En un esfuerzo por acercar a los alumnos el diseño y desarrollo de sensores inteligentes y sistemas microprocesadores actuales, el Departamento de Ingeniería Electrónica ha desarrollado un prototipo de sistema domótico, articulado en torno a un bus CAN, con el que se pretende hacer ver a los alumnos la importancia y las posibilidades que ofrecen estos sistemas estrechamente ligados a la instrumentación.Ministerio de Educación y Ciencia (TSI2005-24 068-E)

Barrero, Federico

Cortés, Francisco

Gallardo Vázquez, Sergio

Toral, S. L.

idUS. Depósito de Investigación Universidad de Sevilla

PLATAFORMA PARA EL DESARROLLO DE SENSORESINTELIGENTES Y SISTEMAS MICROPROCESADOSF. CORTÉS1, S. GALLARDO1, F. BARRERO1 Y S. TORAL11Departamento de Ingeniería Electrónica. Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla.EspañaEn un esfuerzo por acercar a los alumnos el diseño y desarrollo de sensoresinteligentes  y  sistemas  microprocesadores  actuales,  el  Departamento  deIngeniería Electrónica ha desarrollado un prototipo de sistema domótico,articulado en torno a un bus CAN, con el que se pretende hacer ver a losalumnos  la  importancia  y  las  posibilidades  que  ofrecen  estos  sistemasestrechamente ligados a la instrumentación.1. IntroducciónA lo largo de la carrera de ingeniería de telecomunicación, el alumno percibe a menudo ciertascarencias  a  nivel  práctico  en su formación.  Este  hecho  es  especialmente  crítico  en el  área  de  laelectrónica donde, aunque los planes de estudio han fomentado el trabajo de tipo práctico, no hanconseguido  eliminar  carencias  relacionadas  con  el  diseño  y  desarrollo  de  sistemas  electrónicosanalógicos  y  digitales.  Es  precisamente  una  asignatura  práctica  como  el  Laboratorio  deinstrumentación electrónica, perteneciente al 5º curso de la titulación, el espacio que consideramosmás adecuado para solventar, dentro de lo posible, esas carencias. En este sentido, en el Departamentode Ingeniería Electrónica se está llevando a cabo un importante esfuerzo para remodelar las prácticasde la asignatura antes comentada de modo que los alumnos tengan una visión más completa de lastecnologías actuales empleadas en la electrónica de comunicaciones y afronten tareas tales como elanálisis y estudio de sensores inteligentes o el diseño de sistemas microprocesadores. Se pretendenpotenciar prácticas que motiven al alumno en contraposición a algunas de las prácticas que se veníanefectuando hasta ahora,  calificadas  por éstos  como tediosas  y de poca utilidad.  El  sistema que sepropone encaja  perfectamente en este nuevo enfoque de la asignatura ofreciendo la posibilidad detrabajar con un prototipo real de sistema domótico que hace uso de tecnologías tan actuales como losbuses de campo, GPRS o Ethernet.  2. Descripción del sistemaEl sistema implementado es un prototipo domótico que se articula en torno a un bus de campo[1],que es el elemento que le confiere las principales ventajas al sistema. Como paso previo, se definieroncuatro criterios que debían ser respetados en el diseño del sistema:- Ampliable. Para permitir la inclusión de nuevos sensores y actuadores de diferente naturalezasin tener que modificar el protocolo o software de los elementos existentes.- Abierto. Con especificaciones claras para que se puedan desarrollar nuevas aplicaciones sobresu propio hardware e incluirlo en el sistema y ofreciendo la posibilidad de que de este proyectosurjan otros que lo complementen.- Controlable de forma remota. Para permitir la monitorización del estado del hogar inteligente yla intervención en el sistema desde cualquier ordenador conectado a Internet y desde terminalesmóviles (GSM/GPRS).- Con maqueta. Para lograr un entorno más cercano a la realidad donde poder realizar pruebassobre el sistema.El segundo paso importante fue la elección del bus de campo más apropiado. En la actualidadexisten múltiples estándares de buses de campo específicos para domótica como por ejemplo X10,EHS, EIB, Lonworks, Batibus, etc. Cada uno de estos buses tienen características diferentes y estánenfocados a distintos sectores del mercado domótico. X10 por ejemplo es un estándar que aprovechala infraestructura eléctrica para transmitir señales de control, es barato y sencillo de instalar, pero lavelocidad de transmisión es muy baja (50 bit/s) y su funcionalidad se reduce a poco más que encendery apagar dispositivos. Otros buses como EHS también pueden aprovechar la infraestructura eléctrica outilizar otros medios de transmisión como el par trenzado, y son capaces de alcanzar velocidades algomayores  (del  orden de los  9600 bit/s).  En el  otro  extremo encontramos  LonWorks[4],  que puedeconsiderarse  como un bus  domótico  de altas  prestaciones.  Tiene  una estructura  jerárquica,  puedetransmitirse por múltiples medios de transmisión y alcanza velocidades de hasta 1.25 Mbit/s aunquesu elevado coste ha hecho que la  implantación de LonWorks sólo haya tenido éxito en hoteles ygrandes edificios. A pesar del gran número de buses de campo disponibles para aplicaciones domóticas, se optó porutilizar CAN[2], bus de campo versátil ampliamente utilizado en sectores como el automovilístico yen la industria. Evidentemente esta decisión no se atiene a las tendencias de convergencia de busesdomóticos, pero la realidad muestra que a pesar de esto, las empresas siguen apoyando el desarrollosus propios productos, resultando en un cúmulo de buses diferentes compitiendo entre sí en lo que seha denominado como “guerra de los buses”[1]. Las características de CAN lo hacen adecuado para su uso en aplicaciones domóticas, lograndoun rendimiento comparable al de los buses de campo de altas prestaciones. CAN reúne muchas de lasventajas que tienen el resto de buses de campo bajo un estándar verdaderamente abierto, sencillo yeconómico que permite una mayor libertad a la hora de definir los protocolos de las capas superiores.Esto,  junto  con  las  características  propias  de  CAN,  fue  uno  de  los  motivos  que  nos  llevaron  aescogerlo. El sistema diseñado hereda de CAN dos características fundamentales:- En el nivel de enlace, el protocolo de la tecnología CAN no utiliza los identificadores comodirecciones de los nodos de la red sino que éstos indican el tipo de contenido del mensaje. Porejemplo:  podríamos  asignar  un  identificador  para  los  datos  de  temperatura,  otro  para  los  develocidad, etc. De esta manera se pueden establecer comunicaciones punto a multipunto ya quesólo los nodos a los que interese el mensaje lo recibirán.- El  tipo de acceso al  medio es basado en contienda pero con la particularidad de que no sedesperdicia tiempo, debido a que las colisiones se resuelven mediante un arbitraje de bits en elque gana el nodo con más prioridad.Si a nivel funcional las ventajas son notables, a nivel educativo lo son aún más puesto que sepermite al alumno observar un desarrollo completo utilizando buses de campo. En  la  siguiente  figura  se  muestra  un  esquema  general  del  sistema  en  el  que  se  muestra  lainterconexión de los diferentes elementos que lo componen:Figura 1. Elementos del sistema. El sistema está gobernado por el “elemento maestro”, basado en un DSP TMS320F2812 de TexasInstruments®.  Este  elemento  está  constituido  por  un DSP de Texas  Instruments,  en  particular,  eldispositivo TMS320F2812. El elemento maestro se encarga, entre otras tareas, de:- Almacenar y administrar la información general del sistema como la distribución de sensores yactuadores en los sectores o habitaciones, dirección IP, máscara de subred, contraseñas para elservidor, números de teléfono a los que enviar las alarmas, etc. - Gestionar los números de identificación de los nodos y los elementos sensores y actuadores. - Trasladar las órdenes del usuario a los elementos de la red para que actúen en consecuencia yrecoger los datos solicitados por el usuario.- Generar alarmas si se dan las condiciones correspondientes.  Otro de los elementos destacados del sistema es el elemento de comunicación con el exterior. Setrata básicamente de un módulo RCM2200, que contiene un procesador Rabbit 2000. Este móduloestá preparado para ser conectado en redes Ethernet 10/100BaseT, razón fundamental por la que seescogió  este  módulo  para  desempeñar  las  tareas  de  comunicación  con  el  exterior.  Este  módulocontrola, además, el módem GSM/GPRS GM29 de Sony-Ericsson a través de uno de sus puertos seriey  está  permanentemente  comunicado  por  otro  de  sus  puertos  serie  con  el  elemento  maestro.  Elsoftware que se ha creado para este módulo se encarga principalmente de hacer las veces de servidorunificado para el acceso remoto. De esta manera, el mismo servidor da acceso al sistema tanto si elusuario utiliza un ordenador conectado a Internet como si lo hace a través de un terminal móvil GPRS.El módem GSM/GPRS se encarga básicamente de canalizar los mensajes de alarma a través de SMSsal usuario y al servicio de emergencias correspondiente. Se ha optado por utilizar SMSs para enviarlas alarmas debido a que su recepción es casi instantánea.Los elementos sensores y actuadores se agrupan en “nodos”. Los nodos han sido implementadosmediante  microcontroladores  PIC18F248  sobre  una  placa  genérica  que  se  adapta  a  multitud  desensores y actuadores gracias a sus líneas de entrada analógicas y sus entradas/salidas digitales. Comomuestra de la capacidad del sistema, al prototipo se le ha dotado de sensores y actuadores tales comoluces,  sensores  de  temperatura,  sensores  de  luz,  sensores  de  proximidad  por  ultrasonidos,interruptores, etc.Para coordinar los elementos del sistema se han diseñado dos protocolos, uno para la red internade bus CAN al que se ha denominado protocolo interno y otro para la comunicación entre el servidory la aplicación cliente sobre Internet al que se ha denominado protocolo externo. El primero de ellosaprovecha  las  ventajas  de  CAN  que  se  citaron  anteriormente  para  permitir  el  intercambio  deinformación entre los actuadores y sensores de la red. Gracias a las características de este protocolo,el  sistema está  dotado  de  una  gran  funcionalidad.  Por  su  parte,  el  protocolo  externo  gestiona  lacomunicación entre el usuario y el sistema a través de Internet. El protocolo externo es un protocolode la capa de aplicación y se transmite sobre TCP. Este protocolo permite controlar el sistema desdeun PC conectado a Internet o desde un terminal móvil GPRS.Figura 2. Acceso al sistema.Para  que la  aplicación  cliente  pueda manipular  los  elementos  instalados en el  sistema,  se hacreado la figura de los ficheros de manejo, que juegan un papel análogo a los drivers para un sistemaoperativo  convencional.  Haciendo  uso  de  estos  ficheros,  la  aplicación  cliente  permite  al  usuarioinfluir directamente sobre el comportamiento de los elementos (por ejemplo, encender una luz), perotambién permite hacer que otros elementos influyan indirectamente sobre el comportamiento de unelemento  (por  ejemplo,  hacer  que  la  luz se  encienda  cuando  se  detecte  movimiento  o cuando laluminosidad sea baja).Figura 3. Posiblidades de actuación.Una ventaja que se ha añadido al sistema es la posibilidad de insertar nuevos elementos en la redmediante un mecanismo de autoregistro (plug & play) con lo que se facilitan las ampliaciones.  Elsistema se completa  con las aplicaciones  cliente,  que en principio están siendo implementadas enforma de programa ejecutable  específico.  En el  caso  de  la  aplicación  para  PC,  el  programa estárealizado en Java[5],  mientras que la  versión para terminales móviles está realizándose en Java 2Micro  Edition  (J2ME).  Existen  otras  arquitecturas  cliente–servidor  posibles  y  de  hecho  se  estáestudiando  la  posibilidad  de  sustituir  la  aplicación  cliente  específica  por  una  página  web  queimplemente  la  interfaz para el  usuario  y le  evite  a  éste  tener  que instalar  programas o tener  quedisponer de la aplicación en un soporte físico. De este modo se mejoraría la accesibilidad.3. Aplicación al Laboratorio de Instrumentación ElectrónicaEste sistema va a ser empleado en el Laboratorio de Instrumentación Electrónica de 5º curso de latitulación de Ingeniero de Telecomunicación como complemento para la formación práctica de losalumnos. Se está realizando un gran esfuerzo para renovar las prácticas en esta asignatura de modoque  los  alumnos  tengan  una  visión  más completa  de  las  tecnologías  que  actualmente  se  usan  encomunicaciones.El laboratorio de instrumentación electrónica es una asignatura práctica en la que los alumnostrabajan en grupos usando diferentes equipos de instrumentación como osciloscopios, analizadores deespectro, multímetros, analizadores lógicos, etc. Las prácticas están estructuradas en dos grupos. Elprimero,  contiene  prácticas  guiadas,  explicadas  paso  por  paso.  En  estas  prácticas  los  alumnosaprenden  y revisan  el  manejo  básico  de  los  aparatos  de  instrumentación,  usándolos  para  obtenermedidas en circuitos sencillos. El segundo grupo contiene prácticas donde los alumnos tienen queusar todo el conocimiento que han aprendido durante el primer grupo de prácticas, junto con otrosconocimientos adquiridos durante la carrera, para solucionar los problemas propuestos en la práctica.Dado  que  esta  asignatura  pertenece  al  5º  curso,  los  alumnos  ya  tienen  conocimientos  deinstrumentación,  y aunque  se  supone  que  son capaces  de  manejar  la  mayoría  de  los  aparatos,  esaconsejable recordarles su uso. En esta estructura se han detectado algunos probrlemas, entre ellosdestaca la falta de aplicación directa de los circuitos sobre los que se trabaja.Utilizando este prototipo domótico se pretende dar solución a una de las reivindicaciones de losalumnos: trabajar sobre circuitos con aplicación directa. El hecho de trabajar con sistemas cercanos ala realidad motiva el interés del alumno. El sistema será utilizado en el laboratorio de instrumentacióncon una doble finalidad: por un lado, se han previsto algunas sesiones prácticas con dos vertientesdiferentes. La primera versa sobre circuitos de adaptación de sensores y actuadores. En particular seutilizan circuitos para adaptar termopares y sensores de proximidad. En estas prácticas se fomenta eluso de multímetros y osciloscopios y, además, se enseña la naturaleza y principios de funcionamientode estos sensores. La segunda vertiente se centra en el manejo del bus CAN y en la programación delos microcontroladores.  En estas prácticas  el  alumno aprende algunas nociones sobre el  manejo yprogramación de los microcontroladores y sobre el  funcionamiento y aplicaciones de los buses decampo. Se prentende que sean capaces de manejar los sensores y actuadores utilizando los periféricosque incorporan estos dispositivos, tales como convertidores analógico-digitales, puertos serie, líneasde entrada/salida, así como los módulos CAN para establecer comunicación con el resto de elementosy  desarrollar  estrategias  de  control  distribuido.  Esta  práctica  fomenta  el  uso  de  osciloscopios,analizadores lógicos y entornos de desarrollo para microprocesadores.Figura 4. Vista de la maqueta. Figura 5. Hardware del sistema.Figura 6. Aplicación cliente para PC basada en Java.Por otra parte, también se pretende aprovechar el sistema para la realización de trabajos tantovoluntarios como obligatorios, iniciativa que ya viene funcionando desde cursos pasados y que losalumnos encuentran bastante útil. Lo que se pretende con estos trabajos es enseñar al alumno a hacerdiseños de esquemáticos, PCBs, a buscar y seleccionar componentes electrónicos, a manejarse condocumentación  técnica  y  a  depurar  el  hardware  que  han  desarrollado,  haciendo  uso  de  lainstrumentación electrónica disponible. Como resultado, los alumnos obtienen una visión general delproceso de diseño de sistemas electrónicos reales y adquieren una experiencia muy útil que no suelenrecibir en otras asignaturas.Alternativamente  se  pueden  plantear  nuevas  prácticas  sobre  el  sistema  orientadas  a  lascomunicaciones móviles y al desarrollo de aplicaciones en red a través de Ethernet.La previsión es que el sistema evolucione progresivamente gracias a las contribuciones de lospropios estudiantes. Aunque la expansión natural del sistema pasa por la creación de nuevos tipos desensores  y  actuadores,  también  se  plantea  la  incorporación  de  tecnologías  inalámbricas[3] comoBluetooth o Zigbee, que sustituyan en algunos casos al bus de campo.4. ConclusiónEl  sistema  propuesto  constituye  una  herramienta  docente  novedosa  y  útil  en  asignaturas  deúltimos cursos,  como en el laboratorio de instrumentación presentado en este artículo,  y adecuadapara  acercar  aplicaciones  de  tipo  práctico  y  reales  al  alumno.  Trabajar  con  tecnologías  realespermitirá  atraer  la  atención  de  los  alumnos,  ayudándoles  a  comprender  mejor  la  utilidad  de  losconocimientos adquiridos a lo largo de la carrera. Su amplia funcionalidad les permitirá desarrollarnuevas  aplicaciones  domóticas  con  posibilidades  casi  ilimitadas.  Pero  más  allá  de  lo  meramentetécnico, los alumnos pueden adquirir conocimientos sobre cómo se estructuran sistemas dómoticos,algo que les puede ser de utilidad cuando tengan que abordar proyectos en los que los ingenieros detelecomunicación tienen competencia, como son los proyectos de ICT y domótica.AgradecimientosQueremos expresar nuestro agredecimiento al Ministerio de Educación y Ciencia por su apoyoparcial  a  la  presentación  de este  trabajo  a  través  de   la  red  temática  del  Capítulo  Español  de  laSociedad de la Educación del IEEE (TSI2005-24068-E).Referencias[1] H. Kaschel y E. Pinto. Análisis del estado del arte de los buses de campo aplicados al control de procesosindustriales (2002).[2] Robert Bosch GmbH. CAN Specification Version 2.0. (1991)[3] P. Ferrari, A. Flammini, D. Marioli, E. Sisinni y A. Taroni.  A bluetooth-based sensor network with webinterface. IEEE Transactions on instrumentation and measurement, Vol. 54, Nº 6, 2359-2363 (2005).[4] J.W.  Hertel.  LONWORKS in industrial. Proceedings,  8th IEEE International Conference on EmergingTechnologies and Factory Automation, Vol. 1, 385-388 (2001).[5] H. Schildt. Java 2: The Complete Reference. 4th edition. McGraw-Hill (2001).

Plataforma para el desarrollo de sensores inteligentes y sistemas microprocesadores

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