DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE VELOCIDAD, REGISTRO Y MONITOREO DE MOVIMIENTOS DEL DÍA PARA UN VEHÍCULO DIESEL

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE VELOCIDAD, REGISTRO Y MONITOREO DE MOVIMIENTOS DEL DÍA PARA UN VEHÍCULO DIESEL ERIKA ANDREA CAJAMARCA RICO JULIÁN ANDRÉS DÍAZ DÍAZ JAVIER EDUARDO QUIROGA RIVAS UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2006

2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE VELOCIDAD, REGISTRO Y MONITOREO DE MOVIMIENTOS DEL DÍA PARA UN VEHÍCULO DIESEL ERIKA ANDREA CAJAMARCA RICO JULIÁN ANDRÉS DÍAZ DÍAZ JAVIER EDUARDO QUIROGA RIVAS Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Electrónico Asesor: GIOVANNI SÁNCHEZ PRIETO Ingeniero Electrónico UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2006

3 Nota de aceptación: Firma del presidente del jurado Firma del jurado Firma del jurado Bogotá D.C. 30 de Mayo de 2006

4 DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a todas las personas que nos apoyaron en el transcurso de su desarrollo y a todos aquellos que incondicionalmente aportaron valiosos conocimientos para su culminación, a la Universidad por ser el centro de conocimiento y desarrollo, a todos los Docentes que durante la carrera nos estructuraron a nivel personal y académico hacia una alta ingeniería, también a nuestra Asesora Metodológica Patricia Carreño por su valiosa colaboración y al ingeniero Giovanni Sánchez por su incondicional apoyo. Un agradecimiento especial a nuestras familias que nos ayudaron, apoyaron y comprendieron durante este proceso.

5 AGRADECIMIENTOS A Dios que me cuida y me guía. Agradezco a mi familia que ha sido una fuente de apoyo incondicional, por ellos llego a esta etapa de mi vida y tengo la fuerza para continuar mi camino. Gracias por sus consejos, cariño y compañía. A las diferentes personas: amigos, compañeros y profesores que conocí a lo largo de la carrera y me aportaron grandes cosas a nivel personal y profesional muchas gracias. Erika Andrea Cajamarca Rico Agradezco a Dios por darme la confianza y la voluntad de hacer las cosas por mi mismo, a mis amigos de trabajo porque siempre están ahí donde más los necesito y en especial el apoyo de mis padres porque gracias a ellos no me ha faltado nada, quienes me ayudaron a cumplir mis metas y mis objetivos en la vida y sin ellos no sería la persona que soy hoy. Julián Andrés Díaz Díaz Agradezco a Dios que me da la fuerza y me permite llegar a esta etapa de mi camino, brindándome salud y vida para estar otro día más frente al mundo; a mis padres que me apoyaron durante todos esos duros y buenos momentos sin importar las circunstancias, guiaron mi camino por el sendero de la verdad y me enseñaron a creer que podemos lograr lo que queremos, pero para esto tenemos que esforzarnos mucho que no todo es fácil en la vida y a todos mis amigos que pese a los momentos difíciles, los verdaderos aún están, cuando más se necesitaron. Javier Eduardo Quiroga Rivas

6 CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ANTECEDENTES Dispositivos pasivos sin comunicación Comunicación vía radial o celular Comunicación satelital Acceso IP inalámbrico o wireless IP La situación de América Latina DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA FORMULACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS General Específicos ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO Alcances Limitaciones 24

7 2. MARCO DE REFERENCIA MARCO CONCEPTUAL MARCO LEGAL O NORMATIVO MARCO TEÓRICO Sistema GPS Estaciones terrenas Segmentos del sistema GPS Principios de funcionamiento del sistema GPS Estructura de la señal GPS Formatos estándar GPS Bases de datos Concepto Sistema de gestión de la base de datos Tareas del SGBD Funciones de la base de datos El administrador de la base de datos Beneficios de la base de datos 46

8 3. METODOLOGÍA ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN LÍNEA DE INVESTIGACIÓN TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN POBLACIÓN Y MUESTRA HIPÓTESIS VARIABLES Independientes Dependientes ANÁLISIS DE RESULTADOS DISEÑO INGENIERÍL ESPECIFICACIÓN DEL SISTEMA SELECCIÓN DEL HARDWARE Selección del receptor GPS Receptores GPS preseleccionados: Receptor seleccionado: Características técnicas del receptor A1029-B Selección de la antena GPS y características técnicas 62

9 5.2.3 Selección del microcontrolador Microprocesadores preseleccionados Microcontrolador Seleccionado Selección de memoria Selección de batería Selección de dispositivos de visualización SELECCIÓN DEL SOFTWARE Selección del programador del microcontrolador Lenguajes de programación preseleccionados Programa del microcontrolador seleccionado Selección del protocolo de comunicación Selección del software para el entorno con el usuario Selección del lenguaje de las bases de datos Selección de sistema de administración de BD DESARROLLO DEL SISTEMA Comunicación del GPS con el HyperTerminal Transmisión de los datos del GPS al computador a través 90 del microcontrolador

10 5.4.3 Almacenamiento de los datos del GPS en la memoria 91 RAM del microcontrolador Envío de datos de configuración al GPS Procesamiento de la información por el PIC y 97 visualización en la LCD Almacenamiento en la memoria flash EEPROM Desarrollo del programa del microcontrolador Realización de los programas de almacenamiento de 105 datos en el computador Programa del almacenamiento de datos en el PC Especificaciones del sistema Esquemático del sistema Pistas 120 CONCLUSIONES 121 RECOMENDACIONES 123 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 124 ANEXOS 126

11 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Características del receptor GPS 60 Tabla 2. Descripción de los pines del receptor A1029-B 62 Tabla 3. Características técnicas de la antena GPS 64 Tabla 4. Características de microcontroladores familia 18F 73 Tabla 5. Especificaciones técnicas de la batería de reserva 77 Tabla 6. Mensajes NMEA utilizados 96 Tabla 7. Distribución de caracteres de la LCD 98 Tabla 8. Tablas de bases de datos 110

12 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Estaciones terrenas 31 Figura 2. Segmentos GPS 33 Figura 3. Posicionamiento del sistema GPS 34 Figura 4. Cálculo de la distancia del satélite 35 Figura 5. Medida de la distancia a los satélites 36 Figura 6. Señales GPS del satélite 37 Figura 7. Estructura de una base de datos 43 Figura 8. Diagrama del sistema 54 Figura 9. Receptor Lassen SK II de Trimble 56 Figura 10. Receptor GPS A1029-B 58 Figura 11. Encapsulado del receptor A1029-B 61 Figura 12. Perspectiva mecánica del receptor GPS 61 Figura 13. Antena para GPS 63 Figura 14. Diagrama de pines PIC 18F Figura 15. Pantalla de cristal líquido 78 Figura 16. Display 78 Figura 17. Formato de base de datos en Microsoft Access 85 Figura 18. Receptor GPS empotrado en la placa de interconexión 88 Figura 19. Configuración del Hyperterminal para recibir datos del GPS 89 Figura 20. Tramas de datos en NMEA 0183 visualizados 90 Figura 21. Diagrama transmisión de datos 91 Figura 22. Diagrama de almacenamiento de datos en memoria RAM 92 Figura 23. Visualización de caracteres a través de la LCD 98 Figura 24. Etapas del software 105 Figura 25. Formulario de inicio de sesión 105 Figura 26. Página principal 106

13 Figura 27. Formulario de inscripción de vehículos 106 Figura 28. Formulario de eventos 108 Figura 29. Módulo de usuarios 108 Figura 30. Formulario de permisos 109 Figura 31. Línea de comandos MySQL 111

14 LISTA DE ANEXOS Pág. Anexo A RESOLUCIÓN 1122 DE 2005 (26 de Mayo de 2005) 126 Anexo B DECRETO NÚMERO 1360 DE Anexo C Esquemático de la placa de interconexión de dispositivos 134 Anexo D Código fuente 135 Anexo E DECRETO 1137 DE Anexo F Cronograma

15 GLOSARIO ALMANAQUE: información enviada de forma periódica por los satélites de la constelación, informando sobre ellos mismos y el resto de satélites miembros del sistema, etc. BASE DE DATOS: conjunto de datos estructurados para permitir su almacenamiento, consulta y actualización en un sistema informático. COLD START: proceso de recepción de información de los satélites al receptor, si la unidad GPS tiene un almanaque válido tan solo deberá recibir las efemérides de los satélites, transmitiendo a 50 bps. CONSTELACIÓN: el conjunto de los 24 satélites GPS. También el conjunto de satélites de la constelación visibles desde una posición dada. COORDENADA X: distancia hacia el este o el oeste desde el meridiano de zona. COORDENADA Y: distancia hacia el norte o el sur, de un punto de referencia fijado. El sistema UTM utiliza el ecuador como referencia. DOP: (pérdida de precisión) análisis de la geometría de satélites y su impacto en la precisión, el receptor mide distintos factores que disminuyen la precisión de la posición y los suma para averiguar el error de un cálculo de posición. EFEMÉRIDES: información enviada por los satélites, dando la posición precisa de los mismos. Esta información cambia frecuentemente, siendo actualizada por las estaciones de seguimiento en Tierra. 19

16 FIX: una "posición" proporcionada por una unidad GPS. Es decir, cada una de las medidas de posición proporcionadas. GEOMETRÍA DE LOS SATÉLITES: es la posición de los satélites en relación con su posición sobre la Tierra; se tiene una geometría ideal cuando un satélite está en la vertical del observador y los otros dos repartidos homogéneamente alrededor del horizonte GLONASS: es el equivalente ruso del GPS de los Estados Unidos. Su nombre completo es Global naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema. GPS: acrónimo de sistema de localización global; hace referencia a un sistema mediante el cual es posible estimar las coordenadas actuales de una estación en tierra mediante la recepción simultánea de señales emitidas por varios satélites, llamados constelación GPS. HOT START: descarga de información de los satélites, si la unidad GPS tiene un almanaque, unas efemérides actualizadas y un tiempo local razonablemente preciso. L1 Y L2: las señales satelitales se transmiten en dos frecuencias de radio conocidas como L1 y L2, cuyas frecuencias respectivas son 1575,42 MHz y 1227,6 MHz. MODO 2D: navegación en 2 dimensiones; latitud y longitud, el receptor sólo puede captar 3 satélites, por tanto, no puede proporcionar la altitud. Puede haber un error sustancial en las coordenadas horizontales obtenidas. MODO 3D: navegación en 3 dimensiones; latitud, longitud y altura, que el receptor puede captar de 4 satélites. Proporciona altitud además de coordenadas horizontales. NMEA: acrónimo para Asociación Electrónica Marítima Nacional, los protocolos NMEA especifican el tipo y orden de los datos enviados y recibidos por el equipo de 20

17 navegación. Si dos elementos del equipo usan este protocolo, se entenderán y podrán operar conjuntamente. RS-232: es un tipo estándar de conexión a un computador, es un puerto en serie que permite la comunicación entre un PC y un receptor. TIEMPO UNIVERSAL COORDINADO (UTC): es esencialmente el tiempo medio en Greenwich. El tiempo GPS, mantenido por los satélites, es convertido a UTC dentro del receptor. TTFF: acrónimo para tiempo para la primera posición, es la cantidad de tiempo que necesita un receptor para fijar la primera posición después de varios meses de estar apagado, de haber perdido la memoria o de haber sido desplazado más de 480 kilómetros del lugar en el que funcionó por última vez. Antes de que el receptor pueda calcular su posición, necesita descargar toda la información de posición de cada satélite. WARM START: si la unidad GPS tiene un almanaque y unas efemérides recientes (menos de cuatro horas), necesita obtener una referencia de tiempo y sincronización con la transmisión de "espectro ensanchado" de los satélites. 21

18 INTRODUCCIÓN Los impactos producidos por los excesos de velocidad han sido objeto de diferentes estudios realizados por entes internacionales y nacionales como el fondo de prevención vial que busca disminuir la tasa de accidentalidad en las grandes urbes y aunque en Colombia se presente una reducción de mas del 32% en los índices de mortandad y de morbilidad no es una cifra aceptable; esto concluye en la necesidad de apoyar diferentes gestiones en la lucha contra la accidentalidad, realizar estrategias publicitarias e innovaciones tecnológicas que puedan concientizar a las personas del manejo adecuado de la velocidad en las vías. Desde finales del 2005, se ha adoptado un nuevo sistema de control de tránsito vehicular en Colombia, que consta de un dispositivo que registra excesos de los límites de velocidad establecidos a través de dos mecanismos: el primer sistema consta una máquina de fotos conectadas a un radar que funciona como un efecto de rebote y el segundo es de un dispositivo que mide y registra las velocidades del vehículo. El proyecto de grado se basa en el diseño e implementación de un sistema de medición de velocidad, registro y monitoreo de movimientos del día, para un vehículo diesel; el diseño utiliza una placa GPS (Sistema de Posicionamiento Global) para la etapa de adquisición de datos, procesamiento de la información en un microcontrolador, pantalla digital para la visualización de los mismos y la entrega de un reporte diario a través del puerto RS -232 para el análisis posterior, el diseño es adaptable a los diferentes tipos de vehículos de transporte de carga y pasajeros, dando paso a una perspectiva estratégica para el rendimiento de la empresa a nivel de competitividad. 22

19 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES Las alternativas tecnológicas para el control de flotas, son variadas y dependen de: la naturaleza del negocio en el que se participa; del tamaño de la empresa y la importancia de hacer gestión en tiempo real de la flota. Pudiendo ir desde el proceso más complejo como es la transferencia de datos vía satélite, hasta el más simple, como es el traspaso de los datos registrados una vez que el móvil regresa a la central. Existe un desarrollo en las propuestas de sistemas de control de velocidad a nivel mundial que agregan componentes de monitoreo, seguimiento y almacenamiento de datos, los siguientes son los más aplicados hacia el control y monitoreo de flotas: Dispositivos pasivos sin comunicación. Se adosan adecuadamente al vehículo y almacenan cada cierto intervalo de tiempo programable, la ubicación exacta (latitud, longitud y altura), rumbo y velocidad del vehículo, indicando la fecha y hora del registro. Estos datos son analizados posteriormente en la central cuando el vehículo regresa y deben ser descargados directamente desde el dispositivo, ya que éste no se comunica de ninguna forma con la central de control Comunicación vía radial o celular. Ambas implementaciones efectúan la transmisión de datos a la central, cada cierto intervalo de tiempo preprogramado, según sean las necesidades de gestión de la flota. Esta comunicación la efectúa directamente el equipo sin intervención alguna del conductor y es recibida directamente por la aplicación que controla al móvil Comunicación satelital. El dispositivo ubicado en el vehículo transmite la información a una red de 24 satélites y de allí a una estación terrena, que se encarga de hacer llegar la información hasta la central de control Acceso IP inalámbrico o wireless IP. La tecnología WAP (Wireless Application Protocol) o Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas, para la comunicación de datos. 19

20 Esta tecnología permite acceder a los servicios y contenidos de Internet a través de conexiones inalámbricas. Otra alternativa es utilizar telefonía IP, para el envío de datos La situación de América Latina. Los primeros pasos se dieron con la incorporación de las empresas de transporte a Internet, luego vinieron las bolsas electrónicas de carga y finalmente la incorporación de tecnología que permita la gestión de flotas, un proceso que ya comenzó a implementarse en las grandes capitales y compañías de América Latina. En Colombia, se han implementado diferentes sistemas, la mayoría utilizan sensores de efecto hall (arreglo mecánico) para control de velocidad exclusivamente y módulos con GPS para control de movimientos. Actualmente existe un proyecto realizado por la empresa ECCEL llamado SMARTCAR que es un control de flotas por medio del sistema IEE, estas son sus características: El sistema IEE (Intelligent Event Engine System), permite personalizar por medio de 128 Eventos, la operación de la flota. Creación de reportes inteligentes, por tiempo, por distancia, por zonas y regiones geográficas, límites de velocidad, curso, ignición, horarios de trabajo. Control inteligente de 32 Zonas y 64 Puntos para controlar el paso, por puntos virtuales y controlar áreas de operación, rutas. Otro sistema llamado SMARTBUS, Es un medidor de velocidad basado en tecnología GPS, usado para el control de velocidad de vehículos. Incluye una matriz con led de distintos colores que indican en verde la velocidad normal, en amarillo que esta llegando al límite y en rojo los sobrepasos. Cuenta con una memoria desde 128k hasta 2mb de almacenamiento de información. El usuario puede descargar la información por medio del puerto serial, un modulo Bluetooth o con tecnología GPRS/CDMA/iDEN. 1 1 Eccel ingeniería; [citado 04/04/06 14:30] 20

21 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Alta tasa de accidentalidad en el país debido a los excesos de velocidad. Falta de control sobre el recorrido de los vehículos de transporte pesado y el monitoreo del cumplimiento de las normas viales a nivel de comportamiento y velocidad que desempeñe el mismo. La falta de seguridad al definir los datos que se almacenan y la velocidad que se registra, ya que no se cuenta con un control real en la manipulación de estos dispositivos por parte de los conductores. Las pérdidas económicas que tienen las empresas por excesivos comparendos y la mala gestión de los conductores en el cumplimiento del trabajo, generando desgastes prematuros en las carrocerías. 1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Cómo diseñar e implementar un sistema que supervise la medición de velocidad, registro y monitoreo de movimientos del día para un vehículo diesel, entregando un informe útil a su controlador y dando cumplimiento a la normatividad vial? 21

22 1.4 JUSTIFICACIÓN Desde el punto de vista del dueño de la carga, el transporte ya no puede ser visto como un componente de cadena logística que funciona como caja negra, por el contrario, el transporte debe recibir y suministrar información fluida a los otros eslabones de la cadena, para mejorar los tiempos, economizar gastos de mantenimiento por desgastes debidos al exceso de velocidad, aumentar el rendimiento y garantizar un respaldo logístico y tecnológico para la empresa, con un producto competitivo globalmente. Actualmente las empresas que manejan vehículos dentro de su operación, necesitan un cubrimiento total de los trayectos realizados por estos y una renovación tecnológica puede ser la solución que asegure el control, ahorro, seguridad y cumplimiento. Es por esto que, se busca la implementación de un sistema de medición de velocidad, visualización digital de la misma y registro de actividades de los movimientos de un vehículo diesel, para ofrecer al mercado del transporte un dispositivo que suministre información a los controladores de flota para mejorar la productividad de las empresas ofreciéndoles una mayor rentabilidad. 22

23 1.5 OBJETIVOS General Diseñar e implementar un sistema que mida y visualice velocidades de vehículos diesel, active alarmas visuales y sonoras, en caso de presentarse velocidades máximas estipuladas por ley y almacene las actividades diarias de los vehículos entregando un informe con estadísticas útiles al usuario Específicos Analizar el funcionamiento de los diferentes sistemas de medición de velocidad que existen y cómo se han implementado. Adaptar una tarjeta GPS (Sistema de Posicionamiento Global) para la adquisición de datos. Seleccionar y analizar los componentes que tengan mejor desempeño para visualizar la velocidad del vehículo. Diseñar un software que capture los datos del GPS, los compare, los procese y los almacene en una memoria. Programar un sistema de almacenamiento para que registre los diferentes movimientos y sobrepasos de velocidad del vehículo. Implementar un sistema de auto-carga para que el dispositivo no pueda ser alterado por el usuario. Diseñar e implementar el prototipo final que acople las diferentes etapas del proyecto en un sistema único. Realizar pruebas de fallas a cada etapa del proyecto. 23

24 1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO Alcances En este proyecto se tienen contempladas las etapas de diseño e implementación de un dispositivo que controle y registre los excesos de velocidad e indique con alarmas visuales y auditivas el incumplimiento de la misma. Además se registrarán y almacenarán: cada 15 minutos los datos de posición y velocidad del vehículo diesel y los sobrepasos de velocidad mayores a 80 km/h por más de un minuto; a través del puerto RS-232 se transmitirá a un PC los datos almacenados que se filtrarán a través de un programa que entregará estadísticas de posición útiles al controlador de la flota. Este diseño busca dar una solución tecnológica a pequeñas y medianas empresas que quieren tener un respaldo y controlar los vehículos de una forma más económica. Es importante resaltar que el proyecto no contempla la realización de mapas digitales para la ubicación de móviles ni el cumplimiento de la resolución 1122 de 2005, sino que constituye un complemento de la misma, dirigido a las pequeñas y medianas empresas Limitaciones Los componentes utilizados para este dispositivo no se consiguen en Colombia, por tal razón hay que importarlos, proceso que demora la implementación y pruebas para los diferentes dispositivos. No hay soporte técnico de los equipos dentro del país, lo que conlleva un tiempo de pruebas más largo, ya que se debe realizar todo el proceso para determinar las diferentes variables, formatos y conexiones incluidas en el sistema. 24

25 2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO CONCEPTUAL En el proyecto se utilizan diferentes elementos dentro de los cuales se encuentra una placa GPS (Sistema de Posicionamiento Global), sistema que permite determinar en todo el mundo la posición de una persona o un vehículo. Este sistema es hoy en día uno de los controles más usados por muchas empresas, para llevar registro de sus flotas y así realizar estadísticas que ayuden a mejorar el desempeño de la empresa. Por otra parte la etapa de visualización es muy importante y es por eso que se utiliza una pantalla digital que está formada por 2 o más displays, las cuales sirven para visualizar letras o números, esta tiene múltiples aplicaciones como por ejemplo la de visualizar la velocidad a la que va un vehículo, además se puede usar una pantalla de cristal líquido LCD que permite visualizar mensajes de texto como la posición, sentido y velocidad de un vehículo fácilmente. Otra forma de persuadir al usuario diferente a la ya mencionada es a través de un dispositivo sonoro que puede emitir una señal sonora cuando se hace corto en sus terminales, pudiéndose utilizar para indicar alarmas como el sobrepaso de cierta velocidad estipulada. Otro aspecto importante en el desarrollo del sistema es el almacenamiento de los datos es por esto que se hace necesario el uso de una memoria que es un sistema de almacenamiento de información usada para grabar datos que contengan información de carácter importante, como pueden ser los eventos en que un vehículo excede la velocidad permitida, también para guardar los movimientos hechos en el transcurso del día, posición, etc. 25

26 Para poder conectar las etapas del hardware del sistema con el software se hace necesario el uso de protocolos, estos son el conjunto de reglas que controlan la secuencia de mensajes ocurridos durante una comunicación entre entidades que forman una red. Con este lenguaje es con el cual se entienden el sistema de medición de velocidad y el computador con el fin de trasmitir los reportes hechos y hacer estadísticas. Con los datos registrados y almacenados en el PC es necesario darles un tratamiento a los mismos a través de las bases de datos que son un conjunto de datos pertenecientes al mismo contexto y almacenados sistemáticamente para su uso posterior. En este sentido, el número de registros de flota se considera como una base de datos compuesta en su mayoría por sobrepasos de velocidad y diferentes posiciones del vehículo con su respectiva hora de inicio. Para este proyecto se hace necesaria la utilización de lenguajes de programación, son una técnica estándar de comunicación, permiten expresar las instrucciones que han de ser ejecutadas en una computadora. Esta es la forma de decirle al microcontrolador las funciones a realizar y la forma de procesamiento de la información por medio de los lenguajes existentes para la programación como ASM, C++, etc. Estos tienen rutinas encargadas de ejecutar una función o una orden. La comunicación del dispositivo con el computador se realiza a través del puerto serial que es una interfaz de comunicaciones entre ordenadores y periféricos en donde la información es transmitida bit a bit enviando un solo bit a la vez. La ventaja de usar este puerto es que la información llega en orden esto ayuda a que el programa sea mas rápido tenga menos líneas de programación Otra herramienta importante para una empresa es el uso de gráficas y estadísticas, estas permiten ver el desarrollo y evolución de la misma, para ello se descargará la información de la memoria al computador, esta será administrada por MySQL programa gratuito para almacenar y administrar bases de datos que es la colección de información organizada y relacionada entre ella. En esta se van a almacenar todos los 26

27 registros de los movimientos hechos por el vehículo, donde se van a filtrar para así poder sacar conclusiones y estadísticas para obtener un mejor desempeño de la empresa. Esta consta de filas y columnas para que se puedan cruzar y así ubicar el dato específico en una celda (intersección entre una fila y una columna). Cada celda será una parte de la trama enviada por el GPS hasta quedar en varias celdas, así se pueden observar los datos en forma ordenada y fácil para el usuario, simplemente es cruzar la fila con su respectiva columna para ubicarse en la celda correcta. Este conjunto de celdas forman una tabla esta es la recopilación de datos bien estructurados y fáciles de interpretar de las que se vale el estadístico para sintetizar los datos obtenidos con el fin de hacer un uso sencillo de ellos o bien para darlos a conocer de forma comprensible. Este consta de filas, columnas, celdas, campos, atributos y dominios. Aquí es donde se observarán todos los datos obtenidos del GPS ordenados de tal forma que el usuario final fácilmente observe los resultados. En esta se encuentran los registros que son la información arrojada por la memoria, es decir las tramas del GPS. La alimentación constante del dispositivo es una de las etapas más importantes del proyecto por esto es necesario la implementación de un sistema de auto-carga que permite tener una alimentación de reserva en caso de falla en el suministro principal de energía, el cual vuelve y se carga sin necesidad de cambiar la batería. Esto permite alimentar siempre el sistema de medición de velocidad sin perder el registro de los movimientos hechos por el vehículo en caso de ser desconectado. 27

28 2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO a) Marco legal respecto al transporte y tránsito terrestre: LEY 769 DE 2002 (agosto 6) Por la cual se expide el Código Nacional de Tránsito Terrestre y se dictan otras disposiciones. REPÚBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DE TRANSPORTE RESOLUCIÓN 1122 DE 2005 (26 de Mayo de 2005) Por la cual se establecen medidas especiales para la prevención de la accidentalidad de los vehículos de transporte público de pasajeros y se deroga la Resolución No. 865 de 2005 y los artículos 1, 2 y 3 de la Resolución No de Ver anexo A. b) Marco legal respecto al desarrollo de software: DECRETO NÚMERO 1360 DE 1989 Por el cual se reglamenta la inscripción del soporte lógico (software) en el Registro Nacional del Derecho de Autor. Ver anexo B. 28

29 c) Marco legal respecto al sistema GPS: Respecto a lo relacionado con señales satelitales incidentales tales como la del Sistema GPS, el Ministerio de Comunicaciones se encuentra realizando los diferentes estudios técnicos y jurídicos del caso, por tanto, no hay a la fecha ningún tipo de normatividad expedida al respecto. No obstante, cualquier empresa que haga uso del sistema GPS con fines lucrativos, debe acogerse a lo estipulado en el Decreto 1137 de 1996 ya que se considera que está desarrollando labores de proveedor de segmento espacial. DECRETO 1137 DE 1996 Por el cual se reglamenta la administración, asignación y gestión del espectro electromagnético atribuido a la radiocomunicación espacial, para ser utilizado por las redes satelitales, incluido el segmento espacial y el segmento terreno Ver anexo E. 29

30 2.3 MARCO TEÓRICO Sistema GPS El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema diseñado por el Departamento de defensa de los Estados Unidos con fines militares para proporcionar estimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo a inicios de 1970; operativo desde 1995 utiliza conjuntamente una red de ordenadores y una constelación de 24 satélites para determinar por triangulación, la altitud, longitud y latitud de cualquier objeto en la superficie terrestre 2, para asegurar un continuo cubrimiento del mundo. Se ubicaron cuatro satélites GPS en cada una de las seis orbitas planas. Satélites GPS: Nombre: NAVSTAR Fabricante: Rockwell International Altitud: 10,900 millas náuticas Peso: 1900 lbs (en órbita) Tamaño: 17 pies con paneles solares extendidos Período orbital: 12 horas Orbitas planas: 55º latitud al plano ecuatorial Tiempo estimado: 7.5 años Constelación actual: 24 satélites de producción Block II Futuros satélites: 21 Block IIrs desarrollados por Martín Marieta 2 FRP, U.S. Federal Radionavigation Plan, 2005, [citado 01/04/06 10:30] 30

31 Estaciones terrenas Estas monitorean los satélites GPS, su operación y posición en el espacio. La estación principal transmite correcciones de las constantes de efemérides del satélite, estos pueden incorporar estas actualizaciones en las señales que envían a los receptores GPS. Hay 5 estaciones de monitoreo: Hawai, Isla Ascensión, Diego García, Kwajalein, y Colorado Springs (Figura 1). El segmento de control de un GPS consta de una MSC estación de control maestro que opera el sistema y provee comandos y funciones de control para el control y el mantenimiento de la constelación de satélites, una red de estaciones de monitoreo mundial y estaciones de control terrenas. Figura 1. Estaciones terrenas. Imagen de fondo: Cada estación de monitoreo cuenta con receptores GPS de alta calidad y dos relojes de Cesio que entregan al sistema GPS el tiempo en cada estación de monitoreo; las estaciones continuamente realizan mediciones del seudo rango para el seguimiento 31

32 continuo de todos los satélites GPS a la vista, estos datos son usados para actualizar los datos de posición en órbita estimada de los satélites a la estación de control maestro; algunas estaciones de monitoreo cuentan con antenas terrenas para actualizar la información de los satélites GPS Segmentos del sistema GPS GPS consta de tres segmentos básicos: segmento espacial, segmento de control y segmento de usuario (Figura 2); el segmento espacial está formado de una constelación de 24 satélites GPS con una órbita de km de radio y un período de 12 horas, cada satélite transmite una señal la cual tiene una serie de componentes: dos ondas seno (frecuencias portadoras), dos códigos digitales y un mensaje de navegación. Los códigos y el mensaje de navegación son sumados a las portadoras como modulaciones binarias bifásicas. Las portadoras y los códigos son usados usualmente para determinar la distancia desde el receptor del usuario a los satélites GPS. El mensaje de navegación contiene otra información, las coordenadas (la locación) de los satélites como una función de tiempo. Las señales transmitidas son controladas por relojes atómicos a bordo de los satélites. El segmento de control del sistema GPS consiste de una red a nivel mundial de las estaciones monitoras encargadas de mantener en órbita los satélites y supervisar su correcto funcionamiento, tres antenas terrestres que envían a los satélites las señales que deben transmitir y una estación de control maestro (MCS), localizada en Colorado Springs en Estados Unidos que supervisa todas las operaciones. La primera tarea del segmento de control es rastrear los satélites GPS en función de determinar y predecir la ubicación, integridad, desempeño de los relojes atómicos, datos atmosféricos, calendario del satélite y otras consideraciones. Esta información es puesta y enviada a los satélites GPS a través de la banda S. 32

33 El segmento de usuario formado por las antenas y los receptores pasivos situados en tierra, con un receptor GPS, conectado a una antena GPS, un usuario puede recibir las señales GPS, las cuales pueden ser usadas para la determinación estimada de la posición y el tiempo en cualquier lugar del mundo, la señal está disponible para cualquier persona y sin ningún recargo. Figura 2. Segmentos GPS. Fuente: Ahmed, El Rabbany. The global positioning system Principios de funcionamiento del sistema GPS La base del GPS es la triangulación o trilateración de los satélites: Donde la posición se calcula midiendo la distancia entre el receptor y los satélites (Figura 3); esta medición es llamada rango y matemáticamente son necesarios cuatro rangos de satélite para determinar la posición exacta. 33

34 Figura 3. Posicionamiento del sistema GPS. Fuente: Ahmed, El Rabbany. The global positioning system. Para triangular ; un receptor GPS mide distancias usando el tiempo de propagación de las radio señales: La distancia entre el receptor GPS y un satélite se mide multiplicando el tiempo de vuelo de la señal emitida desde el satélite por su velocidad de propagación (la velocidad de la luz) (Figura 4). Para la medición del tiempo de vuelo de la señal deben estar sincronizados los relojes de los satélites y de los receptores, ya que deben generar el mismo código simultáneamente. Las distancias con errores debidos al sincronismo se denominan seudo distancias, este tipo de errores hace necesario el uso de mínimo cuatro satélites, para una buena estimación, la distancia de un satélite está determinada por la medición de cuánto tarda una señal de radio desde el satélite hasta el receptor, para hacer la medición se asume que ambos (satélite y receptor) están generando el mismo código seudo aleatorio al mismo tiempo, La sincronización es difícil, además son necesarios relojes exactos para medir el tiempo de recorrido, sobre el receptor ese tiempo es acerca de 0.06 segundos, la diferencia en 34

35 sincronización del receptor menos el tiempo del satélite es igual al tiempo de vuelo de la señal. Figura 4. Cálculo de la distancia del satélite. Velocidad x Tiempo = Distancia Fuente: El código seudo aleatorio surge de la necesidad de calcular las seudo distancias a pesar del ruido de fondo inherente del planeta en la banda de radio, una señal de GPS debe pasar a través de las partículas cargadas de la ionosfera y luego a través del vapor de agua en la troposfera, esto retrasa la señal creando el mismo tipo de error de relojes imprecisos, este ruido está formado por una serie de pulsos aleatorios, por lo que es necesario desarrollar el código seudo aleatorio artificial como patrón de fluctuaciones. Cuando el código PRN es transmitido desde el satélite el receptor genera una replica exacta de este código 3 con base en esta sincronización, el receptor calcula la distancia realizando un desplazamiento temporal de su código seudo aleatorio hasta lograr la coincidencia con el código recibido, este desplazamiento corresponde al tiempo de vuelo de la señal (Figura 5). 3 Wells, D.E., et al., Guide to GPS Positioning, Fredericton, New Brunswick: Canadian GPS Associates,

36 Este proceso se realiza de forma automática, continua e instantánea en cada receptor. Esta combinación lineal elimina los errores del satélite y del receptor, cada satélite tiene su propio código PRN, estos códigos permiten controlar el acceso al sistema de satélites, pudiéndose cambiar en casos extremos. Figura 5. Medida de la distancia a los satélites. Fuente: Estructura de la señal GPS Cada satélite de GPS transmite un señal de microonda compuesta de dos frecuencias portadoras (ondas seno) moduladas por dos códigos digitales y un mensaje de navegación 4 (Figura 6). El receptor GPS calcula la correlación entre el código recibido y el código del satélite cuya señal pretende detectar, de esta forma separa las señales de los diferentes satélites y obtiene el retardo temporal La señal GPS está compuesta de: Frecuencia fundamental, f 0 = MHz Frecuencia L1 nominal = 154 * f 0 = MHz Frecuencia L2 nominal = 120 * f 0 = MHz 4 El-Rabbany, A., Introduction to GPS: The Global Positioning System, Artech House, Boston,

37 Tasa de chips del código P = f 0 Tasa de chips del código C/A = f 0 10 Tasa del símbolo del código de encriptación = f 0 20 Tasa de datos de telemetría = 50 Hz Figura 6. Señales del satélite GPS. Portadora L MHz Señal L1 Código C/A MHz Datos de Telemetría Código P MHz Mixer Módulo 2sum Portadora L MHz Señal L2 Cada código consiste de una trama de dígitos binarios comúnmente conocidos como códigos PRN, porque lucen como señales aleatorias pero en realidad son generados usando un algoritmo matemático; luego el código C/A es modulado sobre la portadora L1 únicamente mientras el código P es modulado sobre ambas portadoras L1 y L2, esta modulación es llamada bifásica, debido a que la fase de la portadora, varía de uno a cero o viceversa a los 180º. La frecuencia portadora L1 transmite los códigos C/A y P y L2 transmite información militar modulada en código P; La longitud de onda de estas portadoras es de aproximadamente 19 cm para L1 y 24.4 cm para L2. 37

38 El código seudo aleatorio transmitido se compone de tres tipos de cadenas: El código C/A (Coarse/Acquisition), es una trama de Mbps, la duración de un bitio es aproximadamente de 1 ms, a cada satélite se le asigna un código C/A único el cual capacita los receptores de GPS para identificar los códigos de los diferentes satélites, el rango de medición es menos preciso comparado con el código P. El código P (Precision Code), es una secuencia muy larga de dígitos binarios que se repiten después de 266 días 5 con frecuencia 10 veces superior al código C/A, cada satélite transmite un segmento único por semana del código, el cual es inicializado cada semana, los segmentos restantes son reservados a otros usos, este código fue designado inicialmente para usos militares únicamente, desde el 31 de enero de 2004 está disponible para todos los usuarios. El código Y: el código P fue encriptado agregándole un código desconocido W teniendo como resultado el código Y el cual tiene la misma rata del código P, este código es conocido como anti engaños 2. El satélite transmite además una señal de 50 Hz (tasa de datos de telemetría), en ambas portadoras L1 y L2, que incluye: Efemérides (parámetros orbitales del satélite) Información del tiempo (horario) y estado del reloj del satélite. Modelo para corregir errores del reloj del satélite y los producidos por la propagación en la ionosfera y la troposfera. Información sobre el estado de salud del satélite. Almanaque, que consiste en información de los parámetros orbitales (constelación de satélites). 5 Hoffmann Wellenhof, B., H. Linchtenegger, y J.Collins, Global Positioning System: Theory and practice, 3ra ed., NewYork: Springer Verlag,

39 Formatos estándar GPS Debido al creación de diferentes formatos usados por los fabricantes de GPS, la combinación de datos y la interfaz de diferentes receptores era una complicación, de allí surge la idea de estandarizar formatos de acuerdo con las necesidades del usuario, como: RINEX, NGS-SP3, RTCM SC-104 y NMEA0183. a) Formato RINEX: Para guardar el espacio almacenado, los fabricantes de receptores de GPS entregan códigos binarios, lo cual significa que no van a poder ser leídos inmediatamente, creando un problema cuando se combinan datos de diferentes receptores de GPS, para solucionar este problema nace el formato RINEX, que está en lenguaje ASCII (texto legible). Aunque un fichero en ASCII ocupa más espacio de almacenamiento provee mas flexibilidad. Un fichero RINEX es una traducción del código binario, la versión 2.10 define seis tipos de ficheros: Datos de observación (nombre de la estación, información de antena, estimación de coordenadas de la estación, números, tipos y tiempos de observación) Mensaje de navegación (Información del satélite, fecha de creación del fichero, nombre de la agencia, parámetros de almanaque) Meteorológico [Temperatura (ºC); presión barométrica (milibars); Humedad (%); información de sensores] Mensaje de navegación GLONASS Satélites geoestacionarios Datos de reloj de satélite y receptor 39

40 Nuevas versiones como la 2.20 están destinadas a entregar datos de la órbita baja LEO con satélites equipados con GPS o con receptores GPS/GLONASS. 6 Para la mayoría de los usuarios los tres primeros ficheros son los más importantes, la longitud de todos los ficheros RINEX está limitada a 80 caracteres. Los ficheros RINEX se denominan por convención de la siguiente forma: SSSSDDDF.YYT, donde: SSSS : Primeros cuatro caracteres del nombre de la estación. DDD : Día del año, empezando a contar desde el primer día del año. F : Sesión. YY : Los dos últimos dígitos del año. T : Tipo de fichero: O Fichero de observación; N Fichero de navegación; M Fichero meteorológico; G Fichero de navegación GLONASS. b) Formato NGS SP3: Muchas instituciones, necesitan alta precisión en las mediciones, para facilitar la adquisición de estos datos se crea el SP3 acrónimo de Standard Product # 3 ; el SP3 es un fichero en ASCII que contiene información precisa de los datos de órbita y las correcciones de reloj de los satélites, la longitud de estos ficheros son de máximo 60 caracteres. Un fichero preciso de efemérides en el formato SP3 se compone de dos secciones: encabezado y dato. El encabezado se compone de 22 líneas de información en donde: (#a), línea 1: calendario Gregoriano, tiempo de la primera época de la órbita y el número de épocas en el fichero de efemérides. (##), línea 2: número de semana, segundos de la semana, intervalo de época y el día Juliano. 6 Gurtner, W., y L. Estey, RINEX Version 2.20: Modifications to Acomódate Low Herat Orbiter Data, ftp://ftp.unibe.ch/aiub/rinex/rnx_leo.txt. [visitado el 02/03/06] 40

41 (+), líneas 3-7: número total de satélites con su respectiva identificación. (++), líneas 8-12: la precisión del número de satélites es decir, la desviación estándar del error orbital Líneas 13-19: reservadas para futuras modificaciones. Líneas 19-22: libres para comentarios del usuario. El dato es la sección del formato que entrega la efemérides precisa en la línea 23 la cual contiene: fecha y hora del primer almacenamiento, coordenadas del satélite y reloj del satélite. Cada línea está asignada para un satélite en particular, donde: P : significa una línea de posición; número PRN del satélite; coordenadas x, y, z en kilómetros; corrección del reloj del satélite en microsegundos. V : Contiene la velocidad y la rata de corrección de reloj del mismo satélite, terminando con el símbolo EOF. c) Formato NMEA 0183: En 1983 la Asociación Nacional de Electrónica de la Marina de Estados Unidos adoptó el NMEA 0183 como protocolo estándar de interconexión de sus dispositivos, este formato consiste en una trama de datos en formato ASCII transmitido a bps de transmisor a receptor, la trama incluye información de posición, fecha, velocidad, etc. Los datos son enviados como palabras, el formato general es: $IDMSG,D1,D2,D3,.,Dn*CS[CR][LF] Donde: $: Inicio de un mensaje. ID: 2 caracteres, identifican la fuente de la información, la identificación GP significa una fuente GPS. MSG: indican el tipo de formato de la oración, es decir, el tipo de mensaje que contiene, número y contenido del mismo. 41

42 Dn: contiene la diferente información arrojada por el GPS, como datos de posicionamiento, datos de satélites y movimientos e la tierra. * :delimitador de verificación de la trama. CS: contiene dos caracteres ASCII los cuales indican el valor hexadecimal de la verificación. [CR][LF]: son los caracteres que terminan el mensaje. Los mensajes del NMEA varían en longitud, pero cada mensaje está limitado a 79 caracteres o menos, esta longitud excluye los caracteres: $ y [CR][LF]; Dentro del formato NMEA 0183, existen diferentes opciones de mensaje, cada tipo de mensaje contiene diferentes tipos de datos establecidos, depende del usuario configurar y elegir los mensajes que le pueden ser útiles para diferentes tipos de aplicaciones, los diferentes tipos de mensaje y sus datos son: GGA: UTC de posición; latitud (Norte, Sur); longitud (Este, oeste); Indicador de calidad del GPS; Número de satélites en uso; altura de la antena (en metros); separación geodésica (en metros); identificación de estación de referencia diferencial; verificación. GLL: latitud (Norte, Sur); longitud (Este, oeste); UTC de posición; estado (válido: A, inválido: V); confirmación. GSA: modo (manual M: el receptor es forzado a operar en cualquier modo 2D o 3D, automático A: el receptor puede elegir entre los modos de 2D y 3D); lista de satélites usados para navegación; valores DOP de posición. GSV: satélites en vista, incluyendo su número PRN; elevación y acimut del satélite en grados; confirmación. RMC: hora; fecha; posición; curso; velocidad; confirmación. VTG: localización en grados; velocidad sobre la tierra en nudos y en kilómetros por hora; verificación. ZDA: UTC; día (01 a 31); mes (01 a 12); año; verificación. 42

43 2.3.2 Bases de datos Concepto Colección o depósito de datos integrados, con redundancia controlada y con una estructura que refleje las interrelaciones y restricciones existentes en el mundo real; los datos, que han de ser compartidos por diferentes usuarios y aplicaciones, deben mantenerse independientes de estas y su definición y descripción, únicas para cada tipo de datos, han de estar almacenadas junto con los mismos (Figura 7). Los procedimientos de actualización y recuperación, comunes y bien determinados, habrán de ser capaces de conservar la integridad, seguridad y confidencialidad del conjunto de los datos Sistema de gestión de base de datos (SGBD) Es la herramienta que permite interactuar los datos con los usuarios de los datos, de forma que se garanticen todas las propiedades definidas para una base de datos. En algunos casos el SGBD trabajará directamente con los datos y en otras ocasiones lo hará a través del Sistema Operativo de la máquina donde resida el SGBD. Figura 7. Estructura de una base de datos, 43

44 Tareas del SGBD Las principales tareas que debe desarrollar un SGBD son las siguientes: El SGBD oculta al usuario los detalles del almacenamiento de la información, mostrando una visión abstracta de la información. El SGBD garantiza la independencia lógica y física de los datos. El SGBD permite integrar distintos tipos de información y permite compartirlos entre distintas aplicaciones y usuarios. EL SGBD se encarga también de garantizar la seguridad de la información, controlando el acceso a la misma. El SGBD controla la integridad de la información comprobando la consistencia de la misma cuando se realizan operaciones de inserción, modificación o borrado. El SGBD organiza el acceso concurrente a la información por parte de distintas aplicaciones y usuarios, eliminando la posibilidad de interferencias o conflictos entre diferentes acciones Funciones de la base de datos Las funciones que realiza una base de datos son las siguientes: Crear nuevos ficheros. que permitan el almacenamiento de nueva información o nuevos datos, así como de las interrelaciones adecuadas entre los mismos. Introducir datos. Capacidad de insertar nuevos datos sobre las estructuras ya creadas, al igual que la inserción de interrelaciones entre los datos introducidos en el sistema. 44

45 Extraer datos. Capacidad de extracción selectiva de la información en base, generalmente, a un lenguaje de consulta que permite interaccionar con la base de datos a través del SGBD. Actualizar o modificar datos. Alteración de las estructuras de datos y de los contenidos existentes en las estructuras de datos que definen una base de datos. Borrar datos. Eliminación de datos existentes en la base de datos, pero manteniendo siempre la integridad de la base de datos. La interacción con la base de datos se realiza a través de un lenguaje de definición (DDL) y manipulación (DML) de datos. Estos lenguajes permiten realizar operaciones interactivas o diferidas sobre la base de datos. El SQL (Structured Query Language) es un lenguaje combinado de manipulación y definición de datos y es el estándar más utilizado en las bases de datos relacionales. Por ejemplo, algunas sentencias en SQL son: SELECT * FROM MI_TABLA; INSERT INTO MI_TABLA VALUES ( CLAVE1,12124); DELETE FROM MI_TABLA; UPDATE MI_TABLA SET MI_CAMPO= CLAVE2 WHERE MI_CAMPO= CLAVE1 ; Las instrucciones al SGBD y a la base de datos pueden introducirse interactivamente por el operador o incorporarse a programas de aplicación escritos en cualquier lenguaje de propósito general (C, Pascal, Basic, etc). En SQL, este modo de programación se denomina SQL embebido (embeded SQL). 45