Sistema de Radio triangulación con antenas yagui y plataforma móvil

Transcripción

1 Plataforma 3.- (Paper de GIS) Título: Sistema de Radio triangulación con antenas yagui y plataforma móvil Autor: Ing. William Ernesto Camilo Reynoso, Msc. Docente & investigador del centro internacional de investigación CREA. Instituto Tecnológico de Las Américas ITLA. Santo Domingo, República Dominicana Mayo Abstract. Se ha despertado hoy día un gran interés por conocer las particularidades de la geomática, dentro del desarrollo de los sistemas automáticos para la adquisición de información de la tierra en el área geográfica. El tratamiento de un gran volumen y diversidad de datos, la gran base de datos, el análisis espacial integrando datos georenferenciados, el análisis de proximidad buffer y la superposición de capas, han hecho del GIS un componente primordial de esta nueva ciencia de la tierra con la capacidad de hacer la geografía del espacio físico, ya no sólo geográfico sino también social. Una parte de primordial importancia en el desarrollo de los sistemas GIS es la digitalización de las dimensiones y características del terreno bajo estudio. De ahí que la modelación del mismo para la obtención de los ficheros digitales representativos del terreno; sea parte vital de la data necesaria para la base de datos del sistema. Los sistemas de información geográfica GIS, requieren entre otras cosas de plataformas automáticas para las funciones de georeferenciación o referenciación geográfica de lugares o entidades dentro de la cartografía de un lugar, provincia, o nación. Es nuestro interés desarrollar una plataforma inteligente que integre Radiometría para los ángulos entre los componentes del modelo entre RFID y el GPS; para orientar a un sistema de información geográfica sobre sus coordenadas de latitud y longitud sobre un plano referenciado a la tierra.

2 La radiometría se establece mediante las propiedades de direccionalidad que poseen las antenas; para obtener mayores prestaciones de recepción de las señales cercanas a su frecuencias de resonancias en determinados ángulos de posición emisiva y/o receptiva. Este fenómeno nos permite saber la dirección donde se encuentra el elemento emisor de radio frecuencia. Osea si me alejo de la dirección la intensidad de la señal es mas débil y viceversa. Por otro lado la distancia entre receptor y emisor se determina por la fórmula : d= c*t. Siendo; d ( distancia ), c ( velocidad de la luz ) y t ( tiempo en que tarda la señal para viajar entre el emisor y el receptor ). Fig.1.- Radiometría para los ángulos entre los componentes del modelo entre RFID y el GPS ( Fig. del autor ). Para el cálculo del ángulo de dirección de la señal de Radio Frecuencia del RFID y por ende del ángulo de la ubicación física del mismo; podemos utilizar la dirección señalada por la antena directiva yagui que aparece en el rastreador rotario de las figuras 1 arriba mostradas; o en su defecto como refiere la figura sobre nosostros hacer uso de una antena adicional para radiogoniometría para implementar un radiocompás que repetimos aquí debajo:

3 Fig.2.- Detalle del radiocompás Nota: El radiocompás automático utiliza una antena de cuadro y una antena de sentido en un servosistema. La antena de cuadro vista en la fig. a) es acoplada a un servomotor, el cual es actuado por una señal de error derivada de la antena de cuadro y gira ésta hasta que el error sea cero. Tomando como unidad de módulos el producto de (E x L) y como referencia de fase ( fase cero ) la tensión inducida en el conductor de referencia antes citado, tendremos que: Si hacemos Si cortamos ahora la antena de cuadro por el plano XY, tendremos la representación de la figura b) Y deduciremos las respectivas fases: Si hacemos

4 Pues conocemos la longitud de onda de la señal del RFID y la tensión V recibida por el receptor equivalente al mensaje de la portadora de RF. Fundamentos de RadioFrecuencia. Una señal de comunicación se puede describir como un conjunto de componentes que barren un rango de frecuencias electromagnéticas. Las propiedades de transmisión de la señal dependerán de las frecuencias que estén involucradas. Igualmente los defectos y limitaciones que sufre la señal en la transmisión, como por ejemplo, la atenuación, son dependientes de la frecuencia. Íntimamente relacionado con las señales y los medios de transmisión está el problema de cómo codificar los datos en las señales a transmitir. Las técnicas de codificación son igualmente un factor que influirá en las prestaciones del sistema de transmisión. Si la capacidad de enlace es superior a los requisitos de una transmisión típica, en aras a proporcionar un uso eficaz del medio de transmisión es necesario la utilización de varias técnicas de múltiplexación. Cualquier señal electromagnética, analógica o digital, está conformada por una serie de frecuencias constituyentes. Un parámetro clave en la caracterización de la señal es el ancho de banda, definido como el rango de frecuencias contenidas en la señal. En términos generales, cuanto mayor es el ancho de banda de la señal, mayor es su capacidad de transportar información. Las dificultades o defectos de las líneas de transmisión a superar son: la atenuación, la distorsión de atenuación, la distorsión de retardo, así como los distintos tipos de ruidos ( térmico, de intermodulación, diafonía e impulsivos). El diseñador de un sistema de comunicación debe tener cuatro factores determinantes: el ancho de banda de la señal, la velocidad de la información digital, la cantidad de ruido junto a otros defectos en la transmisión, y por último la proporción o tasa de errores tolerable. El éxito en la transmisión de datos depende fundamentalmente de la calidad de la señal que se transmite y las características del medio de transmisión. Para caracterizar y comprender mejor el funcionamiento de la transmisión de datos, el dominio de la frecuencia resulta ser más ilustrativo que el dominio del tiempo.

5 Conceptos en el dominio temporal: Cualquier onda seno se representa mediante tres parámetros: la amplitud (A), la frecuencia ( f ), y la fase (& ). La frecuencia es la razón [ en ciclos por segundos o Hertzios (HZ)] a la que la señal se repite. La longitud (L ) de onda de una señal es la distancia que ocupa un ciclo, o sea es la distancia entre dos puntos de igual fase en dos ciclos consecutivos.( L = C/f ); siendo C la velocidad de la luz. Conceptos en el dominio de la frecuencia: Una señal electromagnética puede estar compuesta de muchas frecuencias, por ejemplo, la señal S(t)= (4/pi)*(sen(2pi*f*t) + (1/3)sen ( 2pi(3*f)t). Aquí la señal esta compuesta por dos términos correspondientes a las frecuencias f y 3f. El espectro de una señal es el conjunto de frecuencias que lo constituyen. Si el espectro se extiende desde f a 3f, se define el ancho de banda absoluto 3f-f = 2f. Muchas señales tienen ancho de banda infinito, no obstante, la mayor parte de la energía de la señal se concentra en una banda de frecuencias relativamente estrecha. Esta banda se denomina ancho de banda efectivo o simplemente ancho de banda. El término componente continuo (dc), es la componente de frecuencia 0. Ancho de banda efectivo, es la banda en la que se concentra la mayor parte de la energía de la señal. Si la velocidad de transmisión de la señal es w bps, entonces se puede obtener una buena representación con un ancho de banda de 2w HZ. Otra observación es que si consideramos que el ancho de banda de una señal está centrado sobre una frecuencia dada, denominada frecuencia central, cuanto mayor sea dicha frecuencia central mayor es el ancho de banda potencial, y por tanto, mayor puede ser la velocidad de transmisión. por ejemplo una señal centrada en torno a 2 MHZ, su ancho de banda máximo es de 4MHZ. El espectro de la voz es aproximadamente entre 100 HZ y 7 KHZ, un ancho de banda más estrecho produciría una calidad aceptable. El espectro estándar para las señales de voz está entre 300 y 3400 HZ. Esta reducción es adecuada para la transmisión de voz y a la vez reduce la capacidad de transmisión necesaria y posibilita reducir el costo del uso de los teléfonos. Una potencia de 1000w corresponde a 30 dbw y una potencia de 1 mw, corresponde a 30 dbw. Potencia ( dbw) = 10 log [ potencia (w)/1w] Tensión (db mv) = 20 log [Tensión (mv)/1mv] ; 0 (db mv) equivale a 1mV., se ha supuesto que la caída de tensión se realiza en una resistencia de 75 OHMS. Una ganancia de 3 db corresponde a multiplicar por 2 la potencia; mientras que una pérdida d 3 db corresponde a dividir la potencia entre 2. Los decibeles son útiles para determinar la ganancia o pérdida acumulada por una serie de elementos de transmisión. Ondas de Radio: La diferencia más apreciable entre las microondas y las ondas de Radio es que estas últimas son Omnidireccionales, mientras que las primeras tienen un diagrama de radiación mucho más direccional. Por lo tanto, las ondas de Radio no necesitan antenas parabólicas, ni necesitan que dichas antenas estén instaladas sobre plataforma rígida para estar alineadas.

6 Con el término Radio se alude a frecuencias desde 3 KHZ a 300 GHZ. De manera informal se usa el término onda de radio para aludir la banda VHZ y parte de la UHF: de 30 MHZ a 1GHZ. Este rango cubre la radio comercial FM así como televisión UHF y VHF. También se usa para una serie de aplicaciones de redes de datos. Características de Transmisión : El rango de frecuencias comprendido entre 30 MHZ y 1 GHZ es muy adecuado para la difusión simultánea a varios destinos. A diferencia de las ondas electromagnéticas con frecuencias menores, la ionosfera es transparente para ondas con frecuencias superiores a 30 MHZ. Así la transmisión es posible cuando las antenas están alineadas, no produciéndose interferencias entre los transmisores debidas a las reflexiones con la atmósfera. A diferencia de la región de las microondas, las ondas de radio son menos sensibles a la atenuación producida por la lluvia. Modulación en Amplitud ( AM ): Es la técnica más sencilla de modulación matemáticamente el proceso se puede expresar Fig.3.- Espectro de una señal de Amplitud Modulada (AM) Así la señal resultante tiene una componente a la frecuencia original de la portadora, más

7 un par de componentes adicionales separadas m f hertzios de la frecuencia de la portadora. Debería estar claro que la señal S(t) contiene componentes innecesarias, ya que cada una de las bandas laterales contiene todo el espectro de m(t) que es la señal original moduladora. Una variante de AM, denominada AM de banda lateral única (SSB, single sideband), aprovecha este hecho, transmitiendo sólo una de las bandas laterales, eliminando la otra y la portadora. Las principales ventajas de esta aproximación son: Solamente se necesita la mitad del ancho de banda, es decir B(T)= B, donde B es el ancho de banda de la señal original. En DSBTC, B(T)= 2B Se necesita menos potencia ya que se ahorra la potencia correspondiente a la portadora y a la otra banda lateral. Otra variante es la doble banda lateral con portadora suprimida ( DSBSC), double sideband supressed carrier), en la que se elimina la frecuencia portadora y se transmiten las dos bandas laterales. Con este procedimiento se ahorra algo de potencia, pero se utiliza igual ancho de banda que en DSBTC. La ventaja de suprimir la portadora es que se puede usar para la sincronización. Modulación en Frecuencia ( FM ) y en ángulo ( PM) : La modulación en frecuencias ( FM, frecuency modulation ) y la modulación en fase (PM, phase modulation) son casos particulares de la denominada modulación en ángulo. Las definiciones anteriores se pueden clarificar mediante la siguiente argumentación matemática. La fase de S(t) en cualquier instante dado es : La desviación de la fase instantánea respecto de la señal portadora es En la modulación en fase (PM), esta desviación instantánea de fase es proporcional a m(t). Debido a que la frecuencia se puede definir como la velocidad de cambio de la fase de una señal, la frecuencia instantánea de S(t) viene dada por:

8 Características de las bandas en comunicaciones no guiadas

9 Etiquetas Electrónicas o Etiquetas RFID. Son etiquetas que contienen un chip semiconductor y un transmisor conectado a una antena. En general, las etiquetas RFID poseen tres ventajas clave respecto de las etiquetas de códigos de barras que se utilizan a diario: Las etiquetas RFID son menos susceptibles a ser dañadas. Los sistemas RFID pueden leer etiquetas múltiples en períodos de tiempo extremadamente cortos, sin que tenga un línea de visión. RFID posee el potencial de tener una capacidad de lectura / escritura, permitiendo que las etiquetas puedan volver a utilizarse. La memoria de estas etiquetas se puede configurar de diversas maneras: RO (read only). Sólo permiten la lectura de la información, la cual se escribe durante el proceso de fabricación de las etiquetas. WORM (write once read many). Permite al usuario escribir la información cuando le conviene y una sola vez. Permite múltiples lecturas. RW (read-write). La información puede ser escrita y rescrita muchas veces. Permite también múltiples lecturas. Antenas. Son dispositivos que permiten radiar las señales de los lectores y recibir la información contenida en las etiquetas. Middleware. Es como se denomina al software necesario como interfaz entre el receptor/emisor y las bases de datos, el software de gestión y los sistemas informáticos en general de cada compañía.

10 Frecuencias Básicas. Frecuencia HF Distancia de lectura de hasta 2 metros. Capacidad de Lectura / Escritura Comunicación estable lector - transponder. Protección contra reflejos ambientales. Buena velocidad de transferencia de datos. Los sistemas de lectura no requieren licencias de usuario. Aplicable en zonas industriales y peligrosas. Estandarización ISO y del interfaz aéreo. Estándar ISO y epc. Frecuencia UHF Mayor distancia de lectura (Distancias de lectura de hasta 15 metros) Capacidad de lectura / escritura. Alta velocidad de lectura de datos. Gran número de transponders leídos por segundo. Procedimiento anticolisión rápido. Estándar ISO y el EPC. Conclusión Los sistemas de información geográfica manejan información territorial de diversos tipos, en función de los modelos de datos y de la naturaleza de las variables. Es una constante, sin embargo, que los textos sobre SIG mantienen siempre en un primer plano la información y el tratamiento de variables nominales, olvidando o mencionando sólo de forma anecdótica todo un conjunto de información territorial de naturaleza intrínsecamente cuantitativa. El motivo de ello es, probablemente, que los SIG comenzaron traduciendo la información preexistente, mayoritariamente reflejada en forma de mapas temáticos de naturaleza intrínsecamente nominal. El manejo de información cuantitativa y con valores no limitados a priori a un cierto número de categorías se organiza en estructuras de datos denominadas genéricamente modelos digitales del terreno, o MDT. Es de suma importancia entonces el desarrollar herramientas como los Sistemas de Radio triangulación con antenas yagui y plataforma móvil de georeferencia para poder integrar la data ofrecida a través de los modelos digitales del terreno a la cartografía de uso común por el usuario, para encontrar y alcanzar objetos y lugares requeridos.