Sistema de Navegación Terrestre para Móviles Laura Méndez Segundo 1 Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Cómputo

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1 Sistema de Navegación Terrestre para Móviles Laura Méndez Segundo 1 Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Cómputo Resumen En este trabajo se desarrollo un sistema auxiliar para el manejo de automóviles, a través de un dispositivo móvil que cuente con el sistema operativo Windows Phone 7. El dispositivo debe de contar con un GPS (Sistema de Posicionamiento Global), acelerómetros, conexión de datos por medio de GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio) y conexión WIFI. El sistema proporciona al conductor información como: las posibles rutas a seguir, problemas de tráfico y consumo de gasolina, entre otros. Introducción El sistema operativo y el hardware del dispositivo móvil, nos brindan un buen entorno y soporte para desarrollar un trabajo con alta calidad, tanto en diseño como en funcionalidad. En la actualidad existen vehículos que cuentan con un dispositivo auxiliar integrado en el tablero. Sin embargo, esta característica únicamente se encuentra en automóviles de gama alta, de precios muy elevados, por lo cual no están al alcance de todas las personas. Por otro lado los dispositivos móviles son accesibles por lo que este proyecto resulta ser muy viable y útil. El la Figura 1, se muestra el principio del sistema y sus componentes. 1 Laura Méndez Segundo, Av. Miguel Othón de Mendizabal, S/N, Col. Torres Lindavista, C.P , Del. Gustavo A. Madero, México, D.F., Tel Ext , lmendezs@ipn.mx Justificación Figura 1: Componentes del sistema. En la actualidad uno de los mayores problemas en la ciudad de México es el tránsito vehicular, la condición cambiante de los flujos ocasionados por obras, manifestaciones, accidentes, etcétera, se ha vuelto un reto a resolver por las autoridades de tránsito. Su impacto social se ve reflejado en los excesivos tiempos de traslado, lo cual ocasiona contaminación atmosférica, ruido ambiental, problemas de salud, estrés, entre otros problemas. La construcción de más vialidades, resuelve el problema de forma temporal, pues el espacio para ello es finito, aun cuando se trate de vialidades multinivel. La solución que se vislumbra con mayor robustez es la administración adecuada del flujo vehicular, mediante sistemas de control de tránsito eficientes e inteligentes. Los sistemas de control de tránsito terrestre no han evolucionado en la práctica, como lo han hecho los sistemas de control de tránsito aéreo. Estos últimos incorporan sistemas de comunicación eficientes que se integran con equipos de navegación basados en GPS de precisión militar (1cm-50cm). Los actuales equipos de navegación terrestre basados en GPS tienen precisión civil (5-50 m) y no se han desarrollado con interfaces de comunicación para transmisión de datos y mucho menos toma medidas de tránsito vehicular. Estas deficiencias y su aplicación a los sistemas de control de tránsito terrestre representan el nicho de oportunidad de nuestra propuesta. [1]

2 Estado del arte Los Sistemas de Navegación Terrestre que generan rutas por medio del Sistema de Posicionamiento Global; han sido aplicaciones muy solicitadas, en los últimos años se han desarrollado varios trabajos de investigación y se han realizado algunos desarrollos tecnológicos para la reducción del tiempo, que invierte un vehículo o persona en viajar de un lugar a otro dentro de una ciudad o país. Desde el punto de vista comercial existen varios sistemas que ofrecen el servicio de localización y rastreo por GPS, capaces de generar rutas, pero ninguno toma en cuenta la importancia de la minimización del tiempo invertido en ese viaje, sino que sólo ofrecen una solución general en donde solamente se despliega la ruta a seguir, un tiempo estimado de viaje que está en función de la distancia a recorrer. Sistema de posicionamiento global (GPS) Un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una constelación de 24 satélites artificiales no estacionarios, con 3 de respaldo, uniformemente distribuidos en un total de 6 órbitas, de forma que por cada órbita existen 4 satélites (Figura 2). [11] punto de la superficie terrestre. Los satélites GPS orbitan la Tierra a una altitud de unos 20,200 km y recorren dos órbitas completas cada día. Un GPS obtiene su posición espacial por medio de una triangulación con señales de los satélites que está viendo. [12] Para triangular, el receptor GPS mide la distancia usando el tiempo de viaje de la radio señal enviada desde los satélites (Figura 3). La forma en que realiza la triangulación es la siguiente: Conociendo la ubicación de 4 satélites (S 1, S 2, S 3, S 4 ) y las respectivas distancias (d 1, d 2, d 3, d 4 ) de los satélites al punto buscado (P 0 ). 1. El receptor GPS recibe una señal de radio al primer satélite y este a su vez traza imaginariamente una esfera con centro en las coordenadas de S 1 (x 1, y 1, z 1 ) y radio d 1, y supone que el punto se encuentra dentro de esa esfera. 2. Luego el receptor GPS recibe una segunda señal de radio de un segundo satélite y este traza una segunda esfera con centro en S 2 (x 2, y 2, z 2 ) y radio d 2 y determina que el punto se encuentra dentro de la intersección de las esferas S 1 y S Luego el receptor GPS recibe una tercera señal de un tercer satélite y este traza una tercera esfera con centro en S 3 (x 3, y 3, z 3 ) y radio d 3 y determina que el punto se encuentra dentro de la intersección de las esferas S 1, S 2 y S Por último el receptor GPS recibe una última señal al cuarto satélite el cual trazará una cuarta esfera desde S 4 (x 4, y 4, z 4 ) y radio d4 de donde se hallará el punto P 0 de coordenadas (x 0, y 0, z 0 ) con lo cual se encontrara el punto buscado. Sistema de información geográfica Figura 2. Constelación de satélites del Sistema de Posicionamiento Global. Esta configuración asegura que siempre se tenga acceso al menos a 4 satélites desde casi cualquier En los últimos años se ha observado el desarrollo creciente de sistemas de información, que además, incorporan información geográfica. A éstos sistemas se les ha clasificado como Sistema de Información Geográfica (GIS), a los cuales se les ha definido como:

3 Conjunto de herramientas para recolectar, almacenar, obtener, transformar y desplegar datos espaciales del mundo real para propósitos específicos [11]. O por otro lado, también se les puede definir como: Sistemas diseñados para almacenar y manipular datos relacionados con locaciones de la superficie de la tierra [11]. De tal forma podemos definir a los GIS como: Sistemas de información que permiten además: almacenar, analizar y desplegar información geográficamente referenciada. Actualmente en nuestro entorno observamos una amplia gama de aplicaciones clasificadas como GIS. Existen aplicaciones GIS destinas a los siguientes sectores, por mencionar los más comunes: Minería Subterránea. Estrategias militares. Navegación. Prevención y mitigación de desastres naturales. Sistemas de Localización y posicionamiento, etc. El sistema operativo Windows Phone 7 Windows Phone 7 es un sistema operativo móvil desarrollado por Microsoft, como sucesor de la plataforma Windows Mobile. Está pensado para el mercado de consumo generalista en lugar del mercado empresarial3 por lo que carece de muchas funcionalidades que proporciona la versión anterior. Microsoft ha decidido no hacer compatible Windows Phone 7 con Windows Mobile 6 por lo que las aplicaciones existentes no funcionan en Windows Phone 7 haciendo necesario desarrollar nuevas aplicaciones. Con Windows Phone 7 Microsoft ofrece una nueva interfaz de usuario, integra varios servicios en el sistema operativo y planea un estricto control del hardware que implementará el sistema operativo, evitando la fragmentación con la evolución del sistema. Microsoft planea una importante actualización para finales de 2011 que incluirá Internet Explorer 9 y algunas mejoras que según Microsoft lo harán competitivo con sistemas operativos de móviles actuales como ios de Apple o Android de Google. [4] Los primeros dispositivos dotados con Windows Phone cuentan con pantallas capacitivas de hasta cuatro puntos con una resolución de 800x480 puntos. No se descarta que en un futuro se lancen nuevas resoluciones al igual que ocurrió con Windows Mobile, aunque se tendera a mantener el ratio por lo que no nos tendremos que preocupar en exceso de este punto. El poder contar con pantallas capacitivas nos ayudara a poder dotar a nuestras aplicaciones de una rica forma de interactuar con el usuario mediante el uso de gestos compuestos. El soporte de aceleración por hardware de DirectX dota al dispositivo de un gran potencial a la hora de reproducir animaciones y efectos de sonido. Esto es de especial interés para utilizarlo a la hora del diseño de videojuegos, y esta soportado por el marco de desarrollo de XNA. El conjunto de sensores puede ser enriquecido por los fabricantes. No obstante esto no afectara a la hora de hacer los desarrollos ya que estos sensores son manejados desde las APIs de Windows Phone 7. De este modo el desarrollador no deberá preocuparse sobre el dispositivo sobre el que se realizara el despliegue, ya que todos los terminales con Windows Phone 7 soportaran, como mínimo, los sensores nombrados en las especificaciones mínimas. [14] Descripción del sistema La aplicación desarrollada da al usuario la posibilidad de consultar una ruta en el momento en que él desee, ofreciendo con esto la ventaja de ahorrar combustible, tiempo y desgaste físico y mental. El usuario introduce el destino dentro de la interfaz, el sistema lo toma y junto a la lectura de la posición global calcula la ruta. Esta ruta obtenida es

4 desplegada en el mapa, ubicado en la pantalla del dispositivo móvil. Ya que la ruta es desplegada el usuario podrá navegar por el mapa con la ruta desplegada en él. El sistema también tendrá le ventaja de guardar las rutas que se vayan generando en una pequeña base de datos. Además el sistema proporcionará algunos datos útiles sobre la ruta, puntos de interés, información del tráfico, datos relacionados al tiempo, distancia y consumo de combustible (Figura 3). Planteamiento del problema Actualmente en la ciudad de México uno de los mayores problemas que existen es la gran cantidad de tiempo que se invierte para realizar un viaje por vía terrestre, ya que existen muchos factores que afectan el flujo vehicular en las vías de comunicación, sobre todo en las vialidades más importantes, tales como el Circuito Interior, Periférico, Viaducto, Reforma, Insurgentes, Eje Central, etc. Muchos de estos factores son obras de construcción, accidentes, manifestaciones, entre otros. El desconocimiento por parte de los conductores a cerca de las vialidades bloqueadas o congestionadas provoca amotinamientos difíciles de deshacer sobre todo en las vialidades sin salidas laterales como viaducto, circuito interior, anillo periférico o las autopistas de entrada y salida a la ciudad. El desconocimiento de posibles rutas alternas utilizando las calles de las colonias y barrios de ciudad, no da a los automovilistas confianza para buscar otras alternativas obligándolos a permanecer en la ruta conocida. Figura 3: Vista del sistema Se decidió crear una aplicación para plataforma Windows Phone 7 por la facilidad de desarrollo, ya que ofrece una amplia gama de bibliotecas para el desarrollo de aplicaciones. Por otro lado, Windows Phone 7 explota las características de los dispositivos móviles al máximo ofreciendo una plataforma robusta. [14] Otra ventaja es el lenguaje de programación, utilizaremos C # (Sharp), es un lenguaje orientado a objetos, apoyado por el software Visual Studio 2010 se vuelve aún más fácil la programación, además el diseño se puede hacer por separado con XAML (Lenguaje Extensible de Formato para Aplicaciones) o con el software Expression Blend. Por otro lado aunque ya existen sistemas que pretenden resolver este problema, como TRAFICAM [8] de la secretaría de seguridad pública que ofrece imágenes de 50 diferentes cruceros en la ciudad, RADIORED [9] que ofrece el estado de las principales vialidades y reporte vial de la ciudad de México. Un sistema de reporte vial desarrollado para los dispositivos iphone. Las rutas posibles que ofrecen son muy pocas y no son óptimas. El objetivo de nuestro sistema es reducir el costo invertido (tiempo, gasolina, emisión de contaminantes [5]) en un viaje. El sistema entrega una mejor solución que la que ofrecen los sistemas actuales de su tipo. Se puede obtener la ruta óptima que ayuda a los automovilistas a llegar a su destino con la menor inversión posible, esto se pretende lograr tomando en cuenta la densidad vehicular al momento que se realiza la consulta.

5 Forma de operación El sistema se basa en una interfaz de usuario sencilla en donde podrá encontrar una caja de inserción de texto para que pueda insertar la dirección de su destino. El sistema basa su funcionamiento en la generación de rutas por medio de algoritmos conocidos de manejo de grafos para el descubrimiento del camino más corto entre un vértice al otro. Una vez que el sistema obtuvo la geo referencia del móvil por medio del GPS y se generó la ruta por medio del algoritmo de enrutamiento, despliega la ruta dibujada sobre el mapa que se muestra al usuario. más corta del punto en el que se encuentra, al punto al que desea llegar. Guiando así, al usuario con mayor rapidez y eficiencia, ahorrando tiempo en el viaje. Propuesta de la Solución El proyecto mejorará la fluidez al viajar, ya que no solo determinará cuál es la ruta a seguir para llegar de un punto A (origen) a un punto B (destino) sino que se obtendrá la ruta más corta en cuanto a tiempo para poder así desplazarnos con mayor rapidez al lugar deseado. Se espera que se cubra la principal necesidad con la que cuentan los automovilistas que es el ahorrar tiempo de viaje. Requerimientos Técnicos Los requerimientos de software para el proyecto son: Microsoft Visual Studio 2010 SDK de Windows Phone 7.1 Microsoft SQL Server 2008 Figura 4. Ruta generada por el sistema. Además se podrá acceder a información extra como reportes de tráfico, puntos de importancia cercanos a la ruta, datos de tiempo, distancia y consumo de combustible. La Figura 4 nos muestra un ejemplo de cálculo de una ruta que va desde Ciudad Azteca en Ecatepec hasta la colonia Lindavista en la delegación Gustavo A Madero, apoyado en los mapas de Bing. Este proyecto mejorará la fluidez al viajar, ya que no solo determinará cuál es la ruta a seguir para llegar de un punto A (origen) a un punto B (destino) sino que se obtendrá la ruta más corta en cuanto a tiempo para poder así desplazarnos con mayor rapidez al lugar deseado. Se espera que el proyecto cubra la principal necesidad con la que cuentan los automovilistas que es el ahorrar tiempo de viaje. Requerimientos El proyecto tiene como objetivo principal mejorar la fluidez al viajar, ya que entrega al usuario la ruta A continuación se citan los requerimientos de hardware para el desarrollo: Servidor o Computadora con al menos 1 GB de RAM, capacidad de almacenamiento mínimo de 30 GB, para que el sistema no esté limitado. Procesador de doble núcleo, para tener un óptimo desempeño. Conclusiones A lo largo del desarrollo de este proyecto se exploraron herramientas y tecnologías nuevas cuyo aprendizaje y manejo fue un reto. Desde aprender a usar el lenguaje C# de Visual Studio, pasando por la comunicación entre éste y la computadora, el cálculo de la ruta óptima, y terminando con el diseño de interfaces. La creación del proyecto fue un gran reto, pues requirió de la integración de los conocimientos obtenidos en la especialidad de la carrera de Ingeniería en Sistemas Automotrices y de nuevos conocimientos adquiridos durante el desarrollo de este Trabajo Terminal.

6 Se obtuvo una aplicación de navegación terrestre que funciona en dispositivos móviles con Windows Phone 7, la cual se basa principalmente en el uso de un GPS para la localización del celular en un mapa y el trazado de una ruta a un lugar deseado. En el transcurso del desarrollo del proyecto se hicieron algunas mejoras que no se tenían contempladas al principio del proyecto. Una de ellas es que para el trazado de la ruta se puede agregar un punto medio indicado por el usuario, esto es por si el usuario desea pasar a un lugar antes del destino o que la ruta se trace por un lugar ya conocido por el usuario. Otra de las mejoras que se agregaron al proyecto es el cálculo aproximado del consumo de combustible, esto lo hace tomando en cuenta la distancia recorrida en una ruta y la hora; para saber si hay tráfico o no. Además se puede calcular el tiempo de trayecto aproximado y la velocidad promedio a la que se puede viajar. La otra aplicación que se integro al sistema, fue la de sitios de interés, en donde el usuario puede ingresar un sitio de interés, el cual puede ser hospitales, gasolineras o estaciones de bomberos y la aplicación devuelve la dirección en donde se encuentran estos sitios dependiendo de la colonia o delegación ingresada. Con esto se creo un sistema de navegación utilizando un dispositivo móvil con sistema operativo Windows Phone 7, que sirve para guiar al conductor de un automóvil, proporcionándole información útil para elegir la ruta más óptima. Que además de las mejoras antes mencionadas cual cumplió con los objetivos propuestos inicialmente. Referencias [1] RFC GPRS [2] 3G. [3] Wireless. load/ pdf [4] Windows Phone 7. /es-mx/default.aspx [5] Secretaria del Medio Ambiente. [6] Secretaria de salud. [7] Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias. [8] Traficam. s [9] Radiored. mepage.nsf/main?readform&url=/grc/reda m.nsf/vwportada/portada [10] Lethman, Lawrence, GPS Fácil: Uso del Sistema de Posicionamiento Global, EDITORIAL PAIDOTRIBO [11] Gutiérrez Puebla, Javier; Gould, Michael, SIG: Sistemas de Información Geográfica, Editorial Síntesis, S.A. [12] Dante Alcántara García, Topografía, Mc Graw Hill. [13] n-arquitectura-de-windows-phone-7/ [14] wsphone/es Autores M. en C. Laura Méndez Segundo Maestría en Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV-IPN Licenciatura en Informática Universidad Veracruzana Profesora Titular de la Escuela Superior de Cómputo del IPN desde 2000 a la fecha. Áreas de Interés: Bases de Datos, Ingeniería de Software, Sistemas Automotrices, Cómputo Educativo, TICS