Sistema integrado de control y transporte de información sobre redes GPS/GSM/GPRS para localización y monitoreo.

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1 Sistema integrado de control y transporte de información sobre redes GPS/GSM/GPRS para localización y monitoreo. Novillo Francisco; Véliz Bremnen; Salamea Marco; {fnovillo, bveliz, msalamea}@fiec.espol.edu.ec; Grupo de Investigación en Comunicaciones Móviles (GICOM) Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación (FIEC) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) RESUMEN En la actualidad existen muchos requerimientos de sistemas en los cuales personas o empresas puedan tener conocimiento de la ubicación de sus pertenencias, sobre todo por el alto auge delictivo o también para mejorar la eficiencia en entregas o despachos. Por ello en el presente trabajo presentamos un prototipo funcional de sistemas de localización y monitoreo microelectrónicos para manipulación de señales desde un GPS y su emisión vía redes celulares GSM/GPRS a Internet, accediendo a un servidor y almacenando la información de posicionamiento en un base de datos, para su posterior procesamiento. En principio el sistema ha sido utilizado para vehículos pero la ventaja es que se ha alcanzado el conocimiento suficiente, para poder darle otras aplicaciones según las necesidades del mercado. PALABRAS CLAVES: Base de datos, coordenadas, GPS, GSM, GPRS, IP, OEM, Transceiver. L I. INTRODUCCIÓN a gran acogida y creciente de popularidad del sistema GPS sumado con los avances de tecnología de comunicaciones celulares nos han impulsado a realizar un innovador sistema de Localización, cuyo fin es el de monitorear a través internet posiciones dadas en coordenadas GPS (Global System Position) [3]. Uniendo dos tecnologías, comunicaciones celulares y comunicación satelital (posicionamiento global) como son GPRS [1] [2] [4] y GPS hemos desarrollado un sistema que aprovecha especialmente la capacidad de GPRS como medio de enlace para la transmisión de paquetes a través del protocolo TCP/IP [8] la cual nos permite enviar datos en forma inalámbrica a cualquier parte del mundo por la red de Internet. Este sistema de Localización y monitoreo usa redes GSP/GSM/GPRS cuya infraestructura ya están construidas, mas, se realiza la implementación de equipos electrónicos que posean las características de estas tecnologías para ser usadas por ejemplo en la localización de un automóvil. Estos equipos posteriormente son instalados de forma oculta en el vehículo. En el presente documento se describe el tipo de hardware utilizado para la implementación del sistema de Localización y Monitoreo, además, realizaremos un análisis del sistema en su conjunto dividiéndolo en varios sub-sistemas para entender con claridad la función de cada una de las partes. Mencionamos también algunos de los resultados que son producto de las pruebas realizadas durante la implementación, entre los cuales se mencionan el costo promedio por kbyte de transmisión en Ecuador. En la parte final presentamos las conclusiones de nuestro trabajo. II. ESTRUCTURA DEL A. TIPO DE HARDWARE Existe variedad de productos a través del cual puede implementarse el sistema que hemos planteado, los mismos que han sido desarrollados por las más conocidas empresas dedicadas al mercado de comunicaciones. Desde el punto de vista de diseño hemos conseguido una ventaja al utilizar equipos OEM (Original Equipment Manufacture) que son equipos originales de fábrica que permiten ser controlados desde el nivel mas bajo y cuyas prestaciones de funcionamiento están basadas en Estándares Internacionales. De ahí que uno de los objetivos de nuestro trabajo tiene como punto principal la reducción en los costos de implementación y su fácil integración al medio. Por tal razón los elementos de hardware que utilizamos tienen como característica principal su posible integración con las redes ya existentes GSP/GSM/GPRS. B. ARQUITECTURA La arquitectura de nuestro sistema lo conforman tres subsistemas principales Fig.1 que los hemos denominado: Sistema Satelital, Sistema Celular y Sistema de Red. Estos nos permiten comprender la estructura y flujo de los datos del sistema en general. Debemos considerar entonces que el sentido las flechas indican el proceso de obtención de la de los datos y su transmisión entre los puntos extremos. SATELITAL CELULAR Fig.1, Diagrama de bloques DE RED

2 Fig.2, Sistema GPS-GSM/GPRS La Figura 2 muestra un diagrama de red del sistema. Se entiende que los datos viajan desde el satélite GPS, luego son capturados por los dispositivos GPS-GSM/GPRS que operan junto con la Red Celular para que sean enviados al Internet y finalmente hasta nuestro servidor de información. En el servidor de información se almacenan los datos enviados por el transceiver 1 que en su forma mas básica puede contener un identificador único y las coordenadas del dispositivo. III. SATELITAL El sub-sistema satelital hace uso del sistema de navegación basado en satélites GPS [7], desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos bajo el programa NAVSTAR [3]. Dentro de este sub-sistema se trabajó en el segmento usuario 2 [10] mediante un receptor GPS. El receptor GPS es OEM y opera bajo el nivel de servicio SPS (Standard Positioning Service) [3] [10] y se encuentra siempre recibiendo la señal procedente de los satélites. Con una interfase estándar para el intercambio de datos y algunas sentencias de información el receptor GPS es capaz de entregarnos información de posición en algunos formatos. En nuestro caso seleccionamos la mínima especificación recomendada para datos GPS, esta sentencia es llamada RMC (Recommended Minimum Specific GPS data), la misma que contiene entre otros campos el UTC (Tiempo Universal Coordenado), Latitud, Longitud, Velocidad en nudos y Fecha. Un ejemplo de RMC tomado en la Escuela Superior Politécnica del Litoral (Guayaquil - Ecuador) es el siguiente: una Operadora Celular local, de modo que la cobertura del sistema es la misma que la Operadora Local. El transceiver GSM/GPRS es OEM y posee internamente un microcontrolador que nos permite la programación de aplicaciones embebidas a través de aplicaciones tipo M2M (Man to Machine, Machine to Machine), lo que nos evita el uso de comandos AT (3GPP TS V7.8.0) [6]. El algoritmo desarrollado es enviado a nuestro transceiver mediante cualquier aplicación M2M. En la Fig. 3 presentamos el diagrama de flujo que describe el funcionamiento de nuestro sistema. El sistema puede iniciar su funcionamiento de dos formas distintas: local o remota. Para hacerlo localmente es necesario accionar el interruptor del sistema y remotamente se lo puede lograr mediante el timbre de una llamada telefónica. Una vez que el sistema ha recibido la señal de inicio se realiza el proceso de configuración y conexión GPRS con la red. Cuando este proceso resulta exitoso se establece entonces la configuración y conexión TCP/IP. Una vez conectados (transceiver y servidor de información vía TCP/IP) se procede con la adquisición y procesamiento de los datos provenientes del sub-sistema satelital que vienen directamente del GPS. Los datos son tomados a través de una interfase serial asíncrona de comunicación (UART) entre estos dos sub-sistemas (Satelital - Celular) y son almacenados en la memoria del microcontrolador para que sean empaquetados y finalmente transmitidos por la interfase aire a la red conmutada GPRS. $GPRMC, ,A, ,S, ,W,0.0,0.0, ,0.0,W*7B IV. CELULAR Esta conformado por el dispositivo transceiver microcontrolado GSM/GPRS, y por la Red Celular 2.5G de 1 Un transceiver es una combinación de transmisor/receptor en un solo paquete. 2 El segmento usuario está formado por antenas y receptores pasivos situados en la tierra. Fig. 3, Diagrama de Flujo del Sistema.

3 De lo que hemos explicado, en el sub-sistema Celular el transceiver es el origen de la comunicación ya que es el transmite los datos a la red celular. Pero antes de iniciar la transmisión, el transceiver debe ser reconocido por la red. Por ésta razón usamos un SIM Card 3 [12] propio de la operadora celular del cual haremos uso de su estructura de red. Ya dentro de la arquitectura de red GPRS para que los datos sean enviados al Internet deben pasar previamente por una sección de la red denominada túnel GTP [2]. Aquí los datos recorren el Backbone IP desde el SGSN hasta el GGSN el cual direcciona los paquetes hacia el Internet. Obsérvese la Fig. 4. El GGSN [2] posee un nombre asociado APN (Access Point Name), un APN es similar a un URL en el WWW, mediante esto la unidad GSM/GPRS hace una llamada GPRS. Recordemos que esta arquitectura GSM/GPRS que usamos en el proyecto le pertenece a una operadora local, por lo que para mayor información de la misma debe contactarse con su operadora de red local. La aplicación Servidor GPS, es un programa desarrollado para este proyecto y tiene como función básica escuchar un puerto de red determinado en espera de paquetes TCP/IP provenientes del transceiver. Dentro del proceso de configuración y conexión GSM/GPRS del transceiver (Fig. 3.) se especifica la dirección IP del servidor de Información, de este modo el transceiver puede establecer conexión con el programa Servidor GPS. Servidor GPS recibe una trama que contiene los datos GPS, esta trama fue establecida bajo un formato específico y sirve para que el sistema pueda identificar cada transceiver y su información. La forma de identificar a cada uno de ellos (transceivers) es asignando a cada trama el código único de fábrica del transceiver GSM/GPRS. Los datos recibidos son presentados en etiquetas mostrando la longitud y la latitud en grados, minutos y decimales de minutos en forma separada. Ver figura 6. Fig.6, Longitud, latitud, matricula (datos adicionales). VI. RESULTADOS Y ANALISIS Fig.4, Túnel GTP V. DE RED A. LECTURA DE DATOS La información que se recibe en el sub-sistema de red se almacena en una base de datos local, la misma que registra la hora de llegada, fecha, coordenadas y la hora de acuerdo al UTC de cada una de las tramas, ver Figuras 7a, 7b. El sub-sistema de Red lo conforman el Internet y nuestro servidor de Información. El Internet constituida de múltiples redes a través del cual se transportan paquetes vía TCP mediante el uso de direcciones IP [8] nos servirá de enlace con el sub-sistema celular. El servidor de Información posee una IP pública y en él reside nuestra aplicación Servidor GPS y una base de datos local que permite recopilar toda la información recibida. Un operador monitorea los eventos que ocurran en el servidor. Ver figura 5. Fig.7a, Base de datos Fig.7b, Base de datos Fig.5, Sistema de Red 3 En nuestro país es mandatario que la SIM Card deba pertenecer a un plan especial de pago debido a que hay solo una operadora que tiene instalada esta tecnología y exige que así sea. Su configuración esta fuera de nuestro alcance. Para hacer un seguimiento gráfico de las posiciones sucesivas del vehículo 4 se utilizará plataformas GIS (Global Information Systems) [11], actualmente en desarrollo en GICOM. Debido a que los datos obtenidos del GPS provienen de un conjunto de satélites, el cual también posee un margen error que puede ser provocado por varias fuentes [10], tenemos un campo que nos indica que tan buena es la señal y por ende la precisión de la coordenada. Este campo se denomina Fix 4 En un vehículo o cualquier objeto móvil que se desee realizar monitoreo se montan tanto transceiver como GPS.

4 Valid. Un Fix Valid con valor A significa no error, ver Figura 7a. B. ESTIMACION DE LATENCIA Este parámetro fue medido desde el instante en que se realiza la adquisición de datos del receptor GPS. Cada trama transmitida contiene 94 bytes con información de los subsistemas satelital y celular e información adicionale de verificación de trama. La información tomada del dispositivo GPS tiene la estructura del mensaje NMEA(National Marine Electronics Association) en formato $GPRMC[9]. La Tabla 1 muestra una estimación de Latencia del Sistema. El retardo se considera existente en adquisición de datos, el procesamiento de los mismos, inicio de sesión GPRS, establecimiento de conexión TCP/IP, envío y recepción de datos hasta que sean visualizados en pantalla por el programa Servidor GPS, es decir los cinco principales bloques del algoritmo de la Figura 3. En diez muestras realizadas se observó retardos que van de 9.15 segundos a segundos, como resultado, la latencia promedio del sistema fue de Los tiempos de adquisición se presentan cuando se captura la información del dispositivo GPS, en cambio los tiempos de procesamiento se producen por la ejecución de cada instrucción en el transceiver GSM/GPRS. En nuestro caso reflejan 6.25 segundos aproximadamente. Retardo Total Adquisición y procesamiento Conexión y envío Tramas No Bytes segundos Segundos Segundos 94 9,91 6,25 3, ,93 6,25 3, ,20 6,25 6, ,28 6,25 5, ,46 6,25 5, ,48 6,25 5, ,72 6,25 3, ,41 6,25 4, ,4 6,25 3, ,7 6,25 3, ,15 6,25 2,9 10,52 4,26 Tabla 1, Estimación de latencia. El tiempo de conexión es el tiempo en que se inicia la sesión GPRS, se establece la conexión TCP/IP y se envían y reciben los datos en el sub-sistema de red. En la tabla 1 se observa que estos tiempos van de 2.9 a 6.95 El tiempo promedio de conexión y transmisión es de 4.26 C. ESTIMACION DE COSTO DE TRANSMISION La Tabla 2 muestra una estimación del costo de transmisión por el servicio GPRS con la operadora local durante algunos de nuestros ensayos. Para ello se enviaron tramas con diferentes tamaños de paquetes y verificando el saldo final de nuestro SIM Card después de la transmisión. Se estima el costo promedio por Kbyte en casi cinco centavos de dólar. Es interesante observar que cuando enviamos más bytes en cada trama los costos disminuyen. Saldo Inicial tramas Bytes por trama Total Bytes Saldo Final Costo por byte Costo por Kbyte 19, ,31 0, , , ,17 0, , , ,07 0, , , ,95 0, , , ,95 0, , Promedio Costo por 0, Kbyte Tabla 2, Estimación del costo de transmisión VII. CONCLUSIONES El estudio realizado sobre las tecnologías de Posicionamiento Global y de comunicaciones móviles GPRS y la integración de ambos nos ha abierto la puerta a un amplio campo de un control telemétrico quedando sentada una plataforma sobre la cual se pueden desarrollar gran variedad de aplicaciones embebidas. El dispositivo receptor GPS que hemos utilizado es OEM y posee un puerto serial de comunicación, por lo que su operación depende de las señales de control que el transceiver realice directamente sobre él. Se recomienda que para una mayor presición se utilice dispositivos GPS con un nivel de servicio PPS (Precise Positioning Service). Hemos realizado un cálculo promedio de tiempos durante los ensayos y podemos presentar los siguientes: La latencia promedio del sistema total sin incluir la latencia debida a los satélites es de El tiempo promedio de conexión y transmisión de datos es de 4.26 El tiempo de lectura exacto de los datos provenientes de los satélites GPS es difícil calcular porque depende de factores como interferencias eléctricas, perturbación inosférica, topología receptor-satélites, del procesador del receptor GPS, sin embargo se considera que está en el orden de los mili De la experiencia en nuestros ensayos podemos recomendar que el envío de una menor cantidad de tramas que agrupen una mayor cantidad de información resulta menos costoso que enviar una mayor cantidad de tramas con menor cantidad de información. El diseño propuesto fue planteado de forma modular de tal forma que en futuros proyectos puedan ser integradas a ésta

5 solución a través de nuevas aplicaciones tales como plataformas GIS en donde se pueda visualizar el movimiento de los objetos a localizar y monitorear. VIII. REFERENCIAS [1] Anderson Christopher, GPRS and 3G Wireless Application, Wiley Computer Publishing, [2] Hernando Rabanos José María. "Sistemas GSM y GPRS", Segunda Edición, Junio [3] Mohinder S., Lawrence R., Angus P., Global Positioning Systems, Inertial Navigation and Integration. A John Wiley and Sons, Inc Publication, [4] B. Brasche, B. Walke. Concepts, Services and Protocols of the New GSM Phase 2+ General Packet Radio Service, IEEE Communications Magazine. August P94-P104. [5] Porras Pacheco Héctor Iván, Sistema Automático de Localización GPS con sistema de Radio comunicación, Tesis de grado, Escuela Superior Politécnica del Litoral, FIEC, [6] Digital celullar telecommunications system (Phase 2+); AT Command set for GSM Mobile Equipment. European Telecommunications Standards Institute, (ETSI TS V7.8.0 (3GPP TS version 7.8.0)). [7] Wikimedia Foundation Inc,. Sistema de Posicionamiento Global, (Ultimo Acceso: Nov, 2006). [8] CCNA 1, Cisco Basic Networking, (Ultimo Acceso : Nov, 2006). [9] 128K-Communications, GPRMC, (Ultimo Acceso: Febrero 12, 2007). [10] A. Pozo-Ruz., A. Ribeiro, M.c. García-Alegre, L. García, D. Guinea. F. Sandoval, Sistema de Posicionamiento Global (GPS): Descripción, Análisis de errores, Aplicaciones y Futuro Disponible: (Ultimo Acceso: Febrero, 2007). [11] Environmental Systems Research Institute (ESRI), The Guide to Geographic Information Systems, (Ultimo Acceso : Febrero, 2007). [12] Wikimedia Foundation, Inc., Subscriber Identity Module, (Ultimo Acceso: Enero, 2007). IX. BIOGRAFIA Francisco Novillo Parales: Nacido en 1976, Guayaquil Ecuador. Profesor e investigador de la Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC) de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). Miembro del Grupo de Investigación en Comunicaciones Móviles (GICOM) de la FIEC. Master en Comunicaciones Móviles (Universidad Politécnica de Cataluña, UPC, Barcelona - España), Master en Gestión de Empresas en Telecomunicaciones (ESPOL), Estudiante de Doctorado en Teoría de la Señal y Comunicaciones (UPC), Ingeniero en Electricidad Especialización Electrónica, FIEC - ESPOL. Marco Salamea Tituana: Nacido en 1976, Zamora Ecuador. Profesor e Investigador de la Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC) de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). Miembro de Grupo de Investigación en Comunicaciones Móviles (GICOM) de la FIEC. Ingeniero en Computación Especialización Sistemas Tecnológicos (ESPOL). Bremnen Véliz Noboa: Nacido en 1982, Guayaquil Ecuador. Investigador de la Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC) de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). Miembro del Grupo de Investigación en Comunicaciones Móviles (GICOM) de la FIEC. Egresado de Ingeniería en Telecomunicaciones FIEC ESPOL.