Monitoreo remoto de procesos a través del canal de voz de teléfonos celulares GSM

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1 Monitoreo remoto de procesos a través del canal de voz de teléfonos celulares GSM Luis A. Bodero Bullón y Diego A. Sarmiento Pastor Prof. Dr. Guillermo Kemper Vásquez (asesor) gkemper@upc.edu.pe Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) - Facultad de Ingeniería Escuelas Profesionales de Ingeniería Electrónica e Ingeniería de Telecomunicaciones y Redes Lima - Perú Resumen- El presente proyecto consiste en implementar un sistema de monitoreo remoto de procesos, basado en la utilización del canal de voz de teléfonos celulares GSM. Entre los procesos investigados, se encuentra el monitoreo de consumo de energía eléctrica por parte de usuarios primarios. El sistema es conformado por dos secciones principales: el sistema central de monitoreo (SCM) y los sistemas de transmisión de información remota (STIR). El SCM se encarga de realizar peticiones y recibir la información enviada por los STIR s. Para esto, el SCM es administrado por una aplicación realizada en Borland C++ Builder 6. y realiza funciones como el control y comunicación con un teléfono celular GSM principal, vía interfase USB 2.; recepción y demodulación de las señales transmitidas, vía la tarjeta de sonido de una computadora personal, y la interpretación de la información decodificada en tiempo real. Los STIR s se encuentran implementados en un TMS32C6711. Este dispositivo se encarga de realizar la modulación de la información recibida, por parte del proceso a monitorear y se encuentra conectado a un teléfono celular (vía la entrada de hands-free del mismo), el cual se encarga de realizar el enlace con el sistema central de monitoreo. Palabras claves-, GSM, FSK, modulación digital, canal de voz, telefonía celular, programación C++. L I. TRODUCCIÓN AS tecnologías inalámbricas han tenido un gran auge y desarrollo en estos últimos años. Una de las que ha tenido un gran desarrollo y aceptación ha sido la telefonía celular. Desde sus inicios a finales de los años 7, la telefonía celular ha revolucionado enormemente las actividades que se realizan diariamente. Los teléfonos celulares se han convertido en una herramienta primordial para la gente común y de negocios; las hace sentir más seguras y más productivas. Por otro lado, el monitoreo de procesos a distancia viene siendo utilizado para supervisar y controlar el desempeño de diversos sistemas, los cuales no pueden ser manejados directamente, tanto por cuestiones de eficiencia como de posibilidad. En el Perú existen diversos procesos como la medición del consumo de suministro de electricidad y/o agua, los cuales son realizados manualmente mediante la observación directa de los medidores instalados en los domicilios de los clientes. Este procedimiento rutinario (visitas, por parte del personal de la empresa, a los domicilios para realizar mediciones directas) produce costos significativos que podrían ser disminuidos si se implementará un sistema de monitoreo remoto basado en la utilización de teléfonos celulares, los cuales hoy en día presentan costos casi insignificantes, tanto de adquisición, como de servicio. La finalidad de este proyecto es utilizar la tecnología actual, relacionada a la telefonía celular, para darle una solución económica, eficiente y viable al problema de monitorear procesos que no presentan una solución automatizada. II. OBJETIVOS Implementar un sistema de monitoreo de procesos remotos, utilizando el canal de voz de teléfonos celulares GSM como medio de transmisión. Analizar y comprender el lenguaje de comandos AT+ para la comunicación con teléfonos celulares GSM. Analizar y evaluar los diferentes métodos de modulación digital, considerando los efectos del canal de transmisión y el comportamiento de los teléfonos celulares GSM. Comprender el funcionamiento, arquitectura y programación del TMS32C6711 de Texas Instruments. Diseñar e implementar un sistema de interfase visual para el usuario final, considerando la interactividad, flexibilidad, escalabilidad y portabilidad del mismo. III. JUSTIFICACIÓN En la actualidad, la transmisión de datos a través de un 1

2 2 teléfono celular ha sido desarrollada y viene siendo utilizada aproximadamente desde hace 2 años, con la aparición de la segunda generación de la telefonía celular. Hoy en día, esta tecnología viene siendo aplicada utilizando el teléfono celular como un modem de conexión inalámbrica permitiendo, de este modo, la conexión a Internet y por consiguiente el envío de correos electrónicos, la transmisión de datos, el acceso a redes corporativas, comerciales y privadas, etc. Sin embargo, este servicio presenta un alto costo adicional, así como también ciertas limitaciones en cuanto a los equipos que se pueden utilizar (básicamente por la compatibilidad del sistema del teléfono celular, así como también su capacidad de interconexión con un equipo externo como una computadora o PDA). Una alternativa económica, viable y eficiente es utilizar el canal de voz del teléfono celular como un canal de datos, para realizar la transmisión y recepción de los mismos. Esto se logra mediante la codificación, empaquetamiento y modulación de la señal de datos a transmitir, en la banda determinada del canal de voz. la elección de un sistema de modulación y comunicación adecuado. Para ello, se realizaron diferentes pruebas sobre distintas técnicas de modulación, entre las cuales se encuentran QPSK (Quadrature Phase Shifting Key) y M- FSK (M-Frecuency Shifting Key). Las pruebas estaban destinadas a analizar el efecto del canal de voz de los teléfonos celulares sobre los principales parámetros de una señal portadora (amplitud, fase y frecuencia), a fin de que se pudiera seleccionar el método de modulación más robusto. En las Figs. 1 y 2 se muestran algunos resultados obtenidos a partir de pruebas realizadas sobre los métodos de modulación QPSK y 4-FSK. Se puede observar la total degradación de los cambios de fase de una señal portadora QPSK y por otro lado, la gran robustez con respecto a las frecuencias de una señal portadora 4-FSK: IV. APLICACIONES En el Perú, existen diversos procesos como la medición del consumo de suministro de electricidad y/o agua, los cuales son realizados manualmente, mediante la observación directa de los medidores instalados en los domicilios de los clientes (ver Fig. 1). Este procedimiento rutinario (visitas, por parte del personal de la empresa, a los domicilios para realizar mediciones directas) produce costos significativos que podrían ser disminuidos si se implementara un sistema de monitoreo remoto y más aún, si este se encuentra basado en la utilización de teléfonos celulares, los cuales hoy en día presentan costos casi insignificantes. amp litud Fig. 2 Distorsión de los cambios de fase de una señal portadora QPSK Señal recibida tiempo (seg) 3 Espectro de señal recibida 25 2 mag nitu d frecuencia (Hz) Fig. 1 Medición de agua y electricidad V. DESARROLLO DEL PROYECTO A. Análisis del canal de voz del sistema de telefonía celular GSM El sistema desarrollado, presenta como medio de transmisión el canal de voz de los sistemas de telefonía celular GSM. Dada la complejidad de dicho canal de transmisión, resultó indispensable el análisis del mismo para determinar su comportamiento y en consecuencia optar por Fig. 3 Robustez de las frecuencias de una señal portadora 4-FSK Por otro lado, los equipos de telefonía celular utilizan dispositivos electrónicos denominados Vocoders, para la compresión de la voz que se deberá transmitir a través del sistema de telefonía celular. Dichos dispositivos, se encargan de analizar tramos de voz y determinan ciertos parámetros, como el tono o pitch, las formantes, amplitud de las formantes y articularidad del sonido (consonante o vocal). Debido a la estacionalidad de la voz que se produce en periodos de tiempo de 1 a 2ms, los vocoders realizan este análisis de los segmentos en intervalos de tiempo mayores a 1ms. Por consiguiente, los paquetes de 2

3 3 información que se transmitirán, deben tener como mínimo 1ms de duración, para que el receptor pueda reconstruirlos en su totalidad, ya que de no ser así, los vocoders producen alteraciones de alargamiento o recorte de la duración del paquete de información transmitida. En la Fig 4 se puede apreciar el efecto producido por el Vocoder, sobre una señal con paquetes de duración de 5 y 5ms. B. Modulación y Demodulación 4-FSK : Como se mencionó anteriormente en este proyecto se optó por la utilización de la técnica de modulación M-FSK. Sin embargo, dadas las limitaciones del canal analizado anteriormente (ancho de banda entre 4 y 3 Hz para un eficiente reconocimiento del pitch transmitido) y la frecuencia de muestreo utilizada en el sistema (8 Hz), se seleccionaron solo 4 portadoras ortogonales a la frecuencia de muestreo. Estas portadoras son de 4, 8, 1 y 16 Hz. Como son 4, cada una de ellas representa un código binario de 2 bits. T s φ (t) φ n m (t)dt = Es n m n = m El número de bits v que carga cada símbolo es obtenido de la siguiente forma : v 2 (2) = log M (3) La tasa de bit de transmisión es obtenida a través de la siguiente expresión : R log 2 M v = (bits / seg) (4) T T B = S La Fig. 5 muestra el demodulador coherente M-FSK ortogonal. S Ts = 5ms Paquete 1 (5ms) Paquete 2 (5ms) Ts = 5ms Fig. 5. Demodulador coherente M-FSK Paquete 1 (7ms) Paquete 2 (11 ms) Fig. 4 Comparación del efecto de los Vocoders sobre paquetes de información de diferente tiempo de duración Sin embargo, debido a que los sistemas desarrollados se han implementado en entornos digitales, es necesario desarrollar algoritmos que utilicen estos modelos y sistemas detallados previamente, buscando reducir la carga computacional, manteniendo la eficiencia de operación de los mismos. La Fig. 6 muestra el diagrama de bloques del modulador y demodulador implementado vía un algoritmo computacional. La técnica de modulación/demodulación M-FSK ortogonal, utiliza M símbolos ortogonales entre sí con duración de T s segundos y energía finita de E s joules. Las formas de onda que representan a cada uno de los n símbolos son obtenidas mediante la siguientes expresión [6]: A cos( w t n ) A cos( w 1 t n ) A cos( w 2 t n ) A cos( w 3 t n) SELECTOR Señal modulada M-FSK ( ωnt), < t Ts φ n( t) = Acos < (1) fs, TSIMBOLO Símbolos de log2(m) bits La ortogonalidad entre símbolos se garantiza si se satisface la siguiente condición [6]: 3

4 4 Portadoras almacenadas (cos y sen) Bloque de captura (512 muestras) Bloque inicial de extracción (4 muestras) Energìa del bloque Bloque extraído Señal Matriz (M columnas) Multiplicación matricial escalar I Integración Q Bloque de captura restante (472 muestras) E = E + ENueva_Muestra E Datos recuperados Comparación del valor máximo (se escoge el índice de la columna) S ( ) 2 Submuestreo (k*t S) Energía > Umbral SI NO Indice Inferior obtenido? SI NO Fig. 6 Algoritmos de modulación / demodulación 4-FSK Índice inferior de bloque a extraer Indice superior de bloque Realizar demodulación 4-FSK C. Sincronización y extracción de paquetes de información recibidos : Como se mencionó anteriormente, el sistema de demodulación empleado es un sistema no-coherente, lo cual implica que entre el transmisor y receptor no existirá sincronización de fase de portadora. Para la extracción de la información a partir de la forma de onda transmitida, fue necesario desarrollar un algoritmo de sincronización, basado en el constante monitoreo de la energía de la señal de entrada al receptor (Fig. 7). Este algoritmo es basado en el uso de umbrales de energía definidos de acuerdo al estudio del canal de transmisión. Cabe resaltar que el algoritmo desarrollado no requiere de la extracción exacta de las muestras correspondientes al paquete transmitido, sino que tan solo requiere de una muestra predominante y significativa de dicho paquete. El algoritmo desarrollado determina de forma aproximada el inicio del paquete transmitido (la energía del bloque analizado supera el umbral) y también el final del paquete (una vez que la energía del bloque analizado haya superado el umbral durante cierto tiempo, determina el instante en que deja de superar dicho umbral). Asimismo, se desarrollaron algoritmos internos de protección que permiten diferenciar los instantes de fin de señal de aquellos instantes en que la señal se desvanecía debido a los efectos producidos por el canal de transmisión. Cabe resaltar que dicho algoritmo solo es implementado en la central de monitoreo remoto, ya que es la única que recibe información. D. Central de Monitoreo Remoto El sistema central de monitoreo se encuentra compuesto de diferentes secciones destinadas a realizar el monitoreo de la información transmitida por los dispositivos de adquisición/transmisión remotos y el manejo del teléfono celular GSM conectado al sistema. La estructura del programa es mostrada en la Fig. 8. Fig. 7 Algoritmo de sincronización y extracción de paquetes recibidos La interfase visual del sistema central de monitoreo se desarrolló utilizando el entorno de programación Borland C++ Builder 6., donde se implementó tanto los controles de funciones del teléfono celular GSM, el monitoreo del estado de llamadas y el monitoreo de señal de cobertura y batería. También se encuentra implementado en otra ventana, las etapas de recepción, demodulación (M-FSK) e interpretación de señal recibida (en tiempo real). En esta ventana es posible visualizar la señal que la computadora recibe por la entrada de line-in de la tarjeta de sonido y los datos que van siendo demodulados. En la Fig 9, se muestra la vista principal del programa, detallando las principales secciones, detalladas anteriormente. E. Sistema de transmisión de información remoto Los sistemas de transmisión de información remota se encuentran compuestos, principalmente, de un procesador digital de señales (), el cual se encuentra conectado a un teléfono celular y, mediante una interfase diseñada especialmente, a un sensor que se encontrará midiendo las características de un proceso en particular. El se encargará de realizar la modulación y transmisión de la información recibida por el sensor (4-FSK) y por otro lado, se encargará de recibir e interpretar señales transmitidas por el sistema central de monitoreo, que le indicarán cuando iniciar y detener el proceso de sensado y monitoreo (ver Fig. 1 y Fig. 11). F. Protocolo de comunicación Para realizar la comunicación y transferencia de información entre la central de monitoreo remoto y los sistemas de transmisión de información remotos, la central de monitoreo realiza una llamada de telefonía celular hacia el número del abonado correspondiente y detecta el establecimiento de la llamada (ver Fig. 12). Sin embargo, para garantizar que el sistema de transmisión remoto de información se encuentra 4

5 Recepción de las señales a través de la tarjeta de sonido de la PC conectada a la línea de hands-free del teléfono celular y demodulación de la misma mediante un algoritmo basado en la técnica M-FSK Recepción y demodulación de señales Monitoreo de estado del teléfono celular central Estado de actividad (Encendido, no disponible, llamada entrante/saliente activa, etc.), estado de carga de batería, potencia de señal de cobertura, etc. Información del teléfono celular remoto como número de abonado, ubicación, etc. Gestión de teléfonos celulares remotos Control del teléfono celular central Señalización y sincronización con los teléfonos celulares remotos Realización de llamadas, contestado/colgado automático, etc. Fig. 8 Diagrama General del Sistema Central de Monitoreo Parámetros de conexión para el establecimiento de la comunicación serial con el teléfono celular GSM. Osciloscopio en tiempo real de la señal recibida. Indicadores del estado de carga de la batería y la potencia de la señal de cobertura en dbm LOG de eventos que permite mantener un seguimiento constante de las operaciones del realizadas por el Sistema. Nivel de potencia del bloque de señal recibido y umbralización de detección. Indicador del nivel de intensidad de la señal recibida. Relación de información demodulada en tiempo real. Fig. 9 Vista principal del Sistema Central de Monitoreo 5

6 Tarjeta de expansión de captura/reproducción de audio estéreo. Línea de hands-free del teléfono celular conectado a una entrada y salida analógica del. Canal R Interfase PROCESO y R Proceso que se requiere monitorear TMS32C6711 Modulación M-FSK y transmisión de la información sensada del proceso. Sincronización con el sistema central de monitoreo Fig. 1 Diagrama General del sistema de transmisión de información remota Fig. 11 Sistema de transmisión de información remoto y R Transmisor operativo? Transmisor operativo TMS32C6711 Fig. 12 Confirmación de establecimiento de llamada 6

7 operativo, la central de monitoreo remoto envía un tono de sincronización (2 Hz) y espera que el sistema de transmisión le responda. Con ello, se garantiza la operabilidad de ambos sistemas y del canal de comunicación. El protocolo de comunicación está compuesto por 5 etapas, las cuales son mostradas en la Figs 12,13, 14, 15 y 16. VI. RESULTADOS Se consiguió implementar totalmente el sistema central de monitoreo, logrando el desarrollo de una interfase visual, mediante una aplicación realizada en Borland C++ Builder 6.. En esta aplicación se consiguió realizar la comunicación serial con el teléfono celular GSM, realizando el control y monitoreo de funciones del mismo. Entre estas funciones se encuentran la realización de de llamadas (contestado y colgado), el monitoreo de la llamada activa (marcando, estableciendo conexión, conexión establecida y conexión perdida), el monitoreo del estado de la batería (porcentaje de carga) y el monitoreo de calidad y potencia de señal de cobertura (mediante el parámetro RSSI Received Signal Strength Indicator en dbm). Por otro lado, se logró desarrollar e implementar el proceso de captura de señales, vía la tarjeta de sonido de una computadora personal y el algoritmo de demodulación 4- FSK en tiempo real, reduciendo considerablemente la tasa de procesamiento mediante la optimización del mismo. Con respecto a los sistemas de transmisión de información remota, se logró diseñar e implementar el algoritmo de modulación 4-FSK basado en tablas de portadoras ortogonales discretas y la sincronización mediante la utilización de filtros IIR para la detección de la señal portadora de 2 Hz transmitida por la central de monitoreo. VII.- CONCLUSIONES Se realizaron numerosas pruebas con diferentes métodos de modulación digital (QPSK, M-FSK con filtro correlador, M- FSK basado en FFT, etc.) y se pudo concluir que en base a la naturaleza del canal de transmisión en particular, el método de modulación M-FSK con filtro correlador es el más adecuado. En base a pruebas realizadas utilizando este método de modulación (4-FSK con filtro correlador) se pudieron determinar los parámetros de transmisión máximos permitidos por el canal: 4 portadoras y tiempo de símbolo de 5ms, logrando una tasa de transferencia máxima de 4 bps. Aunque esta tasa de transferencia es excesivamente baja, para aplicaciones como las propuestas es adecuada. Con respecto al sistema central de monitoreo, se realizaron pruebas de llamadas y fue posible corroborar su perfecto funcionamiento, tanto en la realización de las mismas, como también en el constante monitoreo del estado de la llamada en proceso. Las pruebas realizadas sobre el algoritmo de recepción y demodulación 4-FSK implementado, pudieron corroborar la eficiencia y funcionalidad del mismo. Se lograron obtener buenos resultados con respecto al retardo de procesamiento y a la latencia del proceso, observando una correcta demodulación y decodificación de las señales recibidas en tiempo real. Con la implementación del protocolo de comunicación desarrollado, mediante la utilización de la frecuencia de 2 Hz, se logró obtener una comunicación más segura (corrección de errores mediante redundancia y códigos para la inicialización del pedido de la transmisión). De esta manera, se logró evitar que cualquier individuo logré acceder al teléfono celular del abonado con la finalidad de infiltrarse en el sistema en cuestión para distorsionar la información monitoreada por el sistema de transmisión remoto. VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Proakis, John; Salehi, Masoud. Contemporary Communication System using Matlab. 2 [2] Xiong, Fugin. Digital Modulation Techniques. 2 [3] Baryy, John; Lee, Eduard; Messerschmitt, David. Digital Communication. 24 [4] Benedetto, Sergio; Biglieri, Ezio. Principles of Digital Transmission with Wireless Applications [5] Proakis, John; Manolakis, Dimitris. Tratamiento digital de señales: Principios, algoritmos y aplicaciones [6] Stremler, Ferrel. Sistemas de Comunicación [7] SONY ERICSSON MOBILE COMMUNICATIONS TERNATIONAL GT47/GT48. Technical Description. 23 [8] Chassaing, Rulph. Applications Using C and the TMS32C6X DSK. 22 7

8 y R Inicio de envío de información Envío de símbolos TMS32C6711 Fig. 13 Petición de envío de información por parte de la central de monitoreo TMS32C6711 y R Si aun no recibe los 5 datos, vuelve a pedir la transmisión del dato Envío de símbolos y confirmación de fin de dato Fig. 14 Envió de información redundantemente por parte del sistema remoto de transmisión de información Información recibida correctamente. Fin de la TMS32C6711 Fig. 15 Recepción de información correcta. Fin de la transmisión. TMS32C6711 y R Información errada. Reinicio de envió de transmisión. Envío de símbolos y confirmación de fin de dato Fig. 16 Recepción de información errada y retransmisión. 8

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