Sistema de Adquisición y Visualización de Información Geográfica Usando GPS (GPS DSAD Data Storage and Acquisition Device)

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1 Sistema de Adquisición y Visualización de Información Geográfica Usando GPS (GPS DSAD Data Storage and Acquisition Device) Autores: Omar Manrique a510215@upc.edu.pe Javier F. Guerrero a520132@upc.edu.pe Asesor: Javier Barriga pceljbar@upc.edu.pe Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas UPC Av. Prolongación Primavera 2390, Monterrico, Surco, Lima 33 RESUMEN El presente proyecto consiste en el diseño y fabricación de un dispositivo portátil cuya finalidad es la de adquirir, almacenar y procesar información geográfica de un GPS sí como datos de sensores externos correspondientes a cada posición geográfica. El objetivo final es crear un sistema que permita visualizar en una computadora un mapa geográfico donde se muestren las curvas de variación de las diferentes variables medidas por los sensores. Para esto se ha desarrollado un sistema completo de adquisición y almacenamiento de información usando un microcontrolador, que después permite el descargado de los datos a una computadora para su posterior procesamiento y visualización. El sistema se ha desarrollado inicialmente para ser usado en los aviones de exploración de las compañías pesqueras para determinar las áreas marítimas donde se concentra el cardumen. En este caso el dispositivo almacena la coordenadas de latitud y longitud del GPS con la correspondiente temperatura del mar medida a distancia desde el avión. El sistema puede ser usado también en otras aplicaciones de transporte aéreo, marítimo o terrestre. INTRODUCCIÓN El dispositivo de adquisición y almacenaje de datos a desarrollar será llamado DSAD (Data Storage & Acquisition Device), el cual permitirá hacer medidas en el campo desde un vehículo (avión, barcos, autos, etc) o a pie, guardando los datos de los sensores que se deseen utilizar y del GPS, en una memoria, que se dispondrá mediante un dispositivo gobernado por un microcontrolador. La información que el DSAD capturará del GPS (Sistema de Posicionamiento global) será: Hora, Latitud, Longitud, Altura y de 4 sensores adicionales a elegir (Temperatura, PH, humedad, etc), cabe resaltar que el equipo tiene la capacidad de leer hasta 8 sensores analógicos. Una vez adquirida la data, el dispositivo descarga estos datos en una PC a través de un puerto serial (RS232). Estos Datos se almacenan ordenadamente en una hoja de calculo, se eligió trabajar con el Microsoft Excel. Adicionalmente, se desarrollo un programa en Builder C++ que permite visualizar una de las tantas aplicaciones que puede tener el dispositivo. humedad, etc), cabe resaltar que el equipo tiene la capacidad de leer hasta 8 sensores analógicos. Una vez adquirida la data, el dispositivo descarga estos datos en una PC a través de un puerto serial (RS232). Estos Datos se almacenan ordenadamente en una hoja de calculo, se eligió trabajar con el Microsoft Excel. Adicionalmente, se desarrollo un programa en Builder C++ que permite visualizar una de las tantas aplicaciones que puede tener el dispositivo. CARACTERISTICAS DEL EQUIPO: - Microcontrolador 80c552 - Capacidad para 8 sensores analógicos o digitales en simultaneo.

2 - Menú grafico en pantalla LCD - Control por teclado - Puerto serial RS232 - Conexión directa a GPS - Se alimenta con una batería de 9v. - Autonomía de 2 horas. Las características del hardware se observa en la figura 1. S E N S O R E G P S A D C MAX232 PC Figura 1 Diagrama de Bloques del sistema Para describir mejor el dispositivo desarrollado, lo separaremos en dos partes: Hardware: Tarjeta principal: Modulo LCD de 16x4 Teclado Matricial de 4x4 Cable de Conexión Serial PC Microcontrolador 80c552 Memoria RAM Software: Código en Assembler para el direccionamiento y almacenamiento de la data en la memoria no volátil, a través del microcontrolador Phillips 80C552. Software de descarga de datos a la PC desarrollado en Borland C++ Builder versión 5.0 Software que permite visualizar los datos obtenidos para una aplicación especifica. Se eligió trabajar con el Microcontrolador 80C552 debido a que estos microcontroladores de la familia 80C51 son mas robustos al ruido que los PICS, además de ser de una arquitectura mas abierta, lo cual permitió trabajar con una Memoria RAM externa. Adicionalmente este microcontrolador tiene 1 conversor de 10 bits integrado, con 8 entradas multiplexadas. El DSAD está diseñado únicamente para interactuar con el GPS Portátil marca GARMIN, modelo GPS 12. Si a solicitud del usuario final, se desea trabajar con otra marca de GPS, esto no será ningún inconveniente, ya que con una simple modificación en el programa que maneja el microcontrolador, esto será factible. DETALLES DELPRODUCTO FINAL Como resultado del cumplimiento de los objetivos planteado desde un principio se logro obtener y desarrollar el producto final. El DSAD es un dispositivo portátil que permite adquirir y almacenar Data del GPS Garmin 12 y de 4 sensores analógicos externos, con capacidad de expandir el muestreo hasta 8 sensores como máximo. El equipo cuenta con LCD (Liquid Cristal Display) de 16 caracteres por 4 líneas, donde se muestra el menú de control del sistema. Además esta provisto de un teclado matricial de 4x4 para el manejo del LCD. El equipo cuenta con 4 entradas RCA para los sensores externos, además de un puerto de comunicación serial. A continuación detallaremos independiente el funcionamiento de cada parte del equipo desarrollado. TARJETA PRINCIPAL La tarjeta principal del DSAD esta compuesta por los siguientes componentes: - - Microcontrolador 80C552 - Memoria SRAM DS1230Y Dallas No - Volátil (32k) - - PPI 82C Latch 74HC EEPROM - - MAX 232A El teclado matricial se conecta al puerto 4 del microcontrolador, y el LCD al puerto 1. El puerto 5 del microcontrolador es el que es utilizado para el conversor análogo/ digital. A continuación detallaremos el funcionamiento y algunas características de los componentes mas importantes del sistema:

3 EL MICROCONTROLADOR 80C552 El 80C552 es un microcontrolador derivado del 80C51 y se programa de la misma manera que el 80C51. - Tiene una memoria interna de 256x8 - UART full-duplex para comunicación serial - ROM de 8kx8-2 timer/contadores de 16 bits - Capacidad de operar en un rango de temperatura de 40 C a +125 C con un cristal de máximo 16Mhz. Las características adicionales se pueden ver en el Datasheet anexado del microcontrolador. CARACTERISTICAS DEL DISPLAY UTILIZADO - ALIMENTACIÓN La tensión nominal de alimentación es de 5V, con un consumo menor de 5mA. - LOS CARACTERES DEL LCD El LCD dispone de una matriz de 5x8 puntos para representar cada carácter. En total se pueden representar 256 caracteres diferentes. 240 caracteres están grabados dentro del LCD y representan las letras mayúsculas, minúsculas, signos de puntuación, números, etc...existen 8 caracteres que pueden ser definidos por el usuario. En la figura 3 se muestra gráficamente cómo es la matriz de representación de los caracteres. Se ha dibujado el carácter A y un carácter definido por el usuario. - ASPECTO FISICO El LCD tiene un aspecto físico como el mostrado en la figura que se muestra a continuación. Está constituido por un circuito impreso en el que están integrados los controladores del display y los pines para la conexión del display. Sobre el circuito impreso se encuentra el LCD en sí, rodeado por una estructura metálica que lo protege. En total se pueden visualizar 4 líneas de 16 caracteres cada una, es decir, 4x16=64 caracteres, como se muestra en la figura 2. A pesar de que el display sólo puede visualizar 16 caracteres por línea, puede almacenar en total 40 por línea. Es el usuario el que especifica qué 16 caracteres son los que se van a visualizar. En la tabla 1 se muestran los caracteres más importantes que es capaz de imprimir el display. Todos los códigos están en hexadecimal. No se han representado los carácteres correspondientes a los códigos desde el $80 hasta el $FF, que

4 corresponden a símbolos extraños. Los códigos comprendidos entre el 0 y el 7 están reservados para que el usuario los defina. - Interfaz hardware Asignación de pines (Fig. 4) uno de los dos registros internos (RS). Por ello, en el caso peor, el sistema de control del display necesitará utilizar 8+3=11 bits. En el caso de utilizarse la tarjeta CT6811 será necesario utilizar 2 puertos, por ejemplo el PUERTO C para los datos y el PUERTO B para el control. - Temporización En la figura 6 se representan los cronogramas correspondientes a una operación de escritura y otra de lectura. Al controlar el display los tiempos empleados deben ser siempre mayores que los mínimos indicados en la figura y menores que los máximos. A pesar de la aparente complejidad del cronograma, las operaciones de lectura y escritura son muy sencillas. En la figura se ha supuesto que las transmisiones de los datos se realizaban a 8 bits. Figura 4 asignación de pines del hardware - El interfaz del display con el mundo exterior Figura 6a Diagrama de tiempos de escritura de un registro de un LCD Figura 5 Señales de control En la figura 5 aparecen las señales necesarias para el funcionamiento y control del display. Los datos se transmiten por un bus de datos de 8 bits de anchura (El display ofrece la posibilidad de trabajar con este bus multiplexado en dos grupos de 4 bits, pero esto se verá más adelante). Para el control del display son necesarios 3 bits: una señal de enable (E), una para indicar lectura/escritura (R/W) y otra para seleccionar Figura 6b Diagrama de tiempos de lectura de un registro de un LCD

5 ALIMENTACION DEL DSAD Figura 6c Impresión de carácter A con bus de 8 bits El DSAD fue pensado desde un principio para ser un equipo portátil, es por esta razón que se diseño el equipo para que funcione únicamente con una batería de 9 voltios y también si es necesario con un adaptador de voltaje. Para esto se coloco un regulador de voltaje para reducir el voltaje de la batería a 5 voltios que es el voltaje con la que trabajan los componentes del equipo. El equipo tiene un consumo total de corriente de 80mA que con 9V, una Duracell Alcalina nos proporciona una autonomía de 2 horas Esto es suficiente si tenemos en cuenta que el equipo tiene la propiedad de almacenar la data en la memoria RAM sin tener necesidad de mantener el equipo prendido, ya que cuenta con una memoria RAM no-volatil. MEMORIA SRAM NO-VOLATIL de 32kx8 DALLAS Figura 6d Impresión de carácter A con bus de 4 bits - Operaciones a realizar para el caso de 8 bits. 1. La señal E se encuentra siempre a 0 antes de realizar cualquier operación 2. Poner RS = 1 y R/W = 0 3. Situar el dato a imprimir en el bus de datos del LCD (En este ejemplo se enviaría $41) 4. E = 1 5. E = 0 6. El carácter ha sido imprimido en el LCD. - Operaciones a realizar para el caso de 4 bits: 1. Poner RS = 1 y R/W = 0 2. Situar el valor 4 en el bus de datos del LCD (4 bits más significativos) 3. E = 1 4. E = 0 5. Situar el valor 1 en el bus de datos del LCD (4 bits menos significativos) 6. E = 1 7. E = 0 8. El carácter ha sido imprimido en el LCD Esta memoria es una memoria no-volatil de 256k. Tiene la propiedad de almacenar la data grabada sin necesidad de estar alimentada. Las características mas importantes son las siguientes: - Capacidad de retener 10 años como mínimo la data almacenada en ausencia de alimentación. - La data es protegida automáticamente si la energía se corta repentinamente. - Ciclos de escritura ilimitada. - CMOS de baja potencia. - Tiempos de escritura y lectura menores de 70ns. Se decidió trabajar con este tipo de memoria debido a que nuestro equipo debe de ser portátil y autónomo, y la información almacenada tiene que retenerse hasta que pueda ser descargada a una PC. La muestra que se toma del GPS y de los 4 sensores suman un total de 51 bytes, es por esta razón que el DSAD tiene la capacidad de almacenar hasta un máximo de 642 muestras. Esta cantidad de muestras variara según la cantidad de sensores que se requieran utilizar mas adelante.

6 CABLE DE INTERFAZ GPS-DSAD (Garmin) Este cable propietario de Garmin se utilizara para conectar el GPS con el dispositivo a diseñar (DSAD), cuyas características de conectividad se muestran en la figura 7. Figura 7 Conectividad del cable de interfaz - Los pines DATA IN y DATA OUT, junto al de GROUND (masa) se usan para la transmisión de datos desde/a una PC o a otro Garmin. - Los pines POWER (Polo +) y GROUND (masa, Polo -) se usan para suministrar energía al GPS si fuera necesario. MODO DE OPERACIÓN DEL DSAD A continuación se detallara el modo de funcionamiento del dispositivo desarrollado. La figura 8 se muestra el árbol de menú del sistema Primeramente se conecta el GPS Garmin 12 al puerto serial del DSAD. Seguidamente se conectaran los sensores deseados en los conectores RCA del equipo. Una vez encendido el equipo se mostrara un Menú Principal con tres opciones: 1) Recepción, 2) Transmisión y 3) Borrar memoria. Se recomienda antes de empezar a utilizar el DSAD limpiar la memoria RAM eligiendo la opción 3. Luego de borrar la memoria, se puede seleccionar la opción 1 de recepción. Inmediatamente aparecerá otro menú, que se le llamo Menú de Recepción, el cual tiene 3 opciones: 1) Manual, 2) automático, 3) Regresar al Menú Principal. Figura 8 Árbol de las opciones del menú del programa La opción Manual permite al usuario determinar exactamente cuando es que desea capturar una muestra, únicamente presionando el botón de ENTER en el teclado, con un máximo de 642 muestras. Cuando el usuario quiera terminar de tomar muestras presionara el botón CLEAR para retornar al Menú principal. La opción Automática fue diseñada para que el usuario pueda ingresar cuantas muestras desea almacenar y el intervalo de tiempo entre muestra y muestra, y el DSAD automáticamente lo hará. Actualmente el equipo únicamente almacena una cantidad ya predeterminada De muestras, que es dada por software. Pero el objetivo es que esta opción tenga todo lo mencionado anteriormente. Una vez que ya se tiene almacenada toda la data deseada, se procede a conectar el DSAD a una PC por medio de un cable serial. Se han desarrollado dos programas en C++ Builder para analizar los datos obtenidos por el DSAD. El primero de ellos con una pantalla de comunicación, que permite elegir el puerto de comunicación serial que se desee utilizar. Una vez seleccionado el puerto, se procede, mediante el Botón de INICIO DE CAPTURA, a descargar los datos a una matriz temporal en C++, seguidamente se selecciona el botón de

7 FIN DE CAPTURA y automáticamente se generara un Archivo en EXCEL donde se encontrara toda la data descargada. El otro programa también desarrollado en Builder C++, es un Demo de lo que será el Software final del DSAD. Se asumió que el DSAD sería utilizado para medir la temperatura del Mar en el Perú para su posterior análisis. Los datos de LATITUD, LONGITUD, y de un sensor (Temperatura) se ingresan manualmente a vectores internos en el código del programa, una vez ingresados, se corre el programa y automáticamente se generan los puntos de temperatura en un mapa del mar del Perú, como se muestra en la figura 9. [2] Microprocesadores y Microcontroladores aplicados a la Industria. Torres Portero, M., 3a. Ed.. Madrid : Editorial Paraninfo p. [3] Sensor Technology and Devices. Ristic, Ljubisa, Ed. Boston ; London : Artech House Xiv, 524p. [4] Sensors and Sensory Systems for an Electronic Nose Gardner, Julian W., Ed. : Bartlett, Philip N., Ed. Dordrecht Academic Publishers 1992., 327p. [5] Programación con C++ Builder 5. Francisco Charte, Anaya Multimedia, 1.088p Figura 9 Mapa de temperatura en el Perú CONCLUSIONES El DSAD es un sistema que puede ser utilizado en la minería, pesquería, agricultura, oceanografía, orografía, etc. Todas estas aplicaciones según el tipo de sensor o sensores que quieran utilizarse, una vez seleccionada esta data se procesa la información de manera visual en mapas, con esta información el usuario final estaría en la capacidad de tomar acertadas decisiones acerca de las variable a evaluar, decisiones como la pesca de cardumen, características y ubicación de minerales, estabilidad del suelo, etc. BIBLIOGRAFIA [1] Microcontroladores 8051 y Odant, b., Madrid -Paraninfo p.