UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON. IV Feria de Ciencias y Tecnología

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1 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA IV Feria de Ciencias y Tecnología SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y SEGURIDAD REMOTA BASADA EN TELEFONIA MOVIL GSM Presentado por: AGUILAR VALLEJOS HEBER AQUINO OLIVA BRUNO DAVALOS LOREDO HAROL ALEJANDRO SILES MARZANA ANA ISABEL COCHABAMBA -BOLIVIA Mayo, 2008 SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y SEGURIDAD REMOTA BASADA EN TELEFONÍA MOVIL GSM - 1 -

2 OBJETIVO GENERAL: Proporcionar un sistema de seguridad y supervisión de varios procesos tanto en movilidades, domicilios ó industrias sin poner en riesgo la integridad física de las personas u operarios. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Diseño de sistemas de monitoreo y adquisición de datos para el control y supervisión de estos desde cualquier punto remoto mediante un teléfono móvil, empleando un módem GSM conectado a un procesador (PIC) Realizar el control remoto de cualquier evento mediante el envío y la recepción de mensajes cortos de texto SMS (Short Message Service), los cuales podrán ser redireccionados a distintos números de teléfono, según los protocolos establecidos en la aplicación. Implementar una interfaz de entrada que interprete las señales electrónicas emitidas por los diversos sensores o cualquier evento y generar alarmas para que sean puestas en consideración por el usuario. Proporcionar un control restringido en función del móvil que solicita el acceso. Tres posibilidades; activo ó autorizado para realizar consultas, recepción de alarmas y permiso de escritura. Configuración flexible y sencilla de condiciones de alarma, basándose en operaciones, relaciones y lógicas. JUSTIFICACIÓN: En todos tipo de procesos, se pueden originar en ocasiones imprevisibles situaciones de alarma debido a un fallo en cualquiera de los sistemas con los que cuenta el proceso. Estos fallos pueden provocar situaciones peligrosas para los operadores y/o usuarios del proceso, una parada en el proceso o un mal funcionamiento del sistema dependiendo de la gravedad del mismo. En cualquier caso puede repercutir en unos costes, que se pueden incrementar si no se soluciona el problema en el menor tiempo posible. En consecuencia es de vital importancia la pronta actuación en este tipo de situaciones. La única forma de luchar contra estas situaciones es la información. Cuanto antes se conozca el problema y su naturaleza, es decir se obtenga información, antes se solucionará, reduciendo los citados costes. Ahora se nos plantea el problema de obtener información instantánea de la alarma ocurrida. Para solucionar este problema necesitamos monitorizar de forma constante el proceso en todas sus etapas y cada uno de sus sistemas, o al menos los más importantes. La información se obtiene a través de las variables analógicas y digitales que nos proporciona el sistema de sensores. Esta información expresada en soporte eléctrico, debe - 2 -

3 ser comunicada de manera comprensible al sistema automático que controla los actuadores o al usuario u operador para que actúe en consecuencia. La mejor manera de comunicar el estado de los sensores y del proceso en sí al personal es de manera gráfica utilizando algún dispositivo HMI, Human Machina Interfaz, o mediante el uso de un ordenador, PC. Esta segunda opción es indudablemente más económica. En consecuencia para obtener la máxima información sobre el proceso de la manera más eficiente, necesitamos un SCADA, un medio que nos ofrezca una interfaz gráfica con el proceso industrial a través del sistema de sensores o través del sistema automático que esté implantado. Con la implantación de este elemento tenemos solucionada una parte del problema, pero sigue latente la necesidad de comunicar de manera inmediata, o en el menor tiempo posible, los errores del sistema. Para lo cual es necesario combinar este elemento indispensable con algo que sirva para establecer una vía de comunicación directa cuando se produzca la alarma. La vía de comunicación que se necesita establecer deberá de ser instantánea, debido a los requerimientos anteriormente expuestos, barata, de cara a reducir costes, y de fácil acceso. Gracias al desarrollo de la tecnología, nuestra sociedad se ha convertido en la sociedad de la información, pudiendo establecer comunicación con cualquier persona en cualquier momento gracias al teléfono móvil. El teléfono móvil, herramienta indispensable de trabajo, es un elemento de comunicación instantáneo, barato y de fácil acceso. Y dentro de la telefonía GSM la comunicación a través de mensajes SMS es la mejor manera de comunicar un volumen de información pequeño pudiendo almacenarse en memoria para tener constancia de él. Resumiendo necesitamos un sistema que sirva de interfaz entre el proceso industrial y los operarios, SCADA, y además que se comunique de manera instantánea a través del teléfono móvil, telefonía GSM, dando información sobre el evento, alarma o aviso, acaecido. INTRODUCCIÓN: Para resolver este problema en concreto y habiendo revisado los temas precedentes, es que presentamos este proyecto

4 Una de las necesidades de los sistemas de producción es la de aprovechar los recursos humanos de forma eficiente y aumentar la operatividad del sistema, con el fin de ahorrar costes y al mismo tiempo dar mejor servicio. En este sentido, ampliar las posibilidades de acceso al sistema para aumentar la disponibilidad de los operadores y dotarles de mayor libertad de movimiento, es una forma de conseguir las prestaciones mencionadas. La solución adoptada por parte nuestra, está basada en la transmisión de mensajes por telefonía celular digital, y en la utilización de modems y teléfonos móviles GSM. Concretamente, emplear el servicio de mensajería SMS (Short Message Service), bidireccional confirmado, de manera que se pueden enviar textos (de hasta 160 caracteres) que se visualizan en la pantalla de los teléfonos móviles. Dicho sistema que permite, de forma manual o automática, generar una llamada al teléfono móvil especificado para avisar de cualquier avería, evento o aviso en general que se desee notificar a los operarios desplazados fuera de la central de control y supervisión, y además poder realizar, desde cualquier teléfono móvil autorizado, peticiones o actualizaciones de variables de una aplicación. Ventajas del sistema: No es necesaria una línea física de interconexión, lo que permite colocar la aplicación y el usuario en cualquier punto. Permite realizar operaciones de adquisición y tratamiento de eventos de forma remota sin que este implique algún tipo de problema al usuario y/u operador. Siendo un adminículo de uso personal, el peso y el tamaño del móvil se reduce continuamente, lo que contribuye a su transportabilidad. El precio del móvil es muy reducido, y además el usuario amortiza el costo con su uso personal, sin que repercuta en el costo final de la aplicación; también cabe indicar que el precio del módem, tampoco es significativo frente a los sistemas típicos de un sistema automatizado. Desventajas del sistema: El sistema puede enviar y recibir mensajes y órdenes continuamente, pero cuando el tiempo de respuesta es un factor crítico (Alarmas vitales, paradas de emergencia,.), no puede confiarse en ningún margen preestablecido, En otras palabras, el sistema no es determinista. La comunicación sólo podrá establecerse si existe cobertura para la señal. Dado que esta depende de la posición del operador y del estado de la red, no puede garantizarse el enlace permanentemente. La alimentación eléctrica del móvil es un problema, pues la batería debe recargarse periódicamente caso contrario el usuario permanece desconectado del sistema. Aunque no están definitivamente establecidos, los efectos fisiológicos de la telefonía celular, la aplicación del principio recomendado de gestión de riesgo as low as - 4 -

5 reasonably achievable puede llevar a una reducción de la potencia de los terminales y módems, dificultando la expansión de las aplicaciones. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA: El sistema debe permitir: Enviar órdenes desde el operador (Parada/Marcha, cambio de consignas, etc.) y recibir respuesta de ejecución desde el Controlador PIC (Fig.1) Enviar alarmas desde el PIC y reconocerlas por confirmación desde el operador, modificando si procede la secuencia de control. (Fig.1) Los componentes del sistema descrito son (Fig.2) el controlador PIC, el módem GSM y el móvil del usuario, incluyendo una PC que servirá para la programación y puesta a punto de los elementos, sin descartar la posibilidad de realizar un SCADA. MODEM GSM: Un MODEM GSM no es más que una Terminal celular semejante a un teléfono móvil pero sin teclado ni display. Por lo tanto, necesita darse de alta en algún operador, que le proporcionará un número de contrato o tarjeta, y un número de Centro de Mensajes, para la recepción/envío de mensajes SMS. En cuanto al software de control o comandos del MODEM, la mayoría de ellos se ajustan a la norma Hayes. CONTROLADOR PIC : Las instrucciones del usuario permite la manipulación de puertos seriales para la recepción y envío de datos, una vez parametrizados correctamente con el software de programación adecuado

6 Los datos transmitidos/recibidos pueden estar codificados en diferentes formatos, siendo los más usuales los códigos ASCII y Hexadecimal. En concreto, los comandos y datos a enviar al MODEM deben ser previamente tratados en registros internos del controlador, hasta formar la secuencia completa comando AT + parámetro. Para las aplicaciones futuras que se le pueden dar al sistema, emplearemos microcontroladores PIC de Microchip de las familias 16F 18F, la serie 16F nos permite realizar la comunicación por medio de puerto serial y la serie 18F nos da la posibilidad de realizar el enlace aplicando el puerto USB. Ambas familias nos dan la posibilidad de gestionar las instrucciones de TXD y RXD, que permiten el envío y recepción de datos a través de los mismos. Para la sincronización entre el PLC y el MODEM es necesario interpretar correctamente el fin de cada transmisión. Para ello, al final de la mayoría de los comandos AT se debe enviar un CR (Carry Return) y un LF (Line Feed). DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN: La aplicación desarrollada cubre dos opciones, representadas esquemáticamente (fig1) Supervisión/Control del proceso Generación y envío de alarmas El protocolo de usuario para la Supervisión se establece como sigue: 1. Envío de un mensaje codificado al MODEM desde un teléfono móvil, demandando cierta información. 2. Recepción en el MODEM, y re-envío al PIC, cuyo puerto permanecerá en estado de lectura (es decir, esperando la ejecución de una instrucción RXD) 3. Lectura del mensaje en registros del PIC, e identificación del mismo por comparación con una plantilla de órdenes predefinidas. 4. Atención de la orden, y generación de la secuencia de respuesta a transmitir. 5. Escritura de la secuencia en el MODEM, incluyendo el número del móvil al que se enviará la información. 6. Confirmación de envío desde el móvil, y paso al estado de recepción (lectura). Si el mensaje recibido es de Control y no de Supervisión, el PIC lo atenderá después de identificar la orden (punto 3) devolviendo (puntos 4, 5) un mensaje de confirmación de orden ejecutada al usuario, por ejemplo, ORDEN OK. Para el caso de emisión de Alarmas, el protocolo es: 1. Preparación de la secuencia a transmitir, incluyendo o no variables de proceso, tras la aparición de la alarma. 2. Escritura del mensaje en el móvil, y la confirmación de recepción por parte de éste

7 3. Paso del PIC al estado de recepción, y espera de la confirmación de lectura por parte del usuario. 4. Recepción de la confirmación de usuario en el PIC, y activación de las siguientes opciones (Según la alarma enviada) a. Paso al estado de Supervisión/Control, en espera de nuevas indicaciones por parte del usuario b. Actuación directa sobre el proceso Ambos protocolos se han programado de forma que tras cada escritura en el MODEM es necesario hacer una lectura del mismo, para comprobar que el comando ha sido correctamente atendido (respuesta OK ). Esta comprobación asegura la robustez del sistema en el nivel básico de enlace, aunque no se ha introducido ningún protocolo de identificación/corrección de errores: desconexión del móvil llamado, o no recepción de la respuesta de confirmación desde el mismo, órdenes de usuario (mensajes) no identificables, etc., dado que esta comprobación es muy dependiente de la aplicación final desarrollada. Todos los comandos y datos enviados /recibidos por el puerto de enlace PIC- MODEM lo son codificando los caracteres ASCII en serie, tal y como deben aparecer en el mensaje final. La secuencia general de cada etapa, y por ende de toda la aplicación, está esquemáticamente representada. (Fig.3) La inicialización carga en los registros del PIC las constantes de la aplicación: - datos de configuración para enviar al MODEM - textos de mensajes constantes predefinidos, para enviar al MODEM, o comparar con mensajes recibidos, - la parte del mensaje de salida que incorporará variables de estado del proceso

8 TECNOLOGÍA GSM/GPRS: GPRS (General Packet Radio Service) es un sistema de comunicaciones inalámbricas basado en la conmutación de paquetes. Pertenece a la denominada generación 2.5 (2.5G), por ser el resultado de la evolución de GSM (2G) y representar un paso hacia los sistemas 3G. Es una tecnología superpuesta a la infraestructura GSM existente (Fig.4), es decir, sólo requiere unas modificaciones sobre la red GSM (añadir nuevos elementos que funcionen como pasarelas específicas para la conexión de datos); por lo que continúa soportando los servicios de dicha tecnología y añade uno nuevo que permite la transmisión de paquetes vía radio, utilizando el protocolo IP. Esta característica ha hecho posible que GPRS permita la conexión a Internet. INFRAESTRUCTURA GSM: A continuación se muestra un esquema de los elementos que componen la red GSM (Fig.5). Todos ellos están presentes en la red GPRS; pero con ciertas modificaciones, consistentes en la actualización del software existente y en la implantación de nuevos elementos

9 TARJETA SIM: Un elemento importante de los terminales es la SIM [9] (Suscriber Identity Module). Es una tarjeta que permite personalizar al terminal. En ella se encuentran los parámetros identificativos del usuario y los tipos de servicios contratados. Esta tarjeta se inserta en el interior del móvil, permitiendo al usuario el acceso a la red. Contiene los números de seguridad para evitar el uso fraudulento del Terminal móvil. Dichos números se detallan en la figura 6. APLICACIONES DEL SISTEMA: Como se mencionó en el objetivo principal, del proyecto consiste en aplicar instrumentos triviales de comunicación (Telefonía Celular) para proporcionar sistemas de seguridad, supervisión y control de forma remota, logrando así proporcionar seguridad a los - 9 -

10 usuarios y/u operadores y este sistema puede ser aplicado en varios ámbitos, de los cuales ponemos a consideración algunos de ellos. 1. Seguridad de vehículos (Sistemas antirrobo o de localización) 2. Domótica (Seguridad y confort de casas, departamentos, edificios, etc) 3. Industrial (Control de procesos o de máquinas) 1. Seguridad de vehículos (Sistemas antirrobo o de localización) En esta aplicación se tiene un sistema de completo de seguridad instalado en un vehiculo, que consta de cuatro sensores: De presencia, Rotura de Vidrios, Apertura de Puerta, y Encendido del Vehiculo, siendo ellos los que comunican al microcontrolador(uc) la presencia de intrusos, en el vehiculo y ejecutándose un algoritmo de seguridad, programada en el uc, lo cual involucra, llamada de voz al celular del dueño, envio de mensajes, de acuerdo al sensor activado, activación de la alarma y en ultimo caso el bloque del combustible del vehiculo, obstaculizando de esta manera el robo del vehiculo, siendo flexible este sistema para el dueño del vehiculo dándole la opción de que con un llamada de voz normal al MODEM (celular) instalada en el vehiculo, pueda bloquear al automóvil completamente, donde quiera que se encuentre, teniendo también la opción de con una llamada de voz, el uc puede responder automáticamente y poder escuchar el audio ambiente dentro del vehiculo y así permitir al dueño saber con precisión lo que esta ocurriendo en su vehiculo remotamente. 2. Domótica (Seguridad y confort de casas, departamentos, edificios, etc) Esta aplicación cobra importancia, en el sentido de que hoy en día es difícil encontrar al dueño de un vivienda sin celular, porque hoy en día hay mas celulares que líneas fijas, y ello es una ventaja para este sistema, porque a que persona no le gustaría tener la supervisión de su domicilio en su propio celular, mientras este fuera de casa, que le mantenga informado, si las cosas marchar bien o hay algún intruso. El sistema desarrollado, consta de varios sensores: sensor infrarrojo que actúa en línea recta activándose cuando alguien interrumpe el haz de luz, con un alcance de 30 metros, ideal para los muros frontales de las viviendas, sensor de presencia, esto en 90 º y 360º, instalados en habitaciones, sensor magnéticos para rotura de vidrios, etc, todos estos sensores conectados al microcontrolador, el cual esta programado debidamente para comunicar de los eventos al dueño del domicilio, y activar las alarmas correspondiente, dando la opción al dueño, que desde su celular puede tener control sobre el sistema eléctrico de su domicilio por ejemplo: Para ahuyentar al ladrón podrá encender la luz del dormitorio, prender el equipo sonido de su sala, etc. 3. Industrial (Control de procesos o de máquinas) Otra aplicación de mucha importancia es en la supervisión de procesos industriales, donde mayormente las maquinas trabajan las 24 horas del día, o es que están alejadas y de difícil acceso continuo, o en caso contrario implican riesgo para el operario, donde le

11 tiene al tanto al operario como al personal autorizado del funcionamiento de la maquinaria industrial o algún desperfecto sufrido por la maquinaria, a través de su propio celular, y otra aplicación de vital importancia es el sistema SCADA, que conjuntamente con un computadora se encargan de este proceso, el cual ya se describió anteriormente. CONCLUSIÓN: Este sistema desarrollado sienta las bases para realizar una comunicación bidireccional a través de la tecnología GSM y en particular a través de mensajes SMS tan usados para la comunicación la sociedad actual. En este trabajo presentamos los principios de operación para establecer una supervisión/control/seguridad a distancia de cualquier aplicación controlado por el PIC por medio de la telefonía móvil celular. Las aplicaciones descritas pueden ser adaptadas a cualquier proceso que no exija tiempos de respuesta críticos, sin más que cambiar los protocolos de comunicación programados en el PIC

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