Download diseño e implemantacion de un modulo de expancion de

COMUNICACIÓN POR RADIO FRECUENCIA PARA EL ROBOT FIREBOT
Enrique Y GARZON
Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”
Bogotá DC, 057-1, Colombia
y
Esperanza CAMARGO
Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”
Bogotá DC, 057-1, Colombia
y
Andrés R QUIROGA
Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”
Bogotá DC, 057-1, Colombia
RESUMEN
El grupo de Investigación ROMA de la Universidad
Distrital, desarrolla el robot FIREBOT como apoyo al
cuerpo de bomberos de Bogotá en el rescate de víctimas de
incendios; este busca detectar el foco de incendio en zonas
colapsadas a través de una plataforma provista de una red
de sensores quienes determinan el mayor punto de
concentración de temperatura, la información detectada por
los sensores es enviada a través de radiofrecuencia (RF) en
tiempo real para el monitoreo y supervisión desde una
estación remota.
manipulación sobre la plataforma e información del
incendio.
Figura 1. Plataforma Robot FIREBOT
En el presente artículo se presenta uno de los resultados del
proyecto de investigación titulado “Estudio, diseño e
implementación de una red industrial para robot
(FIREBOT) de detección de focos de incendio en zonas de
difícil acceso como apoyo para grupos de rescate” a partir
de la comunicación y transmisión RF desde la plataforma
móvil, hasta la estación remota.
Palabras clave: RF, Bus CAN, Transceptor, NI-CAN.
1.
INTRODUCCIÓN.
El rescate de vidas en desastres como los incendios es
cuestión de vida o muerte, el tiempo y la detección del
foco es trascendental y aumenta las probabilidades de
éxito en los rescates. El Grupo de investigación en
Robótica Móvil Autónoma – ROMA, desarrolla un sistema
robótico como apoyo a grupos de rescate en la localización
de focos de incendio denominado FIREBOT el cual busca
mejorar la seguridad en el control y extinción de incendios,
reduciendo el grado de exposición de los grupos de rescate.
Debido a que este es un robot tele operado provisto de
varios módulos independientes para hacerlo más versátil,
fue necesario implementar una red de comunicación que
integrará todo el sistema de teleoperación y telemetría para
hacer el seguimiento y control de cada una de las funciones
para su desplazamiento e interacción con el operador. Para
tal fin, se desarrollo una red industrial CAN (Control Area
Network) a partir de un sistema de radiofrecuencia que
permite la visualización, supervisión y control en tiempo
real de la información de cada uno de los sensores
implementados en la plataforma (Figura 1), donde el
operador del sistema puede tomar decisiones de
A partir de una red CAN la información provista por los
sensores dispuestos en la plataforma, los cuales se
encuentran en el foco del incendio, es enviada a través de
un modulo de transmisión RF y recibida por una estación
remota a través de un modulo de recepción RF en tiempo
real (Figura 2), así el cuerpo de rescate podrá tomar las
decisiones acordes con el desastre.
Figura 2. Diagrama general del sistema
En este artículo se describirán los avances hechos del
proyecto de investigación titulado “Estudio, diseño e
implementación de una red industrial para robot
(FIREBOT) de detección de focos de incendio en zonas de
difícil acceso como apoyo para grupos de rescate” en lo
referente a la comunicación CAN y la comunicación RF,
necesaria para la telemetría del robot, inicialmente se
explicaran las generalidades del protocolo CAN, luego se
comentara acerca la implementación realizada con los
microcontroladores PIC y el sistema de RF utilizado.
En el diseño del sistema general la implementación de la
red CAN para el robot FIREBOT y su correspondiente
integración de la parte de proceso con su sistema de
control, se tienen en cuenta algunos aspectos principales en
un proceso como lo son los elementos de campo, módulos
de adquisición de señales, módulos de transmisión y
recepción de señales, interfaz de comunicación y un
sistema de supervisión y control. Por tal motivo, fue
necesaria la implementación de un modelo de bus capaz
de agrupar todos estos aspectos haciendo que el sistema
fuera más rápido y eficiente.




Potencia emitida
Tipo de modulación empleada
Potencia máxima permitida de los harmónicos no
deseados de la portadora
Ruido, distorsión, señales espurias, etc…
Propiedades del receptor RF
La señal RF al llegar al receptor es amplificada para que el
demodulador sea separada de la portadora ωc, antes de
obtener la información, esta señal generalmente posee
niveles de ruido, por esto se recomienda la utilización de
módulos transeiver los cuales cuentan con un filtro interno.
El diagrama de bloques del receptor se muestra en la
Figura 5.
Figura 5. Diagrama de bloques del receptor
2.
COMUNICACION RF
La comunicación RF se realiza a partir de una señal, que
varía en el tiempo de acuerdo con la información, que se
quiere transmitir, para este caso el canal utilizado es el aire
en forma de ondas electromagnéticas de radiofrecuencia
(RF).
En la figura 3 se muestra un diagrama de bloques para
comunicación RF.
Las características requeridas en el receptor son muy
diferentes del emisor, entre ellas cabe destacar:

Figura 3. Sistema de comunicaciones RF


Propiedades del emisor RF
El modulador es el encargado de trasladar en frecuencia la
señal f(t), hasta la frecuencia portadora de RF, ωc. Puede ir
incorporado en el sintetizador de frecuencia, en el
preamplificador o en el amplificador de potencia (Figura
4). En los dos primeros casos se denomina modulación en
bajo nivel y en el tercero de alto nivel.
Figura 4. Diagrama de bloques del emisor
Las características básicas del emisor son las siguientes:



Frecuencia portadora, ωC
Estabilidad de frecuencia portadora, ΔωC/ ωC,
generalmente expresada en partes por millón (p.p.m.)
Ancho de banda de la señal modulada, B. Centrado
alrededor de ωC
Sensibilidad: mínima señal a la entrada que permite
tener a la salida una relación señal/ruido
predeterminada (generalmente > 20 dB)
Selectividad: capacidad de separar los canales
adyacentes
Fidelidad: capacidad de reproducir la señal emitida
sin distorsión.
3.
IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULOS DE
RADIOFRECUENCIA.
El transceiver de radiofrecuencia TRF-2.4G fabricado por
Laipac Technology es un módulo que trabaja en la banda
de frecuencia ISM (Industrial Scientific and Medical) de
2.4 GHz reservada para uso no comercial. El módulo se
compone de una antena integrada, un amplificador de
potencia, un cristal oscilador y un modulador. La
configuración del mismo es fácilmente programable a
través de una conexión serie compuesta por tres cables. A
través de la misma conexión son transmitidos y
recuperados los datos que se envían por radio frecuencia.
El modulo TRF-2.4G puede trabajar en dos modos:
ShockBurst: En este modo el TRF-2.4G utiliza una
memoria FIFO de datos con reloj de baja velocidad para
almacenar
la
información
proveniente
de
microcontrolador; esta información es luego transmitida a
alta velocidad lo que permite una gran reducción de
potencia ya que la información es enviada en intervalos de
tiempo cortos. Cuando se opera el modulo en el modo
ShockBurst se tiene la ventaja de poder utilizar las
velocidades de transmisión ofrecidas por la banda de 2.4
GHz sin la necesidad de utilizar un microcontrolador con
grandes velocidades de procesamiento.
Modo directo: Funciona como los transmisores de RF
estándar. (Figura 6)
Figura 6. Modos de funcionamiento del TRF 2.4
Los pines DR1, CS CE DATA y CLK1 del transceptor
pueden ser conectados a cualquiera de los puertos libres
del microcontrolador. No requieren una conexión a un pin
con una función específica. A través de Software se
programan los pines correspondientes del microcontrolador
a los que esté conectado el TRF-2.4G.
Configuración de los módulos TRF 2.4g
Teniendo en cuenta esto fue posible poner en
funcionamiento los módulos de radiofrecuencia TRF2.4g
para el enlace de RF.
Esto se logro por medio de la librería “TRFMOD24G.c”,
en donde se hace la transferencia efectiva de buffers de 6
bytes en intervalos de tiempo de aproximadamente 500us
el código del envió y recepción es el siguiente:
Conexionado del TRF-2.4G
El fabricante NORDIC Semiconductor aporta el siguiente
diagrama de conexión mostrado en la Figura 7 para acoplar
su chip transceptor nRF2401, incorporado en el TRF-2.4G,
a una interfaz SPI.
RF_24G_initPorts();
RF_24G_Config();
RF_24G_SetRx();
if(INPUT(RF_24G_DR1)){
getBuffer();
putc(buf[0]);
}
RF_24G_SetTx();
delay_us(500);
putBuffer();
RF_24G_SetRx();
delay_us(500);
El chip transceptor de nRF2401 utiliza un único pin (pin
Data) para la entrada de datos que se van a transmitir vía
radio (modo emisión) y para la salida de datos que se
hayan recuperados de una trama recibida con éxito (modo
recepción). Su conexión física con los pines SDI y SCK de
la interfaz SPI del microcontrolador posibilita el
funcionamiento del chip tanto en modo emisor como
receptor, según lo configure el micro que lo acompaña.
Figura 4. Diagrama de conexión para acoplar el chip
transceptor nRF2401 a una interfaz SPI.
La dinámica de transmisión consiste en dejar los datos a
enviar en el vector buf y llamar las funciones put_buffer()
que se encargan de colocar los datos en el modulo de radio
frecuencia para la transmisión.
En el caso de la recepción se utiliza el mismo vector buf
para la captura de los datos pero esta vez lo que se hace es
esperar que se encienda el bit DR1 del modulo de rf esto
indica que se capturaron datos; estos datos capturados se
recogen por medio de la función get_bufer(), las funciones
se definen de la siguiente manera :
void putBuffer() {
int8 i;
OUTPUT_HIGH(RF_24G_CE);
CSDELAY();
La alimentación del sistema (establecida en 3.3V) se
encuentra dentro del rango admisible de tensiones
soportadas por el chip transceptor, por lo que se ha
implantado directamente el diagrama de conexión
propuesto por NORDIC Semiconductor En la tabla 1 se
indica la correspondencia de pines en el enlace de
conexión entre el microcontrolador y el transceptor TRF2.4G.
Tabla 1. Correspondencia de pines
microcontrolador y el transceiver. TRF-2.4G
PIN_B1
DATA
PIN_B0
DR1
PIN_B2
CLK1
PIN_B3
CS
PIN_B4
CE
entre
putByte(ADDR1_1);
putByte(ADDR1_0);
for( i=0; i<BUF_MAX ; i++) {
putByte(buf[i]);
}
OUTPUT_LOW(RF_24G_CE);
OUTPUT_LOW(RF_24G_CLK1);
el
}
4.
void getBuffer() {
int8 i;
for( i=0; i<BUF_MAX ; i++) {
buf[i] = getByte();
}
OUTPUT_LOW(RF_24G_CLK1);
OUTPUT_HIGH(RF_24G_CE);
Puente
RF de mensajes CAN.
}
Puente de mensajes CAN
El puente de mensajes CAN consiste básicamente en dos
microcontroladores cada uno programado de la misma
manera, la función de dichos microcontroladores es unir
dos buses CAN funcionando como repetidores, es decir,
todos los mensajes que son enviados en un bus son
recolectados
y transmitidos remotamente, existe un
receptor que capta dichos mensajes por RF y los coloca
localmente; con esto se logra simular una especie de
conexión directa en donde los dispositivos remotos como
locales conectados al bus CAN funcionan en un mismo
entorno es decir que interactúan como si estuvieran unidos
a un mismo cable. como se muestra en el siguiente
diagrama de flujo figura 7.
Figura 7. Diagrama de flujo Puente RF de mensajes CAN
Inicio
Si DR1 esta activo
Se captura ID
CAN por RF
Se captura buffer
de datos
En esta parte de transmisión y recepción de mensajes se
implemento un circuito PCB. capaz de soportar las
inclemencias a las cuales iba a soportar la estructura del
robot su parte física pero genero una serie de
inconvenientes con el transceptor TRF-2.4G de Laypac
Technology. Debido que la plataforma móvil a causa de su
estructura física actúa como jaula de faraday en el modulo
de transmisión.
4.
RESULTADOS
Las siguientes tablas corresponden a las pruebas hechas en
cuanto a el envió y recepción de paquetes CAN por medio
de radiofrecuencia con los TRF2.4G, utilizando la tarjeta
NI-CAN como emisor de los mensajes y como receptor
uno de los módulos del proyecto montado en el FIREBOT;
La prueba consistió en enviar paquetes CAN de un
segmento de la red a otro y analizar cuantos paquetes se
pierden en proceso, en la Tabla 2 se realizo una prueba al
aire libre con línea de vista a diferentes distancias, en la
tabla 3. se realizo la misma prueba pero se le coloco la
cubierta metálica al robot (En el interior de la estructura
metálica del FIREBOT).
Tabla 2 Transmisión Sin Cubierta Metálica
Valores de Transmisión Con Cubierta
Se envia mensaje
por bus CAN
Si hay datos en
modulo CAN
Distancia
#Paquetes
enviados
#Paquetes
Recibidos
Porcentaje de Perdida
de Señal
5m
20
18
10%
10m
20
18
10%
15m
20
12
40%
20m
20
3
85%
25m
20
1
95%
Tabla 3 Transmisión Con Cubierta Metálica
Se lee buffer de
entrada del
modulo CAN
Se transmite
dirección de ID
por RF
Se transmiten
datos por RF
Valores de Transmisión Sin Cubierta
Porcentaje de
#Paquetes # Paquetes
Perdida de
Distancia enviados
Recibidos
Señal
5m
20
20
0%
10m
20
20
0%
15m
20
20
0%
20m
20
20
0%
25m
20
20
0%
Como se puede notar la transmisión de paquetes CAN por
RF con los TRF2.4G a través de la cubierta es
prácticamente imposible lograr distancias superiores a los
20m ya que solo se reciben el 15% de los paquetes, aun
usando un protocolo robusto de validación de los datos la
comunicación seria lenta y de igual forma fallarían los
paquetes enviados. Esto se debe al efecto que el metal de la
cubierta del FIREBOT ejerce sobre la señal de RF,
básicamente esta actúa como jaula de faraday atenuando en
gran medida la señal.
En la figura 7 se presenta la perdida en porcentaje de la
potencia de la señal respecto a la distancia del robot
FIREBOT con cubierta con la estación remota, en la cual
se muestra una pérdida del 20% de la información a partir
de los 13m, alcanzando una pérdida del 40 % de la
información a los 15m de distancia.
Figura 7. Porcentaje de pérdida de señal con respecto a la
distancia en el FIREBOT con cubierta.
[5] Sirgo J.A. (1997). Redes locales en entornos
industriales: Buses de campo. Oviedo: Universidad de
Oviedo.
[6] Super Robótica. (s.f.). superrobotica. Recuperado el
15 de Enero de 2008, de www.superrobotica.com:
http://www.superrobotica.com
[7]http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21
667d.pdf Agos. 2007
7.
AUTORES
Ing. Enrique Yamid Garzón González.
MsC© Pontificia Universidad Javeriana,
Especialista instrumentación
Ing. en Control electrónico e Instrumentación
Docente asistente Universidad Distrital
Facultad
Tecnológica
Director proyecto de investigación en el grupo de
investigación ROMA.
eygarzong@udistrital.edu.co.
5.
CONCLUSIONES
Se implemento un módulo denominado “Módulo de
transmisión y recepción TRF” consiste en un transceiver
de radiofrecuencia que funciona a manera de repetidor, con
esto se logra la interacción de manera transparente (como
si las dos redes estuvieran unidas en una) entre los nodos
del bus CAN.
Para el caso especifico de este proyecto las distancias son
muy cortas entre los dispositivos en la plataforma del
robot, de tal manera que la comunicación funciona a la
máxima velocidad posible.
Para las distancias superiores a los 20m, presenta
problemas en el envió de datos con una pérdida de
paquetes del 75% , sin opción de implementar sistemas que
mejoren la transmisión y recepción debido a la jaula de
faraday que se forma por la carcasa de la plataforma.
Una posible solución para implementar un sistema de
transmisión más efectivo seria utilizar transmisores de mas
potencia o buscar la forma de colocar antenas en el exterior
del robot.
6.
REFERENCIAS
[1] Canbus.galeon.com. (s.f.). Recuperado el 24 de 10 de
2007, de
http://www.canbus.galeon.com/electronica/canbus.htm
[2] Kaschel, H., & Pinto, E. (2005). Análisis protocolar
del bus de campo CAN. Santiago de Chile:
Universidad de Santiago de Chile.
[3] OBD. (s.f.). OBDCenter. Recuperado el 24 de 10 de
2007, de http://www.obdcenter.com/consultas.php
[4] Quezada J. (1999). Bus CAN: Estado de buses
industriales y aplicaciones. Madrid: Escuela Técnica
Superior de Ingenieros.
Ing. Esperanza Camargo Casallas.
Especialista instrumentación
Ing. en Control electrónico e Instrumentación
Docente asistente Universidad Distrital
Facultad Tecnológica
Director proyecto de investigación en el grupo de
investigación ROMA.
ecamargoc@udistrital.edu.co.
Tecnólogo. Andrés Rodolfo Quiroga.
Estudiante Ing. en Telecomunicaciones.
Universidad Distrital
Facultad Tecnológica
Auxiliar de Investigación en el grupo de investigación
ROMA.
rodolfo.quiroga@hotmail.com.