Universidad de Costa RicaFacultad de Ingenierıa

Escuela de Ingenierıa Electrica

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

PARA DISPOSITIVOS DE

SENALIZACION FERROVIARIA

Por:

Vıctor Adolfo Salazar Vargas

Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica

10 de febrero de 2015

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

PARA DISPOSITIVOS DE

SENALIZACION FERROVIARIA

Por:

Vıctor Adolfo Salazar Vargas

IE-0499 Proyecto electrico

Aprobado por el Tribunal:

Ing. Peter Zeledon MendezProfesor guıa

M.Sc. Jorge Badilla Perez Ing. Erick Acosta HernandezProfesor lector Profesor lector

ResumenEn el presente proyecto se diseno un semaforo capaz de controlar el trafico

en un cruce ferroviario. este conto con un sistema de control basado en la placaArduino, capaz de manejar los diversos elementos con los que contaba dichosemaforo. Entre los elementos mencionados, se tiene: un sistema de iluminacioncon leds, sistema de aviso por sonido, un sistema de alimentacion redundante,comunicacion con un centro de operaciones y comunicacion inalambrica entreel tren y el semaforo.

El sistema de control basado en Arduino se programo de manera que tu-viera un control manual por medio del puerto serie de una computadora y a suvez recibiera los datos provenientes de los modulos inalambricos (Xbee) desdeel tren.

Para el control manual se realizo una interfaz programada con la herra-mienta GUIDE de Matlab, incluyendo un metodo para realizar un ejecutable,que hiciera posible la utilizacion de la interfaz en cualquier computadora sinnecesidad de que esta contara con Matlab.

La comunicacion inalambrica consistio en el uso del protocolo Zigbee me-diante los modulos Xbee, uno que funcionara como emisor desde el tren y otrocomo receptor cercano al Arduino. De esta forma la senal que fuese enviadadesde el tren, el modulo receptor la comunicaba al Arduino encargado de rea-lizar el cambio de estado del semaforo. Se analizaron dos maneras de enviode la senal inalambrica. La primera fue la implementada, que consistio en elenvio de la senal mediante un boton asociado al emisor. La segunda fue unapropuesta para que el cambio fuese automatico, segun la distancia censadapor el modulo receptor en su patilla de deteccion de nivel de la senal (RSSI).

La alimentacion de todo el sistema se da mediante una fuente conmutadaque hace el cambio de corriente alterna a directa. Esta corriente es censadapor un transistor PMOS capaz de detectar la ausencia de esta y habilitar elsistema de respaldo por baterıa.

La parte de iluminacion y sonido se alimento del sistema mencionado,donde dicha alimentacion se controlo con transistores NMOS por medio delArduino.

El trabajo concluyo con la realizacion de una maqueta, en donde se mostroel semaforo trabajando segun el diseno desarrollado en el trabajo. Algunaspartes de la implementacion se hicieron a escala menor para acoplarlo a lamaqueta sin perder el diseno como tal.

v

Indice general

Indice de figuras ix

Indice de cuadros x

Nomenclatura xi

1 Introduccion 1

1.1 Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Base teorica 7

2.1 Senalizacion ferroviaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Comunicacion inalambrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Comunicacion por fibra optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4 Funcionamiento y programacion de Arduino UNO . . . . . . . 19

2.5 Matlab Guide (GUI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6 GUI Matlab y Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Diseno 29

3.1 Comunicacion del semaforo al centro de control por fibra optica. 29

3.2 Comunicacion del tren al semaforo inalambricamente. . . . . . 32

3.3 Sistema de iluminacion led para el semaforo . . . . . . . . . . . 37

3.4 Sistema de alarma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.5 Sistema de alimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.6 Sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 Pruebas, Analisis y construccion de la maqueta 47

4.1 Iluminacion led . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2 Bocina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3 Comunicacion por fibra optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 Comunicacion inalambrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Sistema de alimentacion de doble redundancia . . . . . . . . . . 52

4.6 Maqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5 Conclusiones y recomendaciones 55

vii

Bibliografıa 57

A Apendice 59

viii

Indice de figuras

1.1 Cronograma del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Elementos de una senalizacion ferroviaria.(Diario AlDia, 2011) . . 82.2 Semaforo ferroviario.(FCM, 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Estructura basica de un zumbador.(Cosmai, 1980) . . . . . . . . . 112.4 Estructura basica de una sirena. (Cosmai,1980) . . . . . . . . . . . 112.5 Xbees serie 1 y serie 2 con diferentes tipos de antenas. (Digi, 2013) 132.6 Dibujo de detalles mecanicos de Xbee y Xbee PRO (Vanegas, 2009) 142.7 Pestana terminal del X-CTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.8 Pestana mode-configuration del X-CTU . . . . . . . . . . . . . . . 162.9 Elementos de la placa Arduino (Lledo, 2012) . . . . . . . . . . . . 202.10 Herramienta de un GUI de Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.11 Botones (ıtems) de un GUI de Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1 Diseno del control del semaforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Emisor-receptor USB Fox (Digi, 2013) . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Convertidor Foca de USB a UART (Digi, 2013 ) . . . . . . . . . . 313.4 Diseno de control por computadora del semaforo . . . . . . . . . . 313.5 mensajes despegables de la interfaz de control . . . . . . . . . . . . 323.6 Codigo para medicion de intensidad de la senal inalambrica . . . . 373.7 Topologıa led para semaforo, luz roja . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.8 Topologıa led para semaforo, luz verde . . . . . . . . . . . . . . . . 393.9 Topologıa para el sistema de alarma . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.10 Cargador de baterıas (Prat, 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.11 Sistema de doble redundancia de alimentacion . . . . . . . . . . . 433.12 Diagrama tipo ASM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.1 Iluminacion led para la maqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2 Sistema sonoro para la maqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.3 Interfaz de control terminada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.4 Interfaz de control en operacion, color rojo . . . . . . . . . . . . . 504.5 Interfaz de control en operacion, color verde . . . . . . . . . . . . . 504.6 Xbee cambio a verde mediante boton . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.7 Xbee cambio a rojo mediante boton . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.8 Relacion distancia-tiempo a velocidades constantes . . . . . . . . . 524.9 Respaldo funcionando sin baterıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

ix

4.10 Respaldo funcionando con baterıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.11 Maqueta concluida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.12 Maqueta concluida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Indice de cuadros

2.1 Potencia de sonidos en decibelios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2 Tabla de los componentes de Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Parametros Basicos para lo Xbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2 Parametros para programar el Xbee emisor . . . . . . . . . . . . . 343.3 Parametros para programar el Xbee receptor . . . . . . . . . . . . 353.4 Especificaciones de los leds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.5 Parametros para diagrama ASM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

x

Nomenclatura

ACK paquete de confirmacion de un mensaje.

ATO operacion automatica del tren.

ATP proteccion automatica del tren.

CA corriente alterna.

CC corriente directa.

CH canal.

COM puertos seriales del computador.

COSEV I Consejo de Seguridad Vial.

CTC control de trafico centralizado.

DH direccion alta.

DL direccion baja.

E/S entrada-salida.

EEPROM memoria ROM programada y borrada electricamente

GHz giga hertz. Unidad de frecuencia.

GND referencia electrica. (Tierra).

GUI interfaz grafica de Matlab.

GUIDE herramienta de Matlab para crear interfaces graficas.

IDE ambiente de desarrollo integrado para programar Arduino.

IEEE instituto de ingenieros electricos y electronicos.

LED diodo emisor de luz.

Li− Ion baterıa de iones de litio.

mA mili-amperios

xi

mah mili-amperio hora.

Mbps mega bytes por segundo.

MCR set de librerıas indispensable para compilar aplicacionesrealizadas en Matlab.

MHz medida de frecuencia, Mega Hertz.

MM modo de envio de datos por fibra optica, multimodo.

MY direccion de fuente.

NiCd baterıa de nıquel-cadmio.

NiMH baterıa de nıquel-hidruro metalico.

NMOS semiconductor de metal oxido con canal negativo.

OMS Organizacion Mundial de la Salud.

PMOS semiconductor de metal oxido con canal positivo.

PWM modulacion por ancho de pulso.

RAM memoria de acceso aleatorio.

RF radiofrecuencia.

RSSI indicador de fuerza de la senal recibida.

ROM memoria de solo lectura.

Sketch codigo realizado en IDE que se carga al Arduino paraejecutar alguna tarea.

SM modo de envio de datos por fibra optica, modo simple.

SRAM memoria aleatoria de acceso estatico.

UART emisor-receptor universal asıncrono.

USB bus universal en serie.

UV rayos ultravioleta.

V in voltaje de entrada.

W medida de potencia watts.

X − CTU programa de programacion para modulos de comunica-cion inalambrica.

xii

1 Introduccion

La electronica, cuya aparicion se remonta a 1947 con la invencion del tran-sistor por parte de los laboratorios Bell, ha tenido un gran impacto en el diariovivir, convirtiendose en un acompanante muchas veces invisibles pero que nosfacilita la vida en muchas maneras. Un gran porcentaje de lo construido en laactualidad tiene algo electronico.

Los procesos de investigacion han desarrollado nuevos materiales y meto-dos de fabricacion que permiten cada vez hacer dispositivos electronicos maspequenos. Ası la evolucion de la tecnologıa electronica en los ultimos tiem-pos tiende hacia la realizacion de circuitos y sistemas en forma de circuitosintegrados. (Prat, 2009).

El avance en escalas de integracion hizo posible la colocacion de cada vezmas transistores por unidad de superficie.(Benchimol, 2011). Con ello apa-rece la tecnologıa VLSI, permitiendo la creacion de un sin numero de chipscon diferentes usos y aplicaciones. Entre muchos tipos de circuitos integradosque se han construido, interesa mencionar la microcomputadora o microcon-trolador como se le conoce comunmente. Los microntroladores son circuitosintegrados que tienen la facilidad de ser programados para contar con las sali-das segun sean la indicaciones grabadas en la memoria, convirtiendose en unaherramienta de control muy util.

La plataforma Arduino creada en el 2005 por David Cuartielles y Mas-simo Banzi, basada en software libre, consta de un microcontrolador y unentorno que facilita la implementacion de electronica extra, esto lo hace unaherramienta muy practica para la realizacion de proyectos electronicos.

En el presente trabajo se elabora un semaforo con ayuda de la plataformaArduino, en busca de una solucion a la gran cantidad de accidentes ferroviariosque se generan en Costa Rica. Existen descuidos con gran frecuencia a lahora de cruzar la lınea ferrea o transitar en ella, sobretodo en las rutas mastransitadas de nuestra capital.

1

2 1 Introduccion

1.1 Justificacion

Se ha convertido en algo comun escuchar en los medios de comunicacionnacionales la ocurrencia de accidentes de transito, en donde se involucra di-rectamente la participacion del ferrocarril. En el ano 2013, segun publica elperiodico La Nacion, se registraron una cantidad de 63 choques entre autos ytrenes, 9 atropellos a peatones y una colision tren con tren.

Consecuencias graves como muertes mutilaciones, danos materiales consi-derables e inclusive el dano psicologico adquirido despues de un accidente sonsituaciones que se pueden reducir. El problema de los accidentes de transitoes catalogado por la OMS como un problema crıtico de salud publica. El usode la senales de transito, muchas veces ausentes, en todas las interseccionesayudarıa a mejorar la situacion.

Implementar semaforos en los cruces ferroviarios es una medida existentepara brindar seguridad al transito de los automoviles y los trenes, igualmenteno en todos estos cruces se cuenta con ellas. Segun publico CR-HOY el 27 dejunio del 2014 en su sitio WEB, las intersecciones que si cuentan con dichossemaforos en la lınea ferrea han puesto en riesgo a los conductores debido almal funcionamiento de estos. Leyendo mas a fondo mencionan descoordina-cion, dejan de funcionar y en ocasiones el cambio en la luz que avisa el pasodel tren se da de manera tardıa.

En busca de una solucion a lo anterior, se realizo el diseno de un sistemade control para la senalizacion ferroviaria que permita la activacion de lassenales a tiempo de manera coordinada, ademas de tener un respaldo en casode ausencia de alimentacion de la red electrica para garantizar que estos nodejen de funcionar continuamente.

1.2. Objetivos 3

1.2 Objetivos

Objetivo general

Disenar un semaforo para la senalizacion ferroviaria.

Objetivos especıficos

Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos:

• Estudiar sobre senalizacion ferroviaria.

• Estudiar sobre comunicacion inalambrica.

• Estudiar sobre comunicacion por fibra optica.

• Estudiar sobre el funcionamiento y programacion de la tarjeta ArduinoUNO.

• Disenar un semaforo para la regulacion de trafico cercano a la lıneaferroviaria, que cuente como mınimo con los siguientes caracterısticas:

– Sistema redundante de alimetacion electrica

– Sistema de respaldo por baterıas para al menos 6 horas

– Sistema iluminacion por LED para evitar problemas de reflejo delos rayos del sol.

– Sistema sonoro de aviso de paso del tren.

– Sistema doble redundacia de control

– Sistema de comunicacion inalambrica con Central Operaciones yFerrocarril.

– Sistema de comunicacion vıa fibra optica con Central de Operacio-nes y otros dispositivos.

• Creacion de una maqueta que muestre el diseno realizado.

4 1 Introduccion

1.3 Metodologıa

El desarrollo del trabajo incluyo los siguientes pasos y procedimientos,listados en secuencia:

1. Se investiga sobre la plataforma Arduino UNO recopilando la informa-cion necesaria para poder trabajar con su software y conocer sus capa-cidades principalmente del hardware.

2. Elaboracion del marco teorico con el fin de recopilar la informacion quese necesite, tomando en cuenta cuales son los conceptos teoricos que senecesitan para un correcto analisis y posterior realizacion de los objetivosdel trabajo.

3. Se realiza la programacion del Arduino con el fin de tener listas lassenales necesarias para los proximos pasos del proyecto.

4. Se analizan las propuestas existentes similares a los disenos electronicosa realizar, esto en la parte de la redundancia de alimentacion y la decontrol.

5. Se analizan formas de realizar enlaces inalambricos, cuando se escoge elmetodo inalambrico conveniente se procede a recolectar informacion yrealizar el diseno.

6. Se realizan los disenos propios con ayuda de un simulador de circuitos yse revisan las senales de la simulacion

7. Se realiza la implementacion de los circuitos fısicos de la comunicacioninalambrica, senal lumınica y sonora a pequena escala.

8. Se conectan los circuitos electronicos al Arduino y se realizan las pruebaspertinentes que garanticen su buen funcionamiento, ası como la toma desenales que garanticen esto.

9. Se realiza un montaje de una maqueta con que se pueda simular laimplementacion del dispositivo.

A continuacion se presenta el diagrama de Gantt con el trabajo a realizarsecada semana:

1.3. Metodologıa 5

Figura 1.1: Cronograma del proyecto.

2 Base teorica

2.1 Senalizacion ferroviaria

El conjunto de equipos y senales que se encargan de ordenar el traficoferroviario, es a lo que se le llama sistemas de senalizacion ferroviaria. (Gomez,1998)

La importancia de la senalizacion ferroviaria radica en llevar un tren de unpunto a otro normalmente con pasajeros a bordo de manera segura, tratandode evitar cualquier tipo de accidente, ya sea con otros trenes, entre trenes yautos o entre peatones y trenes.

Existen muchos elementos que componen la senalizacion de las vıas deltren. Puyol describe en su publicacion sobre senalizacion electronica del ferro-carril algunas que tradicionalmente se han utilizados como:

• Las senales electricas luminosas que transmiten ordenes a los maquinis-tas.

• Los accionamientos de agujas para controlar los desvıos.

• Los circuitos de vıa que establecen la posicion del tren a lo largo de lalınea ferrea.

• Las semibarreras que resguardan los cruces con las carreteras.

• El cuadro de mando y comprobacion que recibe las indicaciones y da lasdisposiciones a los equipos que manejan los elementos en el campo.

• Los sistemas de enclavamientos y bloqueos que tienen a cargo el traficoferroviario.

• Existen los CTC (Control de Trafico Centralizado) para el telemando adistancia de las estaciones.

• Los sistemas de ATP (Automatic Train Protection) y ATO (Automa-tic Train Operation) que se encargan de frenar y conducir el tren sinconductor.

En Costa Rica se cuenta con una ley bastante vieja llamada Ley Generalde Ferrocarriles (N5066) del ano 1972. En esta ley se le atribuye en el artıculo

7

8 2 Base teorica

8, al Ministerio de Obras Publicas y Transportes la responsabilidad de velarpor el buen funcionamiento y seguridad del transporte ferroviario. Aunque enel paıs existe un intento de mantener el orden en la lınea ferrea, la senalizaciones mala. En un reportaje realizado por el diario AlDia se detectaron muchasintersecciones con la lınea del tren sin ningun tipo de senalizacion.

Tambien el director de Ingenierıa de Transito del Ministerio de Obras Pu-blicas y Transportes, Mario Chavarrıa, dijo en el 2011 a este diario: ”La se-nalizacion actual, vertical y horizontal, en el trayecto de Pavas y Heredia esaceptable, pero no hay duda que se requieren senales sonoras, de luces y ba-rreras”.

Existen senales horizontales y verticales en las lıneas ferreas de Costa Ricapero los semaforos y barreras son muy escasas o nulas.

Figura 2.1: Elementos de una senalizacion ferroviaria.(Diario AlDia, 2011)

Semaforo

El semaforo es un dispositivo emisor de luz manejado por un controladorque se comunica de manera visual con el transito enviando acciones preesta-blecidas. (Covenin, 1999).

2.1. Senalizacion ferroviaria 9

Los semaforos, destinados a regular el flujo de transito, se pueden clasificarde diferentes maneras. Una muy comun y que se describe en algunas normasinternacionales como la norma Venezolana es:Semaforos de control de transito de vehıculos, semaforos para peatones y se-maforos especiales.

El COSEVI en su manual para el control de transito, indica que en la listade semaforos especiales se encuentran los semaforos y barreras, que se utilizanpara indicar la aproximacion de trenes. Se utilizan para detener los vehıculosy constan de una sola cara.

Los semaforos de usos especiales normalmente van de 200 mm de diametroen paıses como Espana, con las variantes de dos y tres focos.

Los semaforos de aproximacion de trenes en los cruces ferroviarios existenen diferentes tipos, semaforos con luz intermitente o estructuras mas complejascomo el candelabro o el portico de semaforos. Un semaforo de luz intermitentees una senal que indica la aproximacion de los trenes mediante dos luces rojasintermitentes, colocadas horizontalmente, que se encienden y apagan en formaalternada a intervalos predeterminados. Los otros, tienen los colores conocidosverde y rojo ademas de una barra encargada de cambiar (junto al color) suposicion. (Covenin, 1999).

Figura 2.2: Semaforo ferroviario.(FCM, 2014)

10 2 Base teorica

Senales sonoras

Las senales sonoras en lo referente al transito, nos permiten darnos cuentadel cambio de estado de un semaforo. Por ejemplo, cuando la visualizacion hasido obstaculizada o se ha perdido el contacto visual con la senal (lumınica)por un momento.

La senal debe ser lo suficientemente fuerte para que sea audible. Sensorstec-nics y semiconductors establece una serie de rangos en decibelios para distintasfuentes de sonidos.

Cuadro 2.1: Potencia de sonidos en decibelios

Sonido Decibeles

Umbral de dolor 140Sensacion desagradable 120Motocicleta sin silenciador 115Interior discoteca 110Trafico fuerte 100Trafico de ciudad 85Ambiente de oficina 70Conversacion normal 55-65Susurro 30Rumor de hojas 15Brisa 10Sonido mas bajo audible 0

Buzzers y sirenas

Existen dispositivos como buzzer (zumbadores) y sirenas que suelen usarsecomo alarmas. Entre cada uno de ellos existe una gran diversidad, puedenvariar en la forma de construirlos, voltajes a los que trabajan, potencias desalida entre otras.

La mayorıa de los buzzers son comunes encontrarlos en corriente alter-na, aunque tambien los hay en corriente continua. Estos estan formados poruna lamina piezoelectrica. La piezoelectricidad es una propiedad de algunosmateriales que actuan de puente entre la mecanica y la electricidad. Si sonsometidos a presion mecanica, proporcionan una tension electrica y viceversa.

Los zumbadores CC y CA: Estos funcionan mediante un contacto que seencuentra en la lamina que es accionada mediante un electroiman, de estamanera se interrumpe la alimentacion de la bobina cada vez que una corriente

2.1. Senalizacion ferroviaria 11

la atraviesa. De esta forma la lamina es atraıda y soltada repetidas vecesgenerando un zumbido. (Cosmai, 1980).Los zumbadores CA: no dependen de ningun contacto en la lamina. El ciclode relajacion y atraccion de la lamina se da mediante los picos maximos ymınimos de la corriente alterna (Cosmai, 1980).

Figura 2.3: Estructura basica de un zumbador.(Cosmai, 1980)

Las sirenas constan de un pequeno motor electrico que accionan una tur-bina. La turbulencia que crea en el aire pasa por una espacio similar a unasaletas que producen un fuerte sonido que puede alcanzar mas de 100 dB desalida. (Manzano, 2008).

Figura 2.4: Estructura basica de una sirena. (Cosmai,1980)

12 2 Base teorica

2.2 Comunicacion inalambrica

Los sistemas de comunicacion inalambricos utilizan el aire para trasmitirinformacion, en muchos casos, para sustituir los alambricos. (Couch, 2012).Cuando el medio es el aire, se tiene la ventaja de evitar el cableado de unahabitacion, volviendo el sitio en donde esta instalado mas estetico. Entre lasdesventajas que tiene la comunicacion inalambrica esta la inseguridad de lastrasmisiones y problemas de ruido, ası como la distancia de la trasmision dela senal que dependera de la existencia de obstaculos entre emisor y recep-tor.(Tomasi, 2003).

Infrarrojo

La luz infrarroja se utiliza para enviar informacion a cortas distancias.Para esto tiene que haber una lınea sin obstaculos entre emisor y receptor,ya que las frecuencias en las que trabaja no le permiten traspasar objetos.(Couch, 2012).

Wi-Fi

Es un grupo de estandares basadas en las especificaciones descritas enIEEE 802.11. Es muy frecuente su uso para el acceso de internet, aunque suradio de operacion anda por 100 m aproximadamente. Existen dos estandares802.11, estos varıan en su frecuencia de operacion y su velocidad de trasmision.La frecuencia de 802.11a trabaja a 5.8 GHz y la 802.11b a 2.4 GHz. (Labiodet al., 2007)

Bluetooth

Es un protocolo de comunicacion disenado para un bajo consumo, concorto alcance de emision (entre 10 m a 30 m). Este opera por un enlace deradiofrecuencia en la banda de 2.4 GHz. (Labiod et al., 2007).

Wi-Max

Es una tecnologıa basada en el estandar 802.16, que es util para redesinalambricas de banda ancha, con velocidades que llegan a 70 Mbps y con ungran alcance, hasta 60 km. (Tomasi, 2003). Wi-Max tiene como desventajasla falta de un marco regulatorio adecuado, algoritmos y funciones de procesa-miento complejos que lo hacen mas costoso economicamente y necesita nivelesaltos de potencia. (Labiod et al., 2007)

2.2. Comunicacion inalambrica 13

Radio frecuencia

La radiofrecuencia es una forma de emision electromagnetica. Se sueledividir por las que trabajan a menos de 1GHz que forman un intervalos defrecuencias de 300 MHz a 900 MHz y la de 2.4 GHz que esta normalizadaen todo el mundo. (Tomasi, 2003). La radiofrecuencia se utiliza para enviarinformacion inalambricamente a largas distancias. La senal enviada tiene queser modulada por circuitos electronicos para que la informacion pueda serinterpretada por un receptor. (Prat, 2009).

Zigbee

El sistema ZigBee, que es un grupo de protocoles de alto nivel pararadiodifusion digital (IEEE 802.15.4) de poco consumo electrico, es utilizadapara proporcionar comunicaciones seguras y de poca transferencia de datos.Se utilizan frecuencias entre 865 MHz y 2.4 GHz. (Gislason, 2008). El alcanceesta entre 100 m, 1600 m o mas depende del modulo usado.

Para este tipo de comunicacion se utilizan modulos conocidos como Xbee,estos se pueden encontrar en las versiones serie 1, serie 2 y Xbee 900 quetrabaja a 900 MHz logrando comunicarse a distancias de hasta 24 km. Entrelos serie 1 y 2 no existen grandes diferencias, solamente difieren en la ubicacionde los pines y el firmware (capa de programacion interna), que les permite alos de la serie 2 funcionar en configuraciones complejas (MESH) en dondemultiples Xbee se comunican entre sı. Estas series tambien tienen su versionPRO que logra un alcance de 1.6 km contra los 100m de los series 1 y 2comunes.

Figura 2.5: Xbees serie 1 y serie 2 con diferentes tipos de antenas. (Digi, 2013)

Ademas de los mencionados existen muchos tipos mas de estos modulos.Segun MCI ingenierıa se fabrica mas de 70 tipos de modulos Xbee con dife-rentes antenas, potencia y capacidades. Muchas de las caracterısticas de losmodulos Xbee tales como velocidad de transmision y canales por ejemplo,

14 2 Base teorica

pueden ser configurados utilizando el software X-CTU o desde un microcon-trolador (Arduino sirve para dicha configuracion).

Cada modulo Xbee tiene una direccion unica. Esta es de 64 bits que vienegrabada de fabrica. Ademas utiliza para sus algoritmos de ruteo direccionesde 16 bits. Cada vez que un dispositivo se asocia a una red Zigbee (esto paracomunicaciones complejas entre varios Xbee), al coordinador se le asigna unadireccion unica de 16 bits; por eso el numero maximo teorico de elementos quepuede haber en una red Zigbee es de 216 = 65535, que es el numero maximo dedirecciones de red que se pueden formar. Estos modulos Xbee, pueden usarseen redes de configuracion punto a punto, punto-a-multipunto o peer-to-peer.(Elahi et al., 2010)

El modulo Xbee necesita de una alimentacion desde 2.8 a 3.3 V (Pin 1),la conexion a tierra (Pin 10) y las lıneas de transmision de datos por mediodel UART para comunicarse con un microcontrolador, o directamente a unpuerto serial utilizando algun conversor adecuado.

Figura 2.6: Dibujo de detalles mecanicos de Xbee y Xbee PRO (Vanegas, 2009)

Los Xbee cuentan con 20 patillas, entre ellas estan las patillas de alimen-tacion Vin y tierra (pin 1 y 10) pines para comunicacion UART (2 y 3), pinesde aviso de conexion, pin para poner el modulo en forma de ahorro de energıa,pin de reset, pines de entrada y salida analogas y digital.

Programacion Xbee

Para programar el Xbee se necesita conectarlo a una computadora, paraello se utiliza alguno de los adaptadores disponibles, ya sea el Xbee ExplorerUSB o Xbee Explorer Dongle. Con ambos se puede comunicar la computadoraa un modulo, ya sea para programarlo, actualizar su firmware o realizar unacomunicacion de la computadora a otro modulo cercano. Adicionalmente setiene que contar con el programa X-CTU, que es gratuito y se puede descargardesde la pagina de Digi, comercializadores de estos modulos. (Elahi et al.,2010).

2.2. Comunicacion inalambrica 15

Al conectar el Xbee mediante el puerto USB al programa X-CTU, en lapestana PC Settings se debe anadir el puerto en que se conecto el modulo atraves de la seccion ”UserComPorts” y en la parte de ”ComPortNumber”se coloca el nombre del puerto que se conecto, como por ejemplo ”COM8”,en ocasiones el programa lo detecta por sı solo, teniendo el cuidado de que noexistan puertos USB adicionales en uso. En la misma pestana se puede dar aboton Test/Query para garantizar la conexion y observar las especificacionesdel Xbee. (Ruiz, 2011).

Se pueden programar de dos maneras, desde la pestana terminal o la deModem configuration.

Si se programa desde terminal se tiene que colocar en el cuadro terminal+++ y posteriormente se recibe un ”ok” si la comunicacion se dio correcta-mente, despues se tendrıan que indicar los comandos con los valores deseadospara la configuracion, entre los comandos mas comunes se tienen:

ATRE: Restaura los valores predeterminados de fabrica antes de realizarcualquier modificacion.

ATCE1: Configuracion del modulo XBee en modo Coordinador.

ATCE0: Configuracion del modulo XBee en modo Nodo Enviante.

ATMY*: Direccion del modulo XBee en modo Coordinador. El valor de *como ejemplo puede ser 2341. (ATMY2341)

ATID*: ID de la conexion que vamos a crear entre nuestros modulos XBee.El valor de * como ejemplo es 1112. (ATID1112)

ATCH*: Canal por el cual los modulos XBee se van a conectar. El valorde * de ejemplo sera 0C. (ATCH0C)

ATWR: Escribe una nueva configuracion en la memoria no volatil. Si no seescribiese este comando, las modificaciones realizadas no quedarıan guardadaspara su posterior uso.

ATFR: reinicia el modulo XBee.

A continuacion una vista de la pestana terminal en donde se pueden colocarlos comandos anteriores.

16 2 Base teorica

Figura 2.7: Pestana terminal del X-CTU

Para realizar la configuracion a traves de ”Modem Configuration”se buscanlos nombres que se desean cambiar. Por ejemplo, si se quiere configurar el canalpor el cual los modulos XBee se van a conectar, tendrıamos que buscar CH -Channel y poner el canal 1112 descrito anteriormente y de igual manera contodos lo parametros a configurar. Para escribir en la memoria no volatil sepulsa el boton ”Write”. (Ruiz, 2012).

Figura 2.8: Pestana mode-configuration del X-CTU

2.3. Comunicacion por fibra optica 17

Xbee envıa y recibe datos

La informacion se puede transmitir de dos maneras, directa o indirecta.En el modo directo la informacion se envıa de inmediato a una direccion dedestino. En el modo indirecto, la informacion es retenida y es enviada solocuando la direccion de destino la solicita. Ademas es posible enviar informacionpor dos modos. El primero, la comunicacion es desde un punto a otro, y esel unico modo que permite respuesta de quien recibe el paquete RF, es decir,quien recibe debe enviar un ACK (nombre del paquete que indica el recibido dela informacion por parte de otro modulo, el usuario no puede verlo, es internode los modulos) a la direccion de origen. Quien envio el paquete, espera recibirun ACK, en caso de que no lo reciba, se reenviara el paquete hasta que seconfirme el envio del mensaje. En el segundo modo la comunicacion es entreun nodo y a todos los nodos de la red. En este modo, no hay confirmacion porACK.(Elahi et al., 2010).

Comunicacion punto a punto

Es la conexion ideal para reemplazar la comunicacion entre un emisor yun receptor realizada por medio de un cable (conexion inalambrica). Solo sedebe configurar la direccion de los modulos. Para ello se utilizan los comandosMY y el DL. La idea, es que se define una direccion para un modulo, usandoel comando MY, el cual se va a comunicar con otro que tiene la direccion DL,tambien definida arbitrariamente. Con esto cada modulo define su direccioncon MY, y escribe la direccion del modulo al cual se desea conectar usandoDL. De este modo, el modulo receptor del mensaje envıa un paquete ACK almodulo emisor que indica que el mensaje se recibio correctamente, como semenciono anteriormente. (Elahi et al., 2010).

2.3 Comunicacion por fibra optica

Los sistemas de comunicacion por fibra optica transfieren la informacionde forma digital. Los bits quedan representados por la presencia de luz o no (1o 0). La velocidad de trasmision de un sistema de comunicacion de este tipose especifica por la tasa de informacion transferida. (Capmany et al., 2000).

Segun Capmany en su trabajo, sistema de comunicacion de fibra optica dealta capacidad, se puede dividir el sistema de comunicaciones en tres etapas:

- La etapa trasmisora: en donde los bits modelados por una senal electricase transforman en una senal lumınica en un formato determinado. Este ultimopaso se le conoce como codificacion.

18 2 Base teorica

- Canal de comunicacion: el canal en este caso serıa la fibra optica que seencarga de pasar la informacion del emisor al receptor. El canal normalmentecorrompe la informacion mediante ruido y distorsiones, esto se intenta corre-gir mediante el uso de una buena codificacion que oponga resistencia a estosobstaculos de comunicacion.

-Receptor: Recibe la secuencias de luz o bits opticos y los trasforma a suanalogo electrico, proceso al que se le conoce como fotodeteccion. El procesopuede tener errores que se corrigen con ciertas tecnicas electronicas.

Entre las ventajas de trasmitir con fibra optica se puede ver que se tiene ungran ancho de banda, baja atenuacion de la informacion enviada, inmunidadelectromagnetica, seguridad y bajo peso.

Comunicacion en serial (RS-232)

Los puertos series fueron los primeros en servir como interfaz entre unartefacto para el intercambio de datos con el mundo exterior. El termino serialse debe a que la informacion se manda consecutivamente una tras otra (mismohilo), es decir, los bits se envıan uno tras de otro. No se necesita senal de relojpara este tipo de comunicacion, esta es asıncrona. Para poder distinguir loscaracteres de 8 bits se necesitan bits de control, estos consumen un porcentajealto de ancho de banda. (Benchimol, 2011)

Comunicacion en paralelo

La comunicacion en paralelo se trata del envio de la informacion por variosmedios (hilos), el transporte por dichos medios se da de manera simultanea.Este cuenta ademas con un hilo destinado a la comunicacion del reloj (clock)encargado de moderar el flujo de datos, inclusive se puede incluir una senalde direccionamiento de datos. (Benchimol, 2011).

Sistema UART

UART (Universal Asynchronous Recive/Transmiter) es un dispositivode un sistema de comunicacion serie. Su funcion principal es convertir datosseria a paralelo cuando se reciben datos y de paralelo a serie cuando es latransmision de estos.

El UART normalmente no genera ni recibe las senales externas entre losdiferentes modulos de algun sistema. Usualmente se usan dispositivos de in-terfaz aparte, para pasar las senales de nivel logico del UART hacia y desdeotros dispositivos que emitan senales externas. (Tomasi, 2003).

2.4. Funcionamiento y programacion de Arduino UNO 19

2.4 Funcionamiento y programacion de ArduinoUNO

Arduino es una plataforma de hardware libre, se pueden disenar diversosproyectos sin necesidad de haber adquirido antes alguna licencia. De ahı queexistan varias versiones de la tarjeta Arduino ya sean oficiales o no. (Evans,2007).

En sus inicios el Arduino fue creado con la intencion de que estudiantes yprofesores tuvieran al alcance una placa de bajo costo. (Lledo, 2012). Fue enel anos 2005 cuando empezo a comercializarse. En la actualidad cuenta condistintos tipos de placas como: Arduino UNO, Arduino Mega, Arduino Nano,Arduino BT, Arduino LilyPad, entre otros. La diferencia entre placas, radicaen los modulos extra incorporados, ası como la cantidad de entradas-salidas ycapacidad de memoria.

En este trabajo se menciono desde un inicio la utilizacion de la placaArduino UNO como elemento para realizar el proyecto por lo que se procedea analizarlo.

El Arduino UNO es el ultimo modelo disenado y distribuido por la co-munidad Arduino. Tiene un tamano 75x53 mm, trabaja un microcontroladorATmega328, tiene distintos estilos y su comunicacion con el exterior se da porpines tanto analogicos como digitales. (Evans, 2007).

Cuadro 2.2: Tabla de los componentes de Arduino UNO

Nombre Caracterıstica

Microcontrolador ATmega328Voltaje operativo 5VVoltaje de entrada(recomendado) 7-12VVoltaje de entrada (limites) 6-20VPines digitales E/S 14Pines de entrada analogica 6Corriente continua para pines E/S 40 mACorriente continua para pines de 3.3V 50 mAMemoria Flash 32 KB (ATmega328)SRAM 2 KB (ATmega328)EEPROM 1 KB (ATmega328)Velocidad del reloj 16 MHz

20 2 Base teorica

La ubicacion de los elementos se puede ver en la figura 2.9

Figura 2.9: Elementos de la placa Arduino (Lledo, 2012)

2.4. Funcionamiento y programacion de Arduino UNO 21

En la figura 2.9 se pueden ver elementos que componen esta placa. Lledoen su escrito sobre domotica y Arduino, menciona los elementos importantescomo:

• Referencia para pines analogicos (AREF): Es una tension para entradasanalogicas.

• Pines de tierra (GND): Es la tension de referencia de 0V.

• Pines digitales de entrada y salida:. Desde ellos podremos leer la in-formacion del sensor o activar el actuador. Hay 14 pines digitales quepueden utilizarse como entrada o salida. Ciertos pines son reservadospara ciertos usos, entre ellos es importante destacar los pines PWM, queson los pines: 3, 5, 6, 9, 10 y 11. Estos proporcionan una salida de 8 bitsen modo PWM.

• Conector USB: Se utiliza para conectar el Arduino a otros dispositivoscomo una computadora. La placa se puede alimentar con la tension de5V que le proporciona el bus serie USB. Cuando se cargue un programadesde el software de Arduino, el codigo entrara por esta conexion.

• Boton Reset: Este boton reinicia la ejecucion del codigo del microcon-trolador.

• Microcontrolador ATmega328: Es un elemento fundamental de la placade Arduino. En el se instalara y ejecutara el codigo deseado. Tiene unvoltaje de operacion de 5V. Se recomienda una entrada de 7-12V peroresiste hasta 20V. Contiene 14 pines digitales de entrada y salida, 6 pinesanalogicos como se menciono. Dispone de 32KB de memoria flash y unamemoria EEPROM de 1KB que puede ser leıda o escrita. Cuenta conun reloj de 16Mhz y 2KB de memoria RAM.

• Fuente de alimentacion externa: La alimentacion puede ser con un co-nector jack de 3.5mm que recibe un intervalo de voltaje entre 7 y 12V.

• Pin de reset: Se puede reiniciar el controlador de manera similar que conel boton de reset, suministrando 0V en este.

• Pin de 3.3V: Se pueden suministrar 3.3V y una corriente de 50mA comomaximo a cualquier dispositivo.

• Pin de 5V: Pin que cuenta con una tension de 5v.

• Pin de Vin: Se utiliza para conectar una fuente de alimentacion externasin necesidad de la conexion USB. Recibe entre 7 y 15 V.

22 2 Base teorica

• Pines analogicos: La placa cuenta con 6 pines de entrada analogicos.Tiene mayor precision que los digitales, aunque su uso necesita de maslogica.

La interaccion con la placa Arduino se hace por medio de un software, queusa un lenguaje que se basa en processing que es muy similar a Java, como loespecifica la pagina web de esta tarjeta.

Se utiliza un ambiente de desarrollo integrado IDE, que sirve para la crea-cion del codigo, ası como traducir dicho codigo en instrucciones que son com-patibles con el hardware de la placa Arduino. (Lledo, 2012).

Referirse a la programacion del Arduino conlleva a mucha informacionya que es un tema muy amplio. Entre lo principal que se puede mencionarreferente a la programacion es la estructura del codigo. La estructura basicadel lenguaje se compone de dos partes necesarias o funciones, estas encierranbloques de instrucciones, estos dos elementos son: void setup() y void loop().(Evans, 2007).

Steup es la parte encargada de recoger la configuracion, normalmente seespecifica que pines se tomaran como entrada o como salida.

Para poner un pin como salida por ejemplo, se escribirıa de la siguientemanera:

pinMode(pin,OUTPUT)

Se cambiarıa output por input para declararlo como entrada.

Loop es el lazo que contiene el programa, este se ejecuta de manera cıclica.Existen instrucciones sencillas y muy utiles para este proyecto y que estanespecificadas en muchos manuales como el escrito por Ruiz basado en ArduinoNotebook, entre ellas:

• digitalWrite(pin, HIGH): pone un 1 logico (5V) en un pin especificado,sustituyendo high por low se logra un 0 logico.

• digitalRead(pin): lee la senal de un pin especifico (declarado como digi-tal).

• analogWrite(pin, High): sirve para escribir un valor analogico, utilizandoel modelo de modulacion por ancho de pulso (PWM). El valor siempreesta entre 0 y 255.

• analogRead(pin): lee la senales al que esta conectado cierto pin para sermanipulada dicha informacion en el codigo. El rango de valores leıdosronda entre 0 y 1023.

2.5. Matlab Guide (GUI) 23

• delay(ms): detiene el programa por una cantidad de tiempo que se de-termina dentro de la funcion, este tiempo esta en milisegundos.

2.5 Matlab Guide (GUI)

Es un grupo de herramientas que se extiende por completo en el soporte deMATLAB, estas son las encargadas de crear GUIs (Graphical User Interfaces)Interfaces faciles y rapidas de hacer, esta herramienta ayuda en el diseno ypresentacion de los controles de la interfaz, reduciendo la complicidad. Unavez que los controles estan en posicion se editan las funciones de llamada(Callback), escribiendo el codigo de MATLAB que se ejecutara cuando elcontrol sea utilizado. (Attawa, 2013).

GUIDE esta disenado para hacer menos tedioso el proceso de aplicacion dela interfaz grafica, una de sus mejores herramientas es el editor de propiedades,cuando se fusiona con el panel de control, el editor de menu, y herramienta dealineacion, resulta una combinacion que brinda un buen control de los graficosen MATLAB.

Una forma facil de acceder al interfaz es colocando la indicacion GUIDE enla ventana de Matlab, despues se accede a la opcion de crear una interfaz nueva.Para desarrollar los de GUIs se parte de disenar los componentes (botones,menus entre otros) que lo formaran, despues se realiza la codificacion de larespuesta de cada uno de ellos ante la interaccion del usuario. (Smith, 2006).

Interfaz grafica

La interfaz cuenta con una serie de herramientas que facilitan el acomodode los objetos que se quieren colocar:

Figura 2.10: Herramienta de un GUI de Matlab

24 2 Base teorica

Ademas de esto se cuenta con los ıtems que se pueden agregar, estos secolocan a gusto en el cuadro de tamano variable que aparece a la hora de crearun archivo GUIDE nuevo.

Figura 2.11: Botones (ıtems) de un GUI de Matlab

Cuando se colocan estos botones se puede dar clic derecho sobre uno deellos y entrar a configurar lo que este debe de hacer o se puede ir al editorM-file, desde el menu de herramientas.

2.5. Matlab Guide (GUI) 25

Programacion interna

Para la programacion de un GUI solo se necesitan entender cinco comandospara poder describirlo: uimenu, uicontrol, get, set y axes. Pero aunque sonpocos comandos se complican debido a la gran variedad de formas que sepueden utilizar. (Smith, 2006).

Cada vez, que se coloca un boton o algun ıtem, se crea en el archivo .masociado, con un codigo relacionado con este. Es ahı en donde se manipula(agrega) el codigo para lograr que el boton ejecute las indicaciones deseadas.

Los valores de las propiedades de los elementos (color, valor, string) y losvalores de las variables transitorias del programa se almacenan todos en unaestructura, los cuales son accedidos mediante un unico y mismo identificadorpara cada uno.(Smith, 2006). Este serıa:

handles.output = hObject; como ejemplo.

Handles es el identificador. Esta definicion de identificador es guardadacon la siguiente instruccion:

guidata(hObject, handles);

o sea guidata, es la sentencia para salvar los datos de la aplicacion.

Es importante tomar en cuenta que guidata es una funcion que guarda lasvariables y propiedades de los elementos en la estructura de datos, por estarazon es que en cada subrutina se debe escribir en la ultima lınea lo siguiente:

guidata(hObject,handles);

ası cualquier cambio quedara almacenado para la proxima manipulacion.

Si en algun momento de la programacion, una operacion dio como resul-tado una variable, para poder utilizarla posteriormente se debe salvar de lasiguiente manera:

handles.variable=variable;guidata(hObject,handles).

La primera lınea crea la variable en la estructura de datos de la aplicacionsenalada por handles y posteriormente guidata graba el valor como se dijoanteriormente.

Otras indicaciones importantes son la sentencias get y set . La asignacionde valores de los componentes se realiza mediante dichas sentencias. Si se quie-

26 2 Base teorica

re que una variable ”X.obtenga el valor de un boton se escribe:

X= get(handles.boton,’Value’);

Para devolver el valor de la variable ”X.a una ventana de statictext etique-tada (o llamada) como text1 se escribe:

set(handles.text1, ’String’ ,X)

Crear acceso directo a Guide

Se puede hacer un acceso directo (.exe) a una funcion de Matlab en unarchivo .m o a un GUIDE (compuesto por un archivo .m y un .fig) con unacceso directo; ya no serıa necesario utilizar Matlab para abrir la Interfaz,siendo capaz de instalarse en cualquier computadora sin dicho programa.

Para lograr un .exe de un GUIDE se debe hacer lo siguiente segun la paginaweb de Matalb:

Escribir en la lınea de comandos la palabra deploytool, que sera la ventanaencargada de crear ejecutables.

Crear en la barra de herramientas un nuevo proyecto, el nombre que seescriba sera posteriormente el nombre del ejecutable. Se marca la opcion pordefecto standalone aplication.

Nuevamente en la ventana inicial donde aparecen tres carpetas, se selec-ciona main fuction y se agrega el archivo .m

En la carpeta other file se agrega el archivo .fig, que es informacion im-portante de la parte grafica del GUI necesaria para la creacion del ejecutable.De haber algun otro archivo como imagen, audio etc. Tambien se colocara enesta carpeta.Cuando los archivos esten agregados, se entra a la opcion package y se escogea la derecha la opcion add MCR. Se abrira una ventana, en esta se elige embedthe MCR in the package.

Volviendo otra vez a la ventana inicial, se preciona build the proyect yempieza el proceso de creacion del .exe

Despues de varios minutos se crean dos carpetas, ambas contiene el .exe,dicho ejecutable solo se puede correr cuando se este instalado el MCR (en unamaquina sin Matlab). Una vez instalado el MCR (que se crea en la mismacarpeta junto al ejecutable) ya se puede correr el .exe

2.6. GUI Matlab y Arduino 27

2.6 GUI Matlab y Arduino

Para usar Matlab o el GUIDE de Matlab en Arduino se tiene que seguiruna serie de pasos:

Descargar los archivos brindados en la pagina oficial de Matlab. Entre ellosla capeta arduinoIO.

Inicializar la consola de programacion Arduino y conectar el Arduino a lacomputadora por el puerto USB. Se revisa el puerto (COM) al que se conecto.Desde la consola se busca la capeta arduinoIO, estando ahı se busca dentrola carpeta pde el archivo (sketch) que se necesite, ya sea para un motor opara ciertos casos especıficos (el Sketch mas comun se encuentra en la carpetaadio), se escoge el que mas util sea para la aplicacion deseada, se le da abriry finalmente cargar.

Se colocan las carpetas descargadas dentro de la carpeta de archivos deMatlab. Despues se abre Matlab como administrador y se instala arduinoescribiendo en la ventana de comandos install arduino.

Ya con esto, Matlab, ya sea con comandos simples o usando el GUIDE sepuede comunicar con Arduino. Sea cualquiera de las formas en que se utiliceMatlab para mandar indicaciones al Arduino, hace falta mencionar unas lıneasde codigo, de las que existe poca informacion pero son muy utiles.

Para desconectar los puertos y asegurar que no exista un conflicto poste-rior con el puerto USB(que es un error que aparece con frecuencia) se tiene:

delete(instrfind(’Port’,’COM13’));

Para guardar las senales obtenidas en el puerto USB en una variable setiene:

a = arduino(’COM13’);

Para nombras a los pines como entradas o salidas respectivamente desdeel GUIDE:

a.pinMode(3,’input’);

a.pinMode(7,’output’);

El proceso de guardado de la variable se hace normalmente:handles.a= a;guidata(hObject, handles);

3 Diseno

Para el sistema de control del semaforo se manejan ciertas etapas que debenestar conectadas de forma sincronizada para efectuar la labor de control, elesquema de conexion, en donde se muestra la comunicacion que debe existirentre las etapas se ve en la figura 3.1.

Figura 3.1: Diseno del control del semaforo

3.1 Comunicacion del semaforo al centro decontrol por fibra optica.

Acople del Arduino con fibra optica (Del USB a fibra optica)

Para la comunicacion por medio de fibra optica se necesita un receptor yun trasmisor, este debe contar con la capacidad necesaria para enviar datosa larga distancia. La empresa Extron Electronics cuenta entre sus productoscon el extensor USB Fox, el trasmisor ofrece una comunicacion ininterrumpidaentre el equipo y los puertos USB, las senales son compatibles con USB 2.0,1.1 y 1.0. Las velocidades de trasmision de datos estan en el rango de 1.5 Mbpshasta 480 Mbps.

La trasmision de los datos se puede dar multimodo (MM) y monomodo(SM); para este trabajo es escoge monomodo, debido a que se puede enviarinformacion a larga distancia hasta el centro de control. El SM alcanza hasta30 Km. Se alimenta de corriente alterna.

29

30 3 Diseno

Figura 3.2: Emisor-receptor USB Fox (Digi, 2013)

Si por alguna razon los 30 Km no son suficientes, se recomienda usar unamplificador de senal optica, igual o similar al FX-311P de Panasonic. Se usarafibra optica Coil 9/125 tipo GYSTA de uso monomodo, esta fibra es versatil ypuede ir enterrada o a la interperie. Cuenta con proteccion contra humedad yrayos UV. Tiene un diametro de 3 mm y el revestimiento es 9/125 um. Cuentacon cubierta de mylar, fundada PALP (Polietileno Polietileno de aluminio) yla vaina externa protectora.

Acople del Arduino con fibra optica (Del USB al Arduino)

El Arduino tiene destinada la conexion del USB no solamente al intercambiode datos con un computador sino que tambien toma la energıa del puerto paramantenerse encendido. El sistema de alimentacion funciona alternadamente,es decir que si se quiere alimentar el Arduino por la entrada Vin, el compa-rador interno desconecta la conexion USB para proteger al microcontrolador,inhabilitandolo para la comunicacion por fibra optica. Entonces la comunica-cion por fibra optica se debera realizar por la otra opcion de comunicacionque tiene la tarjeta Arduino, que es la conexion UART.

El modulo FOCA convertidor permite usar el circuito integrado FT232RL,que es un convertidor USB a UART.

Este convertidor es de gran ayuda para poder conectar microcontroladoressin el hardware necesario para usar el protocolo USB. Genera un puerto virtualserial conocido como SSP, lo que indica que se puede usar con muchos softwareque usan el puerto serial normal.

La tarjeta usa un solo chip para hacer la transmision serial de datos. Todoel protocolo USB se maneja con el CHIP mencionado. Solo requiere una fuentede alimentacion de 5V, admite tambien voltaje 3.3V.

3.1. Comunicacion del semaforo al centro de control por fibra optica. 31

Figura 3.3: Convertidor Foca de USB a UART (Digi, 2013 )

Interfaz de control

Al contar con una comunicacion con fibra optica se hace necesario eluso de una interfaz grafica amigable, donde se puede manipular las luces delsemaforo de la manera mas sencilla posible. Se utilizo Matlab, especıficamentela herramienta GUI para el diseno y programacion de dicha interfaz, el disenose ve en la figura 3.4.

Figura 3.4: Diseno de control por computadora del semaforo

32 3 Diseno

La interfaz cuenta con boton cambio entre paso y alto con su respectivoindicador de estado en la parte de a lado y con el color asociado, el boton desistema de comunicacion inalambrica conecta y desconecta el comunicacioncon el tren, ya sea, para pasar (verde) o detenerse (rojo). Adicionalmente setiene 3 botones.Acerca de: Brinda informacion sobre el programa.Ayuda: El boton ayuda explica brevemente el funcionamiento de la interfaz.Cerrar: Al presionar el boton cerrar se abre un ventanilla, en donde se realizala pregunta, ”¿Desea salir del programa?”, brindando las opciones de si y no.Los mensajes desplegados por estos botones se puede ver en la figura 3.5.

Figura 3.5: mensajes despegables de la interfaz de control

3.2 Comunicacion del tren al semaforoinalambricamente.

Se escoge utilizar un sistema inalambrico con la tecnologıa Xbee Proserie 2 de largo alcance (1.6 km), que trasmite ondas de radio frecuencia a 2.4

3.2. Comunicacion del tren al semaforo inalambricamente. 33

GHz. Para la eleccion de este modulo de comunicacion inalambrica se tomoen cuenta: Bajo consumo de energıa, pueden durar largos periodos usandosimplemente dos baterıas. La distancia de alcance es lo suficiente para poderactivar el semaforo con anterioridad. La seguridad de comunicacion es buenay ante inferencias este repite el envio de la senal automaticamente hasta quese entrelace la comunicacion.

Configuracion de Xbee

Para lograr que los dispositivos Xbee, tanto el emisor como receptor, secomuniquen se configuran los parametros al interno de cada uno de ellos, losparametros que se pueden ver en la tabla 3.1 son los introducidos en cadamodulo por medio del Xbee Explorer.

Cuadro 3.1: Parametros Basicos para lo Xbee

Xbee emisor Xbee receptor

PAN ID 9010 9010DH 0 0DL 1 0MY 0 1

Para ingresar estos parametros se utiliza el programa X-CTU, se colocacomo numero de red de area personal 9010. En el emisor se coloca la parte altade la direccion de destino (DH) a 0 y en la parte baja (DL) a 1 para formarel codigo 01 que serıa la direccion origen del Xbee receptor MY=1, en el casodel receptor se coloca en la parte alta y baja un 0 formando el codigo 00 quecoincide con la direccion MY=0.

Programacion de emisor

Para programar el emisor se necesitan una serie de parametros que semuestran a continuacion:

34 3 Diseno

Cuadro 3.2: Parametros para programar el Xbee emisor

Funcion Comando Parametro

Reset ATRE N/APAN ID ATID 9010Direccion propia MY ATMY 0Parte alta de la direccion de destino ATDH 0Parte baja de la direccion de destino ATDL 1Pin 0 para entrada digital ATD0 3Velocidad de transmision ATIR 14Resistores pull-up ATPR 10Grabar ATWR N/A

Habiendo realizado la configuracion del modulo y teniendo en cuenta losparametros anteriores se escribe en el software que comunica al dispositivo conla salida USB, el siguiente codigo de programacion:

+++OKATREOKATID 9010OKATMY 0OKATDH 0OKATDL 1OKATD0 3OKATIR 14OKATPR 0OKATID9010ATMY0

3.2. Comunicacion del tren al semaforo inalambricamente. 35

ATDH0ATDL1ATD03ATIR14ATPR0ATWROK

Programacion de receptor

Los parametros necesarios para la programacion del receptor se muestran enla siguiente tabla.

Cuadro 3.3: Parametros para programar el Xbee receptor

Funcion Comando Parametro

Reset ATRE N/APAN ID ATID 9010Direccion propia MY ATMY 0Pin 0 para entrada digital ATD0 5Direccion senal recibida ATIA 14Grabar ATWR N/A

En el software que comunica con el dispositivo se escribe lo siguiente:+++OKATREOKATID 9010OKATMY 1OKATD0 5OK

36 3 Diseno

ATIA 0OKATID9010ATMY1ATD05ATIA0ATWROK

De esta manera los Xbee se comunicaran cuando el emisor sienta una senalen alto (3.3 V) en el pin 0, enviando al receptor la indicacion de poner si pin0 en alto. Dicha senal se controlara por medio de un boton en el emisor.

Cuando el receptor ponga su pin 0 en alto, este pin conectado en la entradaanaloga A3 de Arduino inicialmente declarada como una entrada, enviara lasenal al Arduino por dicha entrada y tomara decisiones con respecto a estocomo se vera en las proximas secciones en el diagrama de programacion. (Elcodigo de programacion para la comunicacion inalambrica se puede ver en losanexos).

Como se menciono el emisor tiene que enviar una senal que es activadamediante un boton, o sea el maquinista del tren tiene que estar atento parapresionar el boton.

Variante en la comunicacion inalambrica

Una opcion es que el Xbee emisor y receptor se comuniquen por si solos ytomen la decision de activar las senales correspondientes cuando la distanciaentre ellos sea la requerida. Para eso se tiene que utilizar el Pin 6 del Xbee, en-cargado de recibir la senal RSSI (indicador de fuerza de la senal) y comunicarloal Arduino, en donde es correra un sktech para efectuar la comunicacion.

De esta manera el semafora cambiara por si solo si el tren esta a ciertadistancia.

La programacion del Xbee sera igual que al expuesta anteriormente, peroel pin 0 no tiene que ser configurado.

A continuacion se puede ver parte del codigo necesario para que se active elsemaforo sin necesidad de que el maquinista del tren tenga que realizar el enviode la senal, el codigo se completa como dice la figura 3.6 en sus comentarios.

3.3. Sistema de iluminacion led para el semaforo 37

Figura 3.6: Codigo para medicion de intensidad de la senal inalambrica

3.3 Sistema de iluminacion led para el semaforo

Entre los aspectos para el diseno de los focos del semaforo estan: unbajo consumo energetico, larga vida util, poco mantenimiento, no tener lanecesidad de incorporar elementos reflectantes para mejorar la iluminacion yentre lo mas importante mejor visibilidad ante la presencia de luz solar. De ahıque se utilicen los conocidos leds que tienen las caracterısticas necesarias paracumplir con lo requerido, principalmente por contar con un alto contrastecuando esta sometido al reflejo de la luz solar. Para esto se usan leds tipopirana modelo MCDL-1860XX, los leds escogidos se ven en la tabla 3.4.

Cuadro 3.4: Especificaciones de los leds

Codigo Color Longitud de onda Vf Angulo MCD a If=40 ma

Reset Rojo 626 nm 2 75 2800 a 3200PAN ID Verde 525 nm 3.5 75 2800 a 3200

Estos poseen un buen angulo de dispersion de la luz y tiene un nivel deiluminacion en milicandelas maximo y mınimo aceptables. Al conectar ledsen serie se tiene el problema al alimentar el led mas lejano a la fuente dealimentacion, ocasionado que este no funcione de manera adecuada. En estecaso se propone no poner mas de 3 diodos en serie para evitar esta situacion,

38 3 Diseno

ademas si uno de estos grupos de leds se danan los demas pueden seguirfuncionando sin ningun problema.

En el caso de la conexion en paralelo es similar, si uno leds esta muy lejosde la fuente, el voltaje es menor debido a la caıda de tension por la resistenciadel cable que los conecta y el led no encendera. Si se sube la alimentacion paracorregir el problema podrıa quemar el led mas cercano a la fuente, para estose propone que la alimentacion se de por conexiones de cables simetricos.

Cada grupo de leds en serie contara con una resistencia limitadora decorriente, aunque se recomienda por muchas fuentes como Energy Market cal-cular esta resistencia usando el 80 % de la corriente maxima permitida paraalargar la vida de los leds, en este caso se usa un 90 % de la corriente como fac-tor de seguridad para los diodos para no comprometer mucho su luminosidad.Entonces para el foco de leds rojos se tendra:

R1 =vcc −Nvf

If=

12 − 3 · 2

0,9 · 40x10−3= 166,7Ω (3.1)

Para el foco de leds verdes

R2 =vcc −Nvf

If=

12 − 3 · 3,5

0,9 · 40x10−3= 41,67Ω (3.2)

Asignando valores comerciales R1 = 180Ω R2 = 47ΩLa conexion propuesta anteriormente se puede ver en las figuras 3.7 y 3.8.Para luz roja:

Figura 3.7: Topologıa led para semaforo, luz roja

3.4. Sistema de alarma 39

Para luz verde:

Figura 3.8: Topologıa led para semaforo, luz verde

Ası con estas resistencias reales se puede estimar la corriente total quedemanda la parte de iluminacion del semaforo. Cuando este encendida la senalroja el semaforo demandara 467 mA, en el caso de la luz verde la demandasera de 447 mA. Ambos focos no deberıan estar encendidos simultaneamente.

El sistema se controla mediante el Arduino habilitando y deshabilitando sualimentacion por medio de un transistor MOSFET canal N, especıficamenteel MTP3055VL, que su caracterıstica principal y por la que fue escogido es surapida respuesta, que esta en el orden de nanosegundos.

3.4 Sistema de alarma

Bocina

Se utiliza una sirena de plastico TRS-525PN que cuenta con 105 decibeliosque es mayor a la cantidad de sonido que se produce por el trafico en unaciudad, segun la tabla 2.1. Este parlante es de bajo consumo, maximo 15 W.

Al igual que en la seccion de iluminacion se utiliza el transitor MTP3055vl.

40 3 Diseno

Figura 3.9: Topologıa para el sistema de alarma

3.5 Sistema de alimentacion

Alimentacion Principal

La alimentacion tiene que ser capaz de suplir la corriente suficiente alas etapas que lo demanden, por lo que existe la necesidad de colocar unafuente conmutada. Las etapas que necesitan estar conectadas a esta son lailuminacion, el sistema de control y el sistema de alarma, a sabiendas que eluno de los elementos del sistema de comunicacion inalambrica se alimentaradirectamente del sistema de control y el otro por medio del tren.

El sistema de iluminacion normalmente solo tendrıa uno de los focos en-cendidos. El foco que mas consume es el rojo, este consumo se acerca a casi470 mA. La corriente maxima que puede consumir el elemento de control(Arduino) no supera los 500 mA pero depende de las patillas que ese esteutilizando. En el peor caso (luz roja) al Arduino se le demandaran 80 mAde los pines digitales para habilitar los transistores de luz y bocina, 40 mAde la lectura de control de la senal inalambrica y 50 mA del patilla de 3.3 Vque alimenta el receptor inalambrico. El sistema de audio consume 15W a 12V como maximo, por lo que consume aproximadamente 1250 mA, esto conlos datos del catalogo, ya que en la pagina de internet de Steren habla de unconsumo de corriente de 600 mA a 15 V.

Los calculos indican que se necesita una fuente capaz de dar 1425 mA omas. Se escoge una fuente conmutada marca n.a (nipponamerica) que permiteuna alimentacion de entrada de 100/120 V o 200/240 V AC, una salida enDC entre 3 y 15V ajustable. Tambien cuenta con una capacidad de entregade corriente de hasta 2000 mA, suficiente margen extra de corriente por si el

3.5. Sistema de alimentacion 41

consumo de alguno de los elementos se estimo erroneamente.

Alimentacion Secundaria

La alimentacion secundaria se utiliza cuando la alimentacion principal hadejado de funcionar. Anteriormente se estimo el valor mas exacto posible deconsumo del sistema que fue de 1425 mA. Para este sistema de respaldo seusan las baterıas de NiMH de alta calidad como las Powerex AA, son pilasde alto rendimiento ideales cuando se exige una gran capacidad de carga ydescarga. Sus caracterısticas principales son su capacidad que ronda entre 2500mAh y 2700 mAh, brindan un voltaje de 1,2 V cada una. Algunas ventajasde la baterıa NiMH son la ausencia casi total del efecto memoria, ademases compatible con los cargadores rapidos y ultra-rapidos que normalmentedanan las baterıas de un menor rendimiento. La escogencia de la baterıa se diodespues de tomar en cuenta otras tecnologıas como NiCd y LiOn. Las baterıasLiOn son de un manejo cuidadoso debido a que se degradan de manera rapida(vida util corta). Tienen un numero limitado de cargas y descargas, ademas sonsensibles a elevadas temperaturas hasta el punto de poder explotar y a bajastemperaturas pueden disminuir mucho su eficiencia, por lo que se descarto suuso.

Las baterıas de NiCd tienen el problema de tener un efecto de memo-ria considerable que reduce la capacidad de las baterıas cuando hay cargasincompletas. Ante una interrupcion de la alimentacion principal no se va atener control de la descarga de la baterıa y esta no necesariamente llegara adescargarse por completo, dando la posibilidad de que se presente el efecto dememoria.

Para lograr la alimentacion necesaria se colocaron 13 pilas de NiMH enserie para lograr 15.6 V de alimentacion, para mantener el voltaje lo masconstante posible se adiciono un regulador LM7812. Es por este regulador queel voltaje total de las baterıas es de 13,6 V ya que hay que tomar en cuentala caıda de tension producida por el voltaje de Drop Out del transitar internodel regulador. En los reguladores LM7812 la caıda es de 2 V segun su hojade fabricante, tambien el fabricante recomienda una tension de entrada entre14.5 V a 27 V. Para garantizar que el regulador no se caliente. Se colocanla cantidad de pilas suficientes para estar lo mas cercano posible del valor devoltaje mınimo (14.5 V) pero sin ser nunca menor a este.

La duracion de la baterıa dependera de la cantidad de trenes que pasen.Si se supone que no pasa ningun tren y que el sistema solo funciona en luzverde, se tiene:

T =2,7mAh

0,6A· 1h = 4,5h (3.3)

42 3 Diseno

Si se diera el caso en que pasaran 4 trenes y cada uno durase 2 minutos pa-sando.

8min = 0,13h (3.4)

En esos 8 min se consume:

C =1,425A

1h· 0,13h = 0,19A (3.5)

Entonces el tiempo de duracion del respaldo sera:

T =2,7mAh

0,6A + 0,19A· 1h = 3,41h (3.6)

Para mantener la baterıa en su carga maxima se utiliza el chip LTC 4010,disenado para seleccionar la cantidad de carga adecuada para las baterıassegun la energıa almacenada en estas, manteniendo un continuo monitoreopara mantener el voltaje de salida deseado.

Figura 3.10: Cargador de baterıas (Prat, 2009)

Seleccion automatica de alimentacion

La alimentacion del proyecto tiene que estar conectado de tal manera quecuando exista ausencia de electricidad, cambie automaticamente al sistema derespaldo por baterıa, para eso se utiliza un transistor Mosfet de canal tipo P,conectado como se ve en la figura 3.11.

Cuando la fuente conmutada que se alimenta de la red electrica se quedasin electricidad, el voltaje en la base del transistor PMOS queda en cero acti-vando el canal entre source y drain. Esto causa que el voltaje proveniente de las

3.6. Sistema de control 43

Figura 3.11: Sistema de doble redundancia de alimentacion

baterıas lleguen hasta la salida, representada en la figura como VF1. Adicio-nalmente se coloca un diodo para proteger internamente la fuente conmutada,ya que cuando esta ha dejado de funcionar por alguna la razon, la corrien-te de las baterıas podrıa irse a la fuente teniendo la posibilidad de danarlainternamente. El diodo no deja que la corriente circule hacia la fuente.

3.6 Sistema de control

El Arduino coordinara el funcionamiento del sistema, o sea sera el cerebroencargado de tomar las decisiones. La programacion se hace en dos capas,esto debido a que se utilizo una interfaz grafica basada en Matlab (GUI).Esta a su vez necesitaba un codigo especial .pde que se carga en la consola deprogramacion del Arduino.

La programacion del GUI funciona muy bien con los elementos (botones)de la interfaz, pero a la hora de recibir una senal externa (como la senalinalambrica de los Xbee) no podra procesarla a menos que se mantenga pre-sionado continuamente un boton relacionado a la parte inalambrica. Se decidemodificar el Archivo .pde agregandole lıneas de codigo encargadas de per-mitir al Arduino controlar la interfaz grafica y la senal proveniente de Xbeesimultaneamente.

Los pines controlados con el Arduino se asocian de la siguiente manera:

Pin A3: Lectura analoga de la senal proveniente de la patilla 6 del Xbee,que se activa al ser activado el Xbee emisor colocado en el tren.

Pin 7: Pin encargado del sistema de iluminacion color verde del semaforo.

44 3 Diseno

Pin 8: Pin encargado del sistema de iluminacion color roja del semaforo.

Pin9: Senal PWM encargada de la activacion del audio cuando se activael pin 7 o cuando se le ordene en el sistema de control manual.

Pin 12: desconecta la toma de datos del pin A3, inhabilitando la comuni-cacion inalambrica.

Para tener una idea clara de como se distribuyen las acciones del sistemadisenado, se realiza un diagrama que indica las decisiones que tiene que tomarel sistema.

Figura 3.12: Diagrama tipo ASM

3.6. Sistema de control 45

Cuadro 3.5: Parametros para diagrama ASM

Nombre Descripcion

Senal A Senal de la interfazSenal B Senal del modulo Xbee (receptor)BCI Boton control inalambricoBCL Boton control de lucesBCA Boton control de audioL-V Luz verdeL-R Luz rojaS-A Senal audioS-I Senal inalambrica

Los cuadros del diagrama tienen varios nombres para facilitar su manejo.Para su buen entendimiento se describen algunos de ellos en la siguiente tabla3.5; los faltantes se analizaran seguidamente.

Inicialmente el sistema carga los valores en los cuales el semaforo tiene queestar mas tiempo, por lo que L-V se activa, y L-R y S-A quedan apagadas, oque es lo mismo, las luz verde encendida y la luz roja junto a la senal de audioquedan apagadas. La senal inalambrica tambien inicia activada. La variable”empieza” pasa de 1 a 2, de esta manera nunca mas se cargaran los valoresiniciales una vez ya iniciado el sistema.

Posteriormente el sistema espera a senal A o la senal B en un estadollamado ”estado − en − espera”. Si la senal es la A, se atiende a la interfazgrafica. La interfaz esta compuesta por BCI, BCL y BCA principalmente.BCI es un boton asociado al pin 12, cuya labor es activar o desactivar el Xbeereceptor de la senal por medio de un transitor, inhabilitando o habilitandola comunicacion inalambrica. BCL esta asociado a los pines 7, 8 y 9, siendoel encargado de cambiar es estado del semaforo de verde a rojo y viceversa,haciendo notar el cada vez que este en rojo tambien esta activa la senal audible.Si por alguna razon se quiere quitar el audio individualmente se utiliza elboton BCA. Todo lo anterior se activa como se dijo mediante botones que unavez presionados generan una senal en alto que se mantendra hasta volversepresionar el boton.

Si la senal es B, indica que se trabaja con una senal inalambrica, el con-trolador toma el valor de la patilla del Xbee receptor. La senal es analoga ysi el valor es superior a 210 (1 V), se toma como una senal de activacion y serevisa la variable estado. Si el estado es 0, significa que L-V tiene que activar-se y L-R junto a S-A tienen que desactivarse. Si se a activado ese estado se

46 3 Diseno

iguala a 1 y la senal da un intervalo de 6 segundos y evita que se envie la senaldos veces y causen un accidente, ya que ocurrirıa dos cambios de estado muyseguidos. Cuando el estado es 1, L-R y S-A se activan para el cruce del tren yL-V se desactiva y el estado se coloca 0. Este tiene igualmente un retardo deseguridad de 6 segundos y retorna a esperar una nueva senal.

4 Pruebas, Analisis y construccionde la maqueta

Despues del diseno, se realizo la construccion de una maqueta de un sistemade senalizacion ferroviario, incluyendo el semaforo con sus sistema de controly la mayorıa de elementos extras (no todos) descritos en el capıtulo anterior.

La realizacion de la maqueta cuenta con los principios de construccion quefueron mencionados en el capıtulo de diseno, aunque la cantidad de elementosy el tamano se toman acorde con el tamanos de esta.

4.1 Iluminacion led

En la iluminacion led se tomo en cuenta el tamano de la maqueta, de estamanera se realizo un sistema de 2 leds en serie junto a otros 2 leds en serie,estas parejas a su vez esta conectadas entre ellas en paralelo, ası en caso defalla solo saldrıa de operacion una de las filas, como se establecio en el diseno,solamente que el diseno contemplaba una cantidad mayor de filas y leds enserie, para acercarse, a la realizacion real del semaforo.

Este sistema como se vio en el diseno, se alimenta de una fuente de 12 V.La resistencia que se coloca es de 1KΩ, para regular la corriente en los leds,la diferencia de la resistencia con el diseno original se debe exclusivamentea la cantidad de leds que se colocan. El transistor que se utiliza es el mismoespecificado en el capıtulo anterior (controlado por el Arduino), ya que, a pesarde ser un transistor de potencia, puede manejar corrientes bajas.

Por lo que la adaptacion a la maqueta quedo:

47

48 4 Pruebas, Analisis y construccion de la maqueta

Figura 4.1: Iluminacion led para la maqueta

4.2 Bocina

Para la bocina no se utilizo la sirena de plastico TRS-525PN, debido asu gran tamano y fuerte sonido. En sustitucion se utiliza un buzzer DC, quetrabaja a 12 V, se utiliza el mismo transistor y resistor, mencionados en eldiseno.

Figura 4.2: Sistema sonoro para la maqueta

4.3 Comunicacion por fibra optica

El sistema de comunicacion por fibra optica fue el que se alejo mas dela realidad a la hora de implementarlo, debido al alto costo que presentanalgunos de los equipos que conforman su diseno.

Aun ası, para implementar la comunicacion con dispositivos (computado-ras) y realizar la maqueta, se simulo la comunicacion por fibra optica con

4.3. Comunicacion por fibra optica 49

el cable USB, recordando que en la implementacion real la alimentacion yla comunicacion USB con Arduino no son compatibles como se explico en eldiseno.

La razon principal por la cual la fibra optica es tomada en cuenta para estetrabajo es la capacidad de comunicacion a larga distancia, ya que el controlse darıa desde un centro de mando alejado mediante el envıo de senales pormedio de una interfaz grafica.

Interfaz de control

Se realizo una interfaz que es capaz de cambiar el estado del semaforo alarga distancia, ademas de poder interrumpir por separado el aviso audible yde interrumpir la comunicacion inalambrica.

En la siguiente figura se muestra como quedo finalmente la interfaz.

Figura 4.3: Interfaz de control terminada

Esta interfaz sera la manera mediante la cual una central de control podratomar el mando del semaforo.

A continuacion se observa la interfaz en operacion

50 4 Pruebas, Analisis y construccion de la maqueta

Figura 4.4: Interfaz de control en operacion, color rojo

Figura 4.5: Interfaz de control en operacion, color verde

4.4 Comunicacion inalambrica

Anteriormente se mostraron dos maneras por lo cuales se puede realizar lacomunicacion inalambrica con los modulos Xbee. Mediante un boton se emiteun pulso en el emisor que es reflejado en el modulo receptor y posteriormentela senal es interpretada por el Arduino, esa es la primera opcion. La segundaforma es mediante el pin 6, este pin varia su voltaje segun sea la potencia dela senal de otro Xbee que se encuentre cerca.

Al construir la maqueta queda mas comodo que la senal del Xbee seaenviada mediante un boton, ya que segun las proporciones de esta, quedacomplicado alejar y acercar los Xbee y diferenciar el cambio de voltaje del pinasociado a la potencia de la senal.

4.4. Comunicacion inalambrica 51

Figura 4.6: Xbee cambio a verde mediante boton

Figura 4.7: Xbee cambio a rojo mediante boton

La activacion del semaforo remotamente mediante un boton, requiere co-nocer una distancia y tiempo determinado para la activacion del pulso. Estepulso depende de la velocidad. Actualmente la autoridades hablan de una ve-

locidad promedio de apenas 30km

h, una velocidad algo baja. Si todos lo cruces

tuvieran los semaforos correspondiente las velocidades pueden ser superiores.

A continuacion se presentan 4 graficas en las que se muestran, segun unavelocidad constante, el tiempo y la distancia a la que se debe enviar el pulso,se toman tiempos de 8 a 14 segundos; estimando un tiempo de espera que no

52 4 Pruebas, Analisis y construccion de la maqueta

se muy amplio para los vehıculos en el cruce.

Figura 4.8: Relacion distancia-tiempo a velocidades constantes

4.5 Sistema de alimentacion de doble redundancia

El sistama de doble redundancia se implementa como se realizo en el diseno.El transistor NTE2371 es el encargado de detectar la ausencia de alimentacionde la fuente conmutada. A continuacion se muestra el sistema funcionandoprimero con la alimentacion desde la fuente conmutada, y posteriormente sedeconecta esta alimentacion y el sistema queda funcionando con la baterias.En las figuras 4.9 y 4.10 se observa que sin importar cual sea la alimentacionla luz verde se mantiene encendida.

4.5. Sistema de alimentacion de doble redundancia 53

Figura 4.9: Respaldo funcionando sin baterıa

Figura 4.10: Respaldo funcionando con baterıa

54 4 Pruebas, Analisis y construccion de la maqueta

4.6 Maqueta

Finalmente la maqueta queda como se muestra a continuacion.

Figura 4.11: Maqueta concluida

Figura 4.12: Maqueta concluida

5 Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones

• El sistema de control de un sistema de senalizacion vial para crucesferroviarios desarrollado en este trabajo, es una alternativa interesantepara disminuir los accidentes, que comunmente suceden entre trenes yautomoviles en Costa Rica.

• EL Arduino es un sistema muy flexible que proporciona una gran can-tidad de opciones para control de sistemas. Brinda opciones de comuni-cacion tan diversas que se pudo realizar simultaneamente el control delsemaforo por interfaz grafica y los modulos Xbee.

• El protocolo de comunicacion inalambrica Zigbee fue una opcion quemostro ser un instrumento valioso para la realizacion de este proyecto,contando como una cantidad de variantes con sus modulos Xbee, quepermiten la comprobacion y envio seguro de una senal; ademas de unalcance propicio y un consumo energetico sumamente bajo.

• Matlab proporciona una herramienta muy util llamada GUIDE, que per-mite crear interfaces graficas de manera rapida y que son facil de editar,asociando la utilizacion del codigo que normalmente se utiliza en el usodel programa, con los botones creados en la interfaz.

• La interfaz grafica disenada en este trabajo permite un control inde-pendiente de cada una de las etapas del semaforo, facilitando desde uncentro de mando la manipulacion de variables como iluminacion, sonidoy control inalambrico.

• Se mostro como realizar una implementacion sencilla de un sistema re-dundante de alimentacion electrica, con un sistema de respaldo de hasta4 horas sin entrar en sistemas complejos que consumen gran cantidad deenergıa.

• Se realizo un sistema de iluminacion LED que evita los efectos del reflejodel sol, ademas el sistema se desarrollo de tal manera que un dano enun foco no causa gran problema en el semaforo.

• La alarma sonora en un semaforo es importante, ya sea por distraccionvisual o por incapacidad, que no permita la visualizacion de la senal

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56 5 Conclusiones y recomendaciones

lumınica; en el proyecto se maneja un sistema que permite percibir lasenal a pesar de alto ruido en el ambiente, ası como una implementacionequivalente para la maqueta.

Recomendaciones

• A pesar de que se da una opcion secundaria para la comunicacion inalam-brica, en la cual se activa sin presionar ningun boton el semaforo esta nose probo. Por esta razon, serıa recomendable hacer la prueba y analizarsi el control de la senal del tren se controla por medio de UART o delectura analoga del modulo Xbee en su patilla RSSI.

• Aunque se hizo un breve analisis de la velocidad de los trenes. Al haberpoca informacion sobre la velocidad que se mueven estos, serıa buenorealizar un estudio en donde se puedan tener datos claros, con esos datosse puede estimar la distancia a la cual se debe presionar el boton decambio del semaforo, en caso de trabajarse en modo manual.

• Se hizo un modelo de iluminacion led, pero existen varias opciones co-mercializadas que cumplen con los parametros disenados en este trabajo,por lo que en una implementacion a mayor escala serıa util tomarlas encuenta.

Bibliografıa

[1] Ata Elahi, A. G. (2010). ZigBee Wireless Sensor and Control Network.Theodore S. Rappaport.

[2] Attawa, S. (2013). Matlab: A Practical Introduction to Programming andProblem Solving. Elseiver, 3 edicion.

[3] Benchimol, D. (2011). Microcontroladores. USERS Manual/ Informatica.,1da. edicion.

[4] Cosmai, U. (1980). Intercumunicadores. El instalador cualificado.

[5] Couch, L. W. (2012). Digital and Analog Communication Systems. Tech-nology & Engineering.

[COVENIN] COVENIN. Equipos de control de semaforos.

[7] Digi (2013). Zigbee R© embedded surface mount rf modules for oems.

[8] Evans, B. W. (2007). Arduino: Manual de programacion. (1).

[FCM] FCM. Superestructura de la lınea.

[10] Fitchen, F. (1975). Circuitos integrados y sistemas. Litton EducationalPublishing. Inc, Research Triangle Park, NC 27709, USA.

[11] Gislason, D. (2008). Zigbee Wireless Networking. Elsevier.

[12] Gomez, A. P. (1998). SeNalizaciOn de seguridad en la circulaciOn fe-rroviaria mediante la electrOnica (enclavamientos y bloqueos electrOnicos).GRUPO GEC ALSTHOM.

[13] Gutierrez, J. M. R. (2011). Implementacion de sistemas de transmision dedatos y sensores en redes inalambricas con xbee integrado en la plataformaopen hardware arduino. Arduino Comunicacion, 1.0.

[14] Houda Labiod, Hossam Afifi, C. D. S. (2007). Wi-FiTM, BluetoothTM,ZigbeeTM and WiMaxTM. Springer, 2 edicion.

[15] Jose Capmany, Daniel Pastor, B. O. S. S. (2000). Problemas de comuni-caciones opticas. REPROVAL.

57

58 Bibliografıa

[16] Lopez, A. (2011). Trenes sortean imprudencias de conductores.

[17] Manzano, J. J. (2008). Electricidad I. Teorıa basica y practicas. Mar-combo, Ediciones tecnicas.

[18] Prat, M. (2009). Curso de radiocomunicaciones y uso tactico para lapractica del airsoft y de paintball. Airsoft Girona.

[19] Smith, S. T. (2006). MATLAB: Advanced GUI Development. Dog EarPublishing.

[20] Sanchez, E. L. (2012). Diseno de un sistema de control domotico basadoen plataforma Arduino. PhD thesis, Escola Tecnica Superior d’EnginyeriaInformatica Universitat Politecnica de Valencia.

[21] Tomasi, W. (2003). Sistema de communicaciones electronicas. Pearson,4 edicion.

[22] Vanegas, R. (2009). Connecting the usb mini adapter to an xbee for serialcommunication.

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