos mas avanzados.

Los modelos de propagacion se centran principalmente en estimar la caıda de la in-

tensidad media de la senal en diferentes separaciones transmisor-receptor (T-R) y la

variabilidad de la intensidad de la senal en proximidad cercana a la separacion TR es-

pecıfica. La variacion de la intensidad de la senal se debe a los cambios en la ruta de

propagacion entre el transmisor y un receptor. Los movimientos relativos del transmi-

sor y / o receptor conducen a variaciones de intensidad de la senal. Ademas, incluso si

tanto el transmisor como el receptor son estaticos, la fuerza si es igual tambien puede

cambiar debido a los dispersores en movimiento u objetos de sombra que afectan el en-

torno de propagacion. Con respecto a las escalas espaciales y temporales, los modelos de

propagacion se pueden agrupar en dos clases, es decir, a gran escala y pequena escala.

Los modelos son los siguientes:

6.2.1.1. Modelo de Propagacion sin Perdidas

Este modelo es utilizado para predecir la potencia de la senal cuando entre el transmisor

y el receptor existe una clara lınea de Vista. Los sistemas de comunicacion satelital

y los enlaces de microondas se pueden modelar como propagacion en el espacio libre.

El modelo del espacio libre predice que la potencia recibida decae como funcion de la

distancia de separacion entre el transmisor y receptor elevada a alguna potencia.[23]


Figura 6.16: Ecuacion de perdidas en modelo sin perdidas.

[23]

La Formula es la siguiente:

Donde:

Pt = Potencia Transmitida

Pr = Potencia Recibida

Gt = Ganancia de Antena Transmisora

Gr = Ganancia de Antena Receptora

d = Distancia de Separacion de Tx-Rx dada en metros

Landa = Longitud de Onda

6.2.1.2. Modelo de Propagacion de 2 Rayos

Teniendo en cuenta el camino directo y las ondas reflejadas en el suelo, el modelo de

dos rayos produce una formulacion util basada en optica geometrica (ver Figura 4.2).

Se supone que la Tierra es plana en el modelo de 2 Rayos. El coeficiente de reflexion de

la superficie, T, viene dado por las siguientes ecuaciones de incidencia desde el espacio

libre al suelo para las ondas polarizadas paralelas y perpendiculares, respectivamente.

[23]

El modelo esta dado por la ecuacion que se genera del siguiente Grafico:

Figura 6.17: Ilustracion del Modelo de 2 Rayos.

[23]

Su Ecuacion es la siguiente:


Figura 6.18: Ecuacion de Perdidas en el Modelo de 2 Rayos.

[23]

Donde:

Pt = Potencia Transmitida

Pr = Potencia Recibida




ht = Altura de la Base del Transmisor

hr = Altura de la Base del Receptor

Figura 6.19: Ecuacion de Perdidas en el Modelo de 2 Rayos en decibelios.

[23]

Donde:

PL(d) = Potencia Perdida en Distancia d

PL(d0) = Potencia Perdida en distancia d0




ht = Altura de la Base del Transmisor

hr = Altura de la Base del Receptor

6.2.1.3. Modelo Log-Distance

El modelo de perdida de trayecto log-distancia es un modelo de propagacion de radio

que predice la perdida de trayecto que encuentra una senal dentro de un edificio o areas

densa-mente pobladas a lo largo de la distancia.[23]

Figura 6.20: Ecuacion de Perdidas en el Modelo Log-Distance en Decibelios.

[23]


Donde:



n = Factor de Perdida


d0 = Distancia de Separacion de Tx-Rx definida que puede ser 1 m, 100 m o 1 km

6.2.1.4. Modelo Log-Normal

Tanto los Modelos de dos Rayos como de Distancia Logarıtmica son modelos deter-

minısticos, y dan Valores de perdida de trayectoria radialmente simetricos.

Sin embargo, hay variaciones aleatorias en la perdida de ruta debido al desorden am-

biental, que resulta del bloqueo del objeto en la ruta de propagacion o de los cambios

en los objetos que se reflejan y dispersan. Como resultado, la perdida de trayecto en

diferentes ubicaciones que tienen la misma distancia T-R puede diferir considerablemen-

te. Ademas, la potencia medida a lo largo de una lınea recta desde el transmisor no se

ajusta exactamente a las caracterısticas del log-distance Por lo tanto, las caracterısticas

no deterministas de la perdida de ruta deben ser capturadas mediante el uso de modelos

estadısticos. El modelo mas comun para la caracterizacion de efectos no determinısticos

es el sombreado log-normal. La perdida de ruta en Decibelios se da como:

Figura 6.21: Ecuacion de Perdidas en el Modelo Log-Normal en decibelios.

[23]

Donde:



n = Factor de Perdida


d0 = Distancia de Separacion de Tx-Rx definida que puede ser 1 m, 100 m o 1 km

X0 = variable aleatoria distribuida Gaussiana de media cero con desviacion estandar

6.2.2. Calculos Realizados:

Segun las formulas mostradas para hallar el valor de Perdidas en el Receptor en el

Modelo de dos Rayos, ya que podemos sacar el valor de todas las variables.


Pero para los Modelos LOG-NORMAL y LOG-DISTANCE aparte de las variables que

podemos medir, tambien se necesita los valores de n y X.

6.2.2.1. Modelo de 2 Rayos:

En este Modelo se calcula la Potencia Perdida en la Ruta 3. En la tabla se introducieron

las variables del Modelo de 2 Rayos para poder mostrar el valor de la Perdidas, los

calculos fueron realizados en Excel para la Ruta 3.

Este modelo se basa en las alturas de las bases del receptor y transmisor y la distancia

entre ellos. Ya que las ganancias del transmisor y receptor son iguales y tienen un valor

de 2.1.

Cuadro 6.8: Calculo del Modelo de 2 Rayos.

Calculo de Modelo de 2 Rayos para Ruta 3

Semaforos Distancia Gt Gr hr ht PL (Two Ray)

1 2 200 2.1 2.1 4.5 10.5 6.48

2 3 110.09 2.1 2.1 4.5 8.5 13.06

3 4 139.57 2.1 2.1 4.5 9.5 10.13

4 5 167.32 2.1 2.1 4.5 5.5 16.87

5 6 227.47 2.1 2.1 4.5 3.5 17.06

6 7 231.85 2.1 2.1 4.5 14.5 5.81

7 8 240 2.1 2.1 4.5 12.5 4.20

8 9 320 2.1 2.1 4.5 14.5 6.15

9 10 320 2.1 2.1 4.5 12.5 4.28

6.2.2.2. Calculo de n y Zigma

Para realizar el calculo de los Modelos Log-Normal y Log-Distance se necesita obtener

los valores de n y X. La n tiene diferentes Valores en los que puede representar diferentes

entornos:


Cuadro 6.10: Calculo de n

Distancia Potencia Medida

100 m a 0

150 m b -3n

200 m c -10n

400 m d -14.77n

Cuadro 6.9: Entornos para el Exponente n.

Entorno Exponente, n

Espacio libre 2

Reflexion especular ideal 4

Entorno urbano 2.7 - 3.5

Entorno urbano (shadowing) 3 - 5

En edificios (vision directa) 1.6 - 1.8

En edificios (camino obstruido) 4 - 6

En industria (camino obstruido) 2 - 3

Para hacer el Calculo de n y Zigma se necesita la Medicion de la potencia en diferentes

distancias.

Calculo de n:

La Ecuacion del Error Cuadratico es la siguiente:

Figura 6.22: Ecuacion de Error Cuadratico.

[23]

La Ecuacion de n Optima y Zigma es:

Figura 6.23: Ecuacion de n Optima y Zigma.

[23]

Despues de mostrar todas las ecuaciones que se usaran, se hara el Calculo de n y Sigma

en 2 puntos con respecto del receptor (S1) y transmisor (S2).

Independencia con Paucarpata S1 Este es el Calculo para el Semaforo S1 de la

Ruta 2 Independencia con Paucarpata y el del Coliseo Arequipa. Para este punto la


variable n nos dio 5.3398 y Zigma es 33.0805. Lo que encaja en un entorno en edificios

(Camino Obstruido).

Cuadro 6.11: Independencia con Paucarpata S1

Independencia con Paucarpata S1


100 m -69.72 0

150 m -78.24 -3n

200 m -64.02 -10n

400 m -59.04 -14.77n

Figura 6.24: Ecuaciones para hallar n y Zigma.

[2]


Independencia con Paucarpata S2: Este es el calculo para el semaforo S2 de la

ruta 2 Independencia con Paucarpata y el del coliseo Arequipa.

Para este punto la variable n nos dio 6.4648 y Zigma es 21.5086. Lo que encaja en un

entorno en edificios (Camino Obstruido).

Cuadro 6.12: Independencia con Paucarpata S2:

Independencia con Paucarpata S2


100 m -59.536 0

150 m -66.038 -3n

200 m 77.42 -10n

400 m 77.364 -14.77n


[2]


Mariscal con Corbacho S1: Este es el Calculo para el Semaforo S1 de la Ruta 2

Mariscal con Corbacho.



Cuadro 6.13: Mariscal con Corbacho S1

Mariscal con Corbacho S1


100 m -80.72 0

150 m -71.063 -3n

200 m -74.2972 -10n

400 m -80.7166 -14.77n


[2]


Mariscal con Corbacho S2 Este es el calculo para el semaforo S2 de la Ruta 2

Mariscal con Corbacho.



Cuadro 6.14: Mariscal con Corbacho S1

Mariscal con Corbacho S2


100 m -56.7138 0

150 m -66.0388 -3n

200 m -55.9222 -10n

400 m -56.6388 -14.77n


[2]


6.2.2.3. Modelo Log-Distance

En el calculo de n y Zigma se realizo mediante 2 tıpicos lugares de la Ruta 2, los

cuales son para la bajada de Corbacho e Independencia. Una tiene arboles y la otra solo

edificios y trafico. Por lo que se usara la n Calculada en Corbacho para la primera parte

del recorrido y la n de Independencia para la Segunda parte del recorrido.

En la siguiente Tabla se Calcula el Modelo Log-Distance en la Ruta 2. En la Tabla

aparecen los Valores de que se necesitan para la formula y el resultado final.

Cuadro 6.15: Calculo con referencia a S1.

Calculo de modelos ruta 2

Semaforos n PL (d0) d0 d PL (Log Distance)

1 2 6.5668 -80.7166 100 200 -60.94856224

2 3 6.5668 -80.7166 100 110.09 -77.97510076

3 4 6.5668 -80.7166 100 139.57 -71.20839379

4 5 6.5668 -80.7166 100 167.32 -66.0366594

5 6 5.3398 -69.7166 100 227.47 -50.65756543

6 7 5.3398 -69.7166 100 231.85 -50.21527126

7 8 5.3398 -69.7166 100 240 -49.41408012

8 9 5.3398 -69.7166 100 320 -42.74260146

9 10 5.3398 -69.7166 100 320 -42.74260146


Calculo de Modelos Ruta 2

Semaforos n PL (d0) d0 d PL (Log Distance)

1 2 4.87205 -56.7138 100 200 -42.0474681

2 3 4.87205 -56.7138 100 110.09 -54.67982282

3 4 4.87205 -56.7138 100 139.57 -49.65945754

4 5 4.87205 -56.7138 100 167.32 -45.82243669

5 6 6.4648 -59.5361 100 227.47 -36.461669

6 7 6.4648 -59.5361 100 231.85 -35.92619138

7 8 6.4648 -59.5361 100 240 -34.95620365

8 9 6.4648 -59.5361 100 320 -26.8791642

9 10 6.4648 -59.5361 100 320 -26.8791642


6.2.2.4. Modelo Log-Normal

En el calculo de n y Zigma se realizo mediante 2 tıpicos lugares de la Ruta 2, los cuales

son para la bajada de Corbacho y para la bajada de independencia. Una tiene arboles y

la otra solo edificios y Trafico. Por lo que se usara la n Calculada en Corbacho para la

primera parte del recorrido y la n de independencia para la segunda parte del recorrido.

En la siguiente tabla se calcula el Modelo Log-Normal en la Ruta 2. En la Tabla aparecen

los Valores de que se necesitan para la formula y el resultado final.


Calculo de Modelos Ruta 2

Semaforos n PL (d0) d0 d X0 PL (Log Normal)

1 2 6.5668 -80.7166 100 200 -48.7146 -109.6631622

2 3 6.5668 -80.7166 100 110.09 -48.7146 -126.6897008

3 4 6.5668 -80.7166 100 139.57 -48.7146 -119.9229938

4 5 6.5668 -80.7166 100 167.32 -48.7146 -114.7512594

5 6 5.3398 -69.7166 100 227.47 -33.0805 -83.73806543

6 7 5.3398 -69.7166 100 231.85 -33.0805 -83.29577126

7 8 5.3398 -69.7166 100 240 -33.0805 -82.49458012

8 9 5.3398 -69.7166 100 320 -33.0805 -75.82310146

9 10 5.3398 -69.7166 100 320 -33.0805 -75.82310146


Calculo de modelos ruta 2

Semaforos n PL (d0) d0 d X0 PL (Log Normal)

1 2 4.87205 -56.7138 100 200 -64.8915 -106.9389681

2 3 4.87205 -56.7138 100 110.09 -64.8915 -119.5713228

3 4 4.87205 -56.7138 100 139.57 -64.8915 -114.5509575

4 5 4.87205 -56.7138 100 167.32 -64.8915 -110.7139367

5 6 6.4648 -59.5361 100 227.47 -21.5086 -57.970269

6 7 6.4648 -59.5361 100 231.85 -21.5086 -57.43479138

7 8 6.4648 -59.5361 100 240 -21.5086 -56.46480365

8 9 6.4648 -59.5361 100 320 -21.5086 -48.3877642

9 10 6.4648 -59.5361 100 320 -21.5086 -48.3877642


6.2.3. Conclusiones de los calculos:

El modelo de 2 Rayos por no ser muy exacto muestra Valores de Perdida bastante

bajos.

El calculo de n nos da un resultado entre 4-6 que muestra un entorno en edificios,

esto se explica porque nuestras Antenas no tienen una altura considerable y las

construcciones de 2 pisos las toma como edificios.

Los Calculos en Log-Distance muestran un incremento en la Perdida de potencia

adecuandose al Entorno que tenemos.

Los Calculos en Log-Normal muestra un incremento aun mayor en la perdida de

potencia lo cual podrıa acercarse mas a la realidad de nuestro proyecto.

6.3. Evaluacion del consumo electrico:

En esta Seccion se evaluara teoricamente cuanto es el consumo de energıa electrica de

cada modulo construido.

El consumo de cada equipo por separado es la siguiente:

Cuadro 6.19: Consumo de Arduino.

[24]

EQUIPO CONSUMO (mA) DURACION CON BATERIA (1200 mAH)

Arduino UNO 46 26 horas

Arduino MEGA 93 Casi 13 horas

Arduino DUE 75 16 horas

Arduino Nano 15 80 horas

El Consumo en los Equipos Xbee:

Figura 6.28: Consumo de Xbee.

[25]


6.3.1. Consumo de Equipos en Movil:

El equipo en los vehıculos se conforma de un Arduino UNO y un Zigbee con antena

incorporada.

Cuadro 6.20: Consumo del modulo en los moviles.

Equipo Consumo (mA) Consumo Sleep (mA)

Arduino UNO 46 46

Xbee S2C 38 15

Total 84 61

El modulo movil para los vehıculos gasta cuando esta activo 84 mA y en Modo Sleep

61 mA. El Arduino tiene programado poner en Modo Sleep el Xbee 500 ms cada 1.5

segundos. Esto quiere decir que un cuarto de tiempo el Xbee esta dormido. Por lo que

Gastara en 45 min unos 63 mA y en 15 min unos 15.25 mA por lo que la suma de los 2

sera 78.25 mA en una Hora.

Con una baterıa de 3000 mAH en modo activo nos podrıa alimentar unas 38.34 Horas.

Con una baterıa de 60 AH que es la carga de un auto, en modo activo nos podrıa durar

unos 31.94 Dıas o un mes aproximadamente.

6.3.2. Consumo de Equipos en Semaforo:

El equipo en los vehıculos se Conforma de un Arduino UNO y un Xbee con antena

incorporada.

Cuadro 6.21: Consumo del modulo en los semaforos.

Equipo Consumo (mA)

Arduino MEGA 93

Xbee-PRO S2C 47

Total 140

En los modulos del semaforo se utilizara una Potencia de 1.68 Watts que es el 1 % de lo

que gastarıa un foco de 100 Watts

6.4. Evaluacion de costos del proyecto:

En este Capitulo se describe los costos de equipos, personal y suministros.


Para el analisis de costos se expondra en 2 parte, la parte de costos de los equipos

semaforos y costos de Equipos para cada vehıculo.

Con esta informacion se podra comparar la alternativa del proyecto versus el costo de

GPS por ano.

En la cuadro Siguiente se muestra el Costo del Proyecto empleado.

Figura 6.29: Cuadro de Costos en el Proyecto.

[2]

Del siguiente cuadro podemos sacar cuanto costarıan los equipos individualmente que

se instalarıan en un Automovil, tiene incluida la mano de Obra:

Figura 6.30: Cuadro de Costos de Cada Movil con Mano de Obra.

[2]

Del siguiente cuadro podemos Sacar cuanto costarıan los equipos individualmente que

se instalarıan en un semaforo, no se considera mano de obra ni mantenimiento:

Figura 6.31: Cuadro de Costos de cada Semaforo sin mano de obra.

[2]

Capıtulo 7

Conclusiones y Recomendaciones:

7.1. Conclusiones:

1. El Sistema de Monitoreo Vehicular propuesto es una herramienta para la segu-

ridad ciudadana que a traves de una Base de Datos e Interface Web almacena

la Informacion completa de los vehıculos como color, marca, modelo, nombre del

conductor y propietario; esto junto al serenazgo, camaras de vigilancia y policıa

seran las herramientas que contribuyan a las investigaciones, prevencion de delitos

y mejoren la Seguridad.

2. Se utilizo Tecnologıa Zigbee por el ultra bajo consumo de energıa, bajo costo de

dispositivos, alcance corto y una velocidad de transmision menor a 250 kbps; estas

caracterısticas se adecuan para el diseno e implementacion de una red WSN en un

entorno Urbano.

3. Se desarrollo Pruebas de Funcionamiento del Sistema de Monitoreo Vehicu-

lar utilizando Tecnologıa Inalambrica Zigbee para cada Etapa del proyecto

(Prueba 1 a la 4), logrando articular el Hardware y Software para un funciona-

miento final. Se tuvo un exito del 84 % en la recepcion de datos.

4. Se establecio que la distancia maxima para una comunicacion efectiva entre un

nodo fijo-nodo fijo no debe ser mayor de 400 metros y entre un nodo movil-nodo

fijo de 30 metros.

5. Se realizaron pruebas en campo donde se establecio que 1 segundo es el tiempo

adecuado para la transmision de paquetes de Datos entre el nodo movil-nodo fijo.

6. En la primera fase del diseno del proyecto (Etapa 1 a la 7) se integro la Conexion

entre la red Mesh y los Nodos Fijos con la DIGI CLOUD, dicha fase preliminar

dio las bases para las pruebas posteriores con el Software del proyecto.

130

Capıtulo 9. Conclusiones y Recomendaciones: 131

7. Se diseno, desarrollo e implemento una Base de Datos (de ubicaciones y hora-

rios de las unidades vehiculares) en el servidor, dicha base de datos almacena la

informacion enviada por los Gatheways ubicados en campo.

8. Se diseno, desarrollo e Implemento una Interfase entre el Usuario y la Base de

Datos, mediante dicha Interfase se puede obtener reportes Textuales o Graficos

del recorrido de un Vehiculo a una determinada hora y Lugar.

9. El calculo de Factor de perdida (n) nos da resultados entre 4 y 6 (lo que representa

un entorno entre Edificios), por ende se consideran a las estructuras mayores de 6

metros como Edificios (Capıtulo 6 Seccion 2).

7.2. Recomendaciones:

1. Se tuvo mala conexion Electrica entre: las Antenas, Baterıas y la Placa de Co-

municaciones Zigbee y el por lo que se tuvo especial cuidado y Supervision al

Montarlos.

2. En las Pruebas realizadas se tuvo perdida de senal cuando Vehıculos con altura

mayor a 5 metros (Buses y Trailers) pasaban por la Linea de Vista de los Nodos

Fijos, esta Perdida de senal no afectara cuando se implemente el proyecto debido

a que los semaforos tienen una altura no menor de 7 metros.

3. En cada Nodo Fijo se podrıa Implementar una variedad de sensores tales como:

Humo, Polucion y Ruido. Esta informacion serıa el Punto de partida para convertir

a la Ciudad de Arequipa en una Ciudad Inteligente.

4. Implementado el Sistema si se sobrapasan las 2500 Solicitudes de Servicio Web

diarias o las 25000 Cargas de Mapa, se tendrıa que contratar adicionalmente el

Plan Estandar de Google Maps APIs.

Bibliografıa

[1] Mauricio Postigo Malaga Lizardo Pari Jorge Matta H., Elvis Supo Colquehuanca

and Efrain Mayhua-Lopez. Vehicle location system and monitoring as a tool for ci-

tizen safety using wireless sensor network. ANDESCON 2016, pages 1–4, Setiembre

2016.

[2] Jorge Matta Hernandez. Enero 2015. URL https://www.linkedin.com/in/

jorge-matta-hernandez-7182a04a?trk=nav_responsive_tab_profile_pic.

[3] Sergio Pereira Ruiz. Pfc: Localizacion de robots mediante filtro de kalman. 62:

90–105. URL 6FILTRODEKALMAN.

[4] Imagenes referenciales. 62, 2017. URL http://www.google.com.pe.

[5] Empresa Tracklog. Software de tracking. 2015. URL www.tracklog.com.pe.

[6] T. Kangas. Methods and implementations for automated system on chip architec-

ture. Review of Scientific Instruments, Setiembre 2006.

[7] Elisabetta Farella C. G. Luca Benini. Wireless sensor networks: Enabling technology

for ambient intelligence. Microelectronics Journal, (12):1–20, Diciembre 2006.

[8] Elsevier. Wireless sensor networks: a survey. Elsevier Computer Networks, 38(4):

393–422, Marzo 2002.

[9] J. Suhonen, M. Kohvakka, M. Hannikainen, and T. D. Hamalainen. Implementation,

and experiments on outdoor deployment of wireless sensor network for environmen-

tal monitoring. Lecture Notes in Computer Science, 4017(1):109–121, January 2006.

[10] Mauri Kuorilehto. System level design issues in low-powerwireles sensor networkss.

Review of Scientific Instruments, (1), April 2008. URL http://link.aip.org/

link/?RSI/62/1/1.

[11] Open Systems Interconnection. Basic reference model: The basic model. Informa-

tion Technology, 1994.

132

https://www.linkedin.com/in/jorge-matta-hernandez-7182a04a?trk=nav_responsive_tab_profile_pic

https://www.linkedin.com/in/jorge-matta-hernandez-7182a04a?trk=nav_responsive_tab_profile_pic

6%20FILTRO%20DE%20KALMAN

http://www.google.com.pe/

http://www.tracklog.com.pe/

http://link.aip.org/link/?RSI/62/1/1

http://link.aip.org/link/?RSI/62/1/1

Bibliography 133

[12] IEEE Standards Activities Department. Part 15.4:wireless medium access control

(mac) and physical layer (phy) specifications for low-rate wireless personal area

networks (lr-wpans): Amendment to add alternate phy. pages 1–20, Enero 2007.

[13] Zigbee Alliance. Enero 2008. URL http://www.zigee.org.

[14] Yeong-Lin Lai and Jay Cheng. A cloud storage rfid location tracking system. IEEE

TRANSACTIONS ON MAGNETICS, pages 1– 4, July 2014.

[15] Mao Yongyi and Zhou Kanglei. A location and tracking algorithm based on bp

neural network with nlos propagation. Xi’an Institute of Posts and Telecommuni-

cationss, (1):1–4, 2009.

[16] MAOYong-yi and WAN Rui-ping. A robust location and tracking algorithm. Cross

Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference, (1):1–3,

July 2011.

[17] J.-C Xing Xun Zhang Cheng Chen, Ping Wang. Location and tracking algorithm

based on two-step kalman filter in nlos environments. 11th World Congress on

Intelligent Control and Automation, pages 1–5, July 2014.

[18] Francesco Sottile Mauricio A. Caceres and Maurizio A. Spirito. Adaptive location

tracking by kalman filter in wireless sensor networks. International Conference on

Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications, (1):1–6, 2009.

[19] Ching-Yun Chen Hung-Chi Chu, Chung-Jie Li and Hong-Wen Yu. Location trac-

king with power -level switching for wireless sensor networks. Eighth International

Conference on Intelligent Systems Design and Applications., pages 1–6, January

2008. URL @cyut.edu.tw.

[20] Stefan Mitsch Rene Prokop Werner Kurschl, Wolfgang Gottesheim and Johannes

Schonbock. A two-layered deployment scheme for wireless sensor network based

location tracking. pages 1–5, January . URL [email protected].

[21] A Anand Kumar and Krishna M. Sivalingam. Target tracking in a wsn with

directional sensor using electronic beam steering. Dept. of CSE, Indian Insti-

tute of Technology Madras, Chennai, INDIA, pages 1–10, 2012. URL Email:

[email protected].

[22] Ing. Mauricio Postigo Elvis Supo Jorge Matta, Kim Diaz and Ing. Lizardo Pari.

Sistema de monitoreo vehicular usando una red mesh zigbee. Memorias COMTEL

2017, Diciembre 2016.

[23] Sinan Kurt and Bulent Tavli. Path-loss modeling for wireless sensor network. IEEE

ANTENAS AND PROPAGATION MAGAZINE, 1(1):1–20, February 2017.

http://www.zigee.org/

@cyut.edu.tw

[email protected]

Email:[email protected]



Bibliography 134

[24] PROMETEC. Consumo de arduino. URL https://www.prometec.net/

consumos-arduino/.

[25] DIGI-ZigBee RF Modules. Abril 2010. URL http://www.digi.com/resources/

documentation.

https://www.prometec.net/consumos-arduino/

https://www.prometec.net/consumos-arduino/

http://www.digi.com/resources/documentation

http://www.digi.com/resources/documentation

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