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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Electrónica
“DISEÑO DE SISTEMA DE TELEMETRÍA PARA ADQUISICIÓN DE DATOS DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA E IMÁGENES FOTOGRÁFICAS DEL GLACIAR PICHILLANCAHUE EN EL VOLCÁN VILLARRICA” Tesis para optar al título de: Ingeniero Electrónico. Profesor Patrocinante: Sr. Franklin Castro Rojas. Ingeniero Electrónico Licenciado en Ciencias de la Ingeniería, Diplomado en Ciencias de la Ingeniería.
JORGE ANDRÉS HUENANTE GUTIERREZ VALDIVIA – CHILE 2010
i
Comisi´on de Titulaci´on
Sr. Franklin Castro Rojas Profesor Patrocinante
Sr. Jos´e Andres Uribe Parada Profesor Informante
Sr. Pedro Rey Clericus Profesor Informante
Fecha de Examen de Titulaci´on:
ii
A mis padres Sandra y Ricardo por su esfuerzo y apoyo a trav´es de todo este tiempo, a mis abuelos Nolfa y “Carolo”.
iii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al Dr. Andr´es Rivera quien me acogi´o en el grupo de Glaciolog´ıa y Cambio Clim´ atico del CECS y me brind´ o la oportunidad de realizar este trabajo junto con ellos. Al grupo de trabajo del CECS por el apoyo y la ayuda. A Claudio Bravo, Felipe Napoleoni, Max Fuentealba, Sebastian Cisternas, Rodrigo Zamora, Sebastian Viveros, Anja Wendt y en forma especial a Andy Uribe. Al Instituto de Electricidad y Electr´onica de la Universidad Austral de Chile y a sus profesores. Quisiera agradecer a quienes de uno u otra forma hicieron posible el desarrollo de este trabajo. A los amigos que siempre han estado a mi lado hasta el d´ıa de hoy y que sin duda alguna me seguir´ an apoyando en el futuro. En forma especial a Milena que me acompa˜ n´o durante los u ´ltimos a˜ nos. Este trabajo cont´o con el financiamiento del proyecto FONDECYT No 1090387 “Ice-capped active volcanoes in Southern Chile: Glacier impacts of geothermal activity and eruptive events. Support to decision making and adaptative process”.
Jorge Andr´es Huenante Gutierrez
´Indice general Resumen
VII
Abstract
VIII
1. Introducci´ on
1
2. CECS, glaciolog´ıa y el volc´ an Villarrica
3
2.1. Sobre el Centro de Estudios Cient´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2. Glaciolog´ıa y Cambio Clim´atico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3. Volc´an Villarrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3.1. Objetivos y M´etodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3.2. Datos Meteorol´ogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3.3. Fotograf´ıa Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3. Estaci´ on Meteorol´ ogica y Sensores.
11
3.1. Estaci´on Meteorol´ogica Autom´atica (AWS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2. Datalogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2.1. Almacenamiento de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2.2. Protocolo de Comunicaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.2.3. Entradas y Salidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.2.4. Descripci´on de Algunos Dataloggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.3.1. Bar´ometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
iv
´INDICE GENERAL
v
3.3.2. Anem´ometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.3.3. Temperatura y Humedad Relativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.3.4. Piran´ometro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.3.5. Radi´ometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.3.6. Sensor de Distancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4. Fundamentos de propagaci´ on.
26
4.1. Atenuaci´on y absorci´on de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4.1.1. Atenuaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4.1.2. Absorci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4.2. Propiedades o´pticas de las ondas de radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.2.1. Refracci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.2.2. Reflexi´on
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.2.3. Difracci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
4.2.4. Interferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
4.3. Propagaci´on terrestre de las ondas electromagn´eticas . . . . . . . . . . . . .
35
4.3.1. Propagaci´on de onda terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
4.3.2. Propagaci´on de ondas espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
4.3.3. Propagaci´on por ondas celestes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5. Antenas
39
5.1. Par´ametros de Antenas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5.1.1. Impedancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5.1.2. Intensidad de radiaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.1.3. Diagrama de radiaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.1.4. Directividad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.1.5. Polarizaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.1.6. Ancho de Banda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
5.1.7. Adaptaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
´ 5.1.8. Area y longitud efectiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
´INDICE GENERAL
vi
5.2. Ecuaci´on de transmisi´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
5.3. Tipos de antenas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
5.3.1. Antena Patch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
5.3.2. Antena Yagi-Uda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.3.3. Parab´olica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6. Tecnolog´ıas de Telecomunicaci´ on
57
6.1. Satelital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
6.1.1. Sistemas de Sat´elites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.1.2. Algunos Sistemas de Comunicaci´on Satelital. . . . . . . . . . . . . . .
59
6.2. WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
6.2.1. Est´andares existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
6.2.2. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
6.2.3. Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
6.2.4. Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
6.3. 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
6.3.1. Evoluci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
6.3.2. Aspectos t´ecnicos de la generaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
7. Radioenlace
71
7.1. Presupuesto de potencia de enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
7.2. Elementos del presupuesto de enlace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
7.2.1. Potencia de transmisi´on Tx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
7.2.2. P´erdida en el cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.2.3. P´erdidas en los conectores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.2.4. Amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
7.2.5. Ganancia de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
7.2.6. P´erdidas en el espacio libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
7.2.7. Zona de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
7.2.8. Sensibilidad del receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
´INDICE GENERAL
vii
7.2.9. Margen y relaci´on S/N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
7.3. C´alculo con decibeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
7.3.1. Conversiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
8. Linux Empotrado
81
8.1. Anatom´ıa de un Sistema Empotrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
8.1.1. Boot Loader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
8.1.2. Kernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
8.1.3. Sistema de Archivos Ra´ız
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
8.1.4. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
8.1.5. Compilador Cruzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
8.2. Herramientas B´asicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
8.2.1. The GNU Compiler Collection (GCC) . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
8.2.2. Make . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
8.2.3. Librer´ıa C Est´andar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
8.2.4. GNU C Library (glibc) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
8.2.5. uClibc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
8.2.6. GNU debugger (GDB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
8.2.7. BusyBox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
8.2.8. Automake/Autoconf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.2.9. Sistema de Empaquetado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.3. Configuraci´on del Ambiente Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
8.3.1. Arrancar la tarjeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
8.3.2. Configurar y construir el kernel de Linux . . . . . . . . . . . . . . . .
89
8.3.3. Configurar y construir el sistema de archivos ra´ız . . . . . . . . . . .
90
8.4. Iniciando el Proyecto Empotrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
9. Tarjeta empotrada
91
9.1. Descripci´on del hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
9.1.1. Consumo de energ´ıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
´INDICE GENERAL
viii
9.1.2. Procesador para aplicaciones multimedia i.MX27 . . . . . . . . . . .
92
9.1.3. Sistema de proceso ARM926EJ-S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
9.1.4. Memoria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
9.1.5. Perif´ericos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
9.2. Descripci´on del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
9.2.1. U-Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
9.2.2. Builroot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
9.2.3. APF27 Linux Kernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
9.2.4. M´odulos APF27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
9.2.5. AsDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102
10.Dise˜ no del sistema
103
10.1. Estudio del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
10.1.1. Ubicaci´on del Glaciar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
10.1.2. Disposici´on Preliminar del Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
10.1.3. Disposici´on definitiva del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
10.1.4. Topograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
107
10.2. Presupuesto de radioenlace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
10.2.1. Estaci´on meteorol´ogica - Estaci´on repetidora . . . . . . . . . . . . . .
109
10.2.2. Estaci´on repetidora - Estaci´on Caburga . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
10.3. Recolecci´on de datos desde el datalogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.3.1. Protocolo PakBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.3.2. Descripci´on del Protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.3.3. Comunicaci´on.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
10.3.4. Cabecera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
10.3.5. Protocolos y Tipos de Paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.3.6. Secuencia de recolecci´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.3.7. Recolecci´on de tablas y registros espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . .
118
10.3.8. Obtenci´on de valores desde registros espec´ıficos . . . . . . . . . . . .
119
10.4. Obtenci´on de fotograf´ıa terrestre
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
´INDICE GENERAL
ix
10.4.1. libgphoto2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
10.4.2. gphoto2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
10.4.3. C´amara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
10.5. Conexi´on WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
10.6. Conexi´on 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
10.6.1. PPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
10.6.2. WvDial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
10.6.3. WvStreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
10.7. Generaci´on fotovoltaica y bancos de bater´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
10.7.1. Dimensionamiento de los paneles solares . . . . . . . . . . . . . . . .
125
10.7.2. Dimensionamiento de los bancos de bater´ıas . . . . . . . . . . . . . .
129
10.8. Programaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
10.8.1. Programaci´on estaci´on meteorol´ogica . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
10.8.2. Programaci´on estaci´on repetidora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
10.9. Dise˜ no final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
10.9.1. Estaci´on Meteorol´ogica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
10.9.2. Estaci´on repetidora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
134
10.9.3. Sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
10.10.Costos estimados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
11.Conclusiones
140
A. Comandos gPhoto2
144
B. Configuraci´ on 3G con Huawei E176 para entelpcs
146
C. Diagramas de Programaci´ on
148
Bibliograf´ıa
151
´Indice de figuras 2.1. Modelo de Elevaci´on Digital (DEM) de la zona del Volc´an Villarrica. . . . . . . .
7
2.2. Estaci´on meteorol´ogica autom´atica sobre el glaciar Pichillancahue. . . . . . . . .
8
2.3. Imagen Terrestre del Volc´an Villarrica con proyecci´on en perspectiva de un DEM.
10
3.1. Estaci´on Meteorol´ogica Autom´atica T´ıpica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.2. Datalogger Campbell CR200-Series. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3. Datalogger Campbell Scientifics, modelo CR1000. . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.4. Datalogger Campbell CR3000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.5. PTB110, Bar´ometro Vaisala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.6. Anem´ometro equipado con h´elices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.7. Anem´ometro ultras´onico modelo 85000 fabricado por Young Company. . . . . . .
21
3.8. Principio de funcionamiento del anem´ometro ultras´onico. . . . . . . . . . . . . .
21
3.9. HMP45C. Sensor de Temperatura y Humedad Relativa. . . . . . . . . . . . . . .
23
3.10. CMP3. Piran´ometro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.11. NR-LITE. Radi´ometro con sensores recubiertos por teflon fabricado por Kipp and Zonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
3.12. SonicRange (SR50A), Sensor de de Distancia Ultras´oonico. . . . . . . . . . . . .
25
4.1. Efecto de la Tierra en la Propagaci´on. Onda de Espacio. . . . . . . . . . . . . .
28
4.2. Efecto de la Tierra en la Propagaci´on. Difracci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
4.3. Refracci´on de rayos incidentes de un medio menos denso a uno m´as denso y de uno m´ as denso a otro menos denso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.4. Difracci´on de rayos incidentes rodeando una arista. . . . . . . . . . . . . . . . .
34
x
´INDICE DE FIGURAS
xi
4.5. Efecto de la Tierra en la Propagaci´on. Onda de Superficie. . . . . . . . . . . . .
36
4.6. Propagaci´on de ondas espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
4.7. Capas ionosf´ericas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5.1. Diagrama de radiaci´on en coordenadas polares. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.2. Diagrama de radiaci´on en coordenadas cartesianas. . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.3. Antena impresa, patch o microstrip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
5.4. Lineas de campo e en antena patch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.5. Campo radiado por antena patch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.6. Patrones de radiaci´on normalizados de campo el´ectrico para arreglos yagi resonantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
5.7. Antenas tipo Yagi para diferentes frecuencias de operaci´on entre 800 y 1900 MHz .
54
5.8. Tipos de paraboloides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
5.9. Antena parab´olica de rejilla para 2,4 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
6.1. Evoluci´on de los est´andares inal´ambricos 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
7.1. Trayectoria de transmisi´on entre el transmisor y el receptor. . . . . . . . . . . . .
71
7.2. Suma de todos los aportes en decibeles para un radioenlace. . . . . . . . . . . . .
72
7.3. P´erdida en dBm en funci´on de la distancia para un radioenlace. . . . . . . . . . .
73
7.4. P´erdida en dB en funci´on de la distancia en metros. . . . . . . . . . . . . . . . .
76
7.5. Zona de Fresnel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
9.1. Diagrama descripci´on del Hardware de la APF27. . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
9.2. Diagrama descripci´on del procesador Freescale i.MX27. . . . . . . . . . . . . . .
93
10.1. Ubicaci´on del Glaciar Pichillancahue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
10.2. Ubicaci´on de los dispositivos en la zona del glaciar. . . . . . . . . . . . . . . . .
105
10.3. Ubicaci´on propuesta para estaci´on repetidora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106
10.4. Ubicaci´on final de los componentes del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106
en los planos E y H, con 5, 7 y 15 elementos.
´INDICE DE FIGURAS
xii
10.5. Perfil Topogr´afico entre el posici´on de estaci´on meteorol´ogica y la posici´on de la estaci´ on de repetici´on obtenido desde software GobalMapper utilizando un mapa de elevaci´ on digital STRM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
107
10.6. Perfil Topogr´afico entre la posici´on de la estaci´on de repetici´on y la localidad de Caburga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
10.7. Antena de tipo patch marca TP-LINK modelo 2414A con ganancia de 14 dBi. . .
109
10.8. Access Point marca TP-Link con potencia de salida de 32 mW. . . . . . . . . . .
110
10.9. Router marca D-LINK modelo DI-542 con sensibilidad de -89 dBm. . . . . . . . .
110
10.10.Simulaci´on de enlace WiFi entre la estaci´on meteorol´ogica y la estaci´on repetidoracon software Radio Mobile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
10.11.M´odem de tecnolog´ıa 3G marca Huawei modelo E176. . . . . . . . . . . . . . . .
112
10.12.Antena tipo Yagi de 11 elementos a 1900 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
10.13.Simulaci´on de enlace GSM entre la estaci´on repetidora y la antena ENTEL en Caburga. 113 10.14.Estructura b´asica del paquete PakBus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.15.Estructura detallada del paquete PakBus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
10.16.Estructura de la cabecera del paquete PakBus. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
10.17.Diagrama de recolecci´on de datos desde el datalogger. . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.18.C´amara fotogr´afica marca Canon modelo PowerShot A640 . . . . . . . . . . . .
121
10.19.Conexi´on Wifi para 3 Km. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
10.20.Conexi´on 3G para 25 Km. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
10.21.Definici´on de las horas pico solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
10.22.SP-10, panel solar de 10 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
129
10.23.PS100. Fuente de 12 V 7 A/h con regulador de voltaje de marca Campbell Scientifics. 131 10.24.Diagrama de recolecci´on de datos desde el datalogger indicando las tres funciones b´asicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
10.25.Diagrama de recolecci´on de datos desde el datalogger. . . . . . . . . . . . . . . .
133
10.26.Sistema de adquisici´on de datos en AWS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
134
10.27.Sistema de recepci´on y transmisi´on en estaci´on repetidora. . . . . . . . . . . . .
135
10.28.Sistema completo de adquisici´on de datos meteorol´ogicos y fotograf´ıa terrestre. . .
136
´INDICE DE FIGURAS
xiii
C.1. Diagrama de programaci´on de la CPU en la estaci´on meteorol´ogica indicando tres funciones b´asicas en detalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
C.2. Diagrama de programaci´on de la CPU en la estaci´on repetidora indicando cuatro funciones b´asicas en detalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
150
´Indice de cuadros 5.1. Denominaci´on de las bandas de frecuencia por d´ecadas. . . . . . . . . . . . . . .
40
5.2. Denominaci´on habitual de las bandas de frecuencias en microondas. . . . . . . . .
40
7.1. Valores t´ıpicos de perdida en los cables para 2, 4GHz. . . . . . . . . . . . . . . .
74
9.1. Consumo de la APF27 en sus dos modos de operaci´on. . . . . . . . . . . . . . .
92
9.2. Disponibilidad de los m´odulos en la APF27 (ND: No Disponible; NP: No Probado). 101 10.1. Consumo total diario para la estaci´on meteorol´ogica. . . . . . . . . . . . . . . .
126
10.2. Consumo total diario para la estaci´on repetidora con c´amara fotogr´afica. . . . . .
126
10.3. promedio diario de irradiaci´on global mensual en kW h/m2 para la ciudad de Pucon, 39,27o Sur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
10.4. Costo estimado para implementaci´on de Estaci´on Meteorol´ogica autom´atica. . . .
137
10.5. Costo estimado para implementaci´on de Estaci´on Repetidora. . . . . . . . . . . .
138
10.6. Costo total estimado para implementaci´on del sistema. . . . . . . . . . . . . . .
138
10.7. Costo total estimado para complementaci´on solo del sistema de adquisici´on y transmisi´ on de datos y fotograf´ıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xiv
139
Resumen El presente trabajo consiste en el estudio te´orico y dise˜ no de un sistema de comunicaci´on que pueda ser utilizado para la obtenci´on de datos de importancia para el estudio del glaciar Pichillancahue, que se encuentra en la parte Este del volc´an Villarrica. Los datos que se obtendr´ıan consisten en las mediciones realizadas por una estaci´on meteorol´ogica autom´atica, adem´as de fotograf´ıas de alta resoluci´on que ser´an registradas en forma diaria por una c´amara ubicada en la parte frontal del glaciar. El sistema de comunicaci´on estar´a compuesto de tecnolog´ıas inal´ambricas como Wi-Fi y telefon´ıa 3G en conjunto con la aplicaci´on de sistemas con Linux empotrado, para la obtenci´on de fotograf´ıas oblicuas terrestres provenientes de la c´amara autom´atica.
xv
Abstract This work is the theoretical study and design of a communication system that can be used to obtain important data for the study of the Pichillancahue glacier, which is on the east side of the Villarrica volcano. The data obtained consist of measurements from an automatic weather station, as well as high-resolution photographs to be recorded on a daily basis by a camera on the front of the glacier. The communication system will consist of wireless technologies like Wi-Fi and 3G telephony in conjunction with the implementation of Linux Embedded systems for the procurement, processing and interpretation of terrestrial oblique photographs, from the automatic camera.
xvi
Cap´ıtulo 1 Introducci´ on Uno de los grandes problemas en el estudio de glaciares que se realiza en el Laboratorio de Glaciolog´ıa y Cambio Clim´atico del Centro de Estudios Cient´ıficos (LGCC-CECS), es la obtenci´on segura de los datos que registran los sensores utilizados para el monitoreo de la zonas de estudio, los cuales en muchas ocasiones se han perdido por diferentes razones. La m´as com´ un de las unidades de almacenamiento de datos es la estaci´on meteorol´ogica autom´atica, la cual consta b´asicamente de una variedad de sensores y un datalogger, el cual almacena las diferentes variables que los sensores registran. Esta estaci´on meteorol´ogica por lo general debe ser instalada en lugares de dif´ıcil acceso y sus registros deben ser obtenidos personalmente donde est´e ubicada cada cierto tiempo por campa˜ nas en terreno que realizan equipos de personal del a´rea. Normalmente estas estaciones constan con sistemas de recarga de bater´ıas por medio de paneles solares, pero esto no asegura la autonom´ıa del sistema de forma eterna, es aqu´ı donde las campa˜ nas en terreno, adem´as se encargan de la mantenci´on de estos dispositivos. La correcta obtenci´on de estos datos es de vital importancia, ya que se invierte una gran cantidad de esfuerzo, tiempo y dinero en cada intento por obtener una diversidad de posibles registros, donde a la vez se pone en riesgo la integridad de los equipos humanos que realizan las campa˜ nas en terreno.
1
´ CAP´ITULO 1. INTRODUCCION
2
Los datos registrados se ven constantemente amenazados por diversos factores ambientales, aunque tambi´en en algunos casos por fallas en los equipos y errores humanos en la planificaci´on. Todo lo mencionado anteriormente resulta en la necesidad de tener alg´ un sistema de monitoreo remoto que, a la vez se encargue de la obtenci´on de la informaci´on, para as´ı tener un respaldo de ellos y jam´as perder datos importantes, tambi´en saber cu´ando ser´ıa el momento apropiado para realizar mantenci´on. Esto reducir´ıa la necesidad de realizar campa˜ nas en terreno en una cantidad considerable con respecto a las que se realizan en la actualidad. El siguiente trabajo de t´ıtulo intentar´a realizar el dise˜ no de un sistema de transmisi´on que se encargue de la obtenci´on de datos a distancia, para esto se seleccion´o el glaciar Pichillancahue que se ubica en el volc´an Villarrica. Se comenzar´a intentando explicar a modo introductorio el trabajo que se realiza en el LGCC-CECS, especialmente el glaciar Pichillancahue y los instrumentos que se utilizan para el monitoreo del glaciar como son las estaciones meteorol´ogicas y m´etodos como el de fotograf´ıa terrestre, luego se explicar´an algunos conceptos b´asicos en el ´area de las telecomunicaciones, radioenlaces, antenas y algunas de las diferentes tecnolog´ıas y formas de c´alculos u ´tiles para este proyecto. En otra etapa del desarrollo de este trabajo se mostrar´an algunos conceptos referentes a sistemas empotrados y Linux, en su forma de Linux empotrado, como un concepto interesante para aplicar. Finalmente se explicar´a el dise˜ no propuesto dividido en estaciones, y cada una de las partes de ´estas, basado principalmente en la locaci´on en donde se necesita desarrollar el sistema.
Cap´ıtulo 2 CECS, glaciolog´ıa y el volc´ an Villarrica 2.1.
Sobre el Centro de Estudios Cient´ıficos
El Centro de Estudios Cient´ıficos (CECS), es una corporaci´on de derecho privado, sin fines de lucro, dedicada al desarrollo, fomento y difusi´on de la investigaci´on cient´ıfica. Fue fundado en el a˜ no 1984 en la ciudad de Santiago de Chile, con el nombre de Centro de Estudios Cient´ıficos de Santiago (CECS), gracias a una beca de la Fundaci´on Tinker (EEUU). En su comienzo se compon´ıa de f´ısicos te´oricos y bi´ologos que, teniendo carreras consolidadas en el extranjero, deseaban volver a Chile y causar impacto a trav´es de la ciencia. A principios del a˜ no 2000, el CECS se traslado al sur de Chile, espec´ıficamente a la ciudad de Valdivia, como una medida de descentralizaci´on ejemplar y sin precedentes. Este cambio marc´o el comienzo de un periodo de expansi´on y consolidaci´on. El CECS es el primer instituto independiente en ciencias naturales en Chile y el u ´ nico en una regi´on alejada de la capital del pa´ıs. En el CECS existen tres ´areas de investigaci´on: Biolog´ıa y Fisiolog´ıa Molecular, F´ısica Te´orica y Glaciolog´ıa y Cambio Clim´atico. En cada una de estas a´reas se logra un ambiente de trabajo acogedor y de confianza, el liderazgo es ejercido por estatura cient´ıfica y capacidad para comandar tareas y proyectos espec´ıficos. 3
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
4
En el a´rea de Glaciolog´ıa y Cambio Clim´atico se estudia la variaci´on de los glaciares y las din´amicas de flujo del hielo y su relaci´on con los cambios clim´aticos. Estos estudios se realizan en la zona de Los Andes desde la zona central de Chile hasta los campos de hielo patag´onico norte y sur, adem´as de la pen´ınsula Ant´artica y el sector occidental del casquete Ant´artico. La metodolog´ıa utilizada en esta a´rea de estudio incluye mediciones y monitoreo sistem´atico de la superficie de los glaciares en terreno mediante sistemas GPS, radio eco sondaje, balance de masa y energ´ıa utilizando estaciones meteorol´ogicas, exploraciones a´ereas y prospecci´on con sensores activos como GPS, radar y altimetr´ıa laser, adem´as de an´alisis digital de im´agenes satelitales en el espectro visible e infrarrojo.
2.2.
Glaciolog´ıa y Cambio Clim´ atico
Actualmente, el laboratorio de Glaciolog´ıa y Cambio Clim´atico del CECS se encuentra trabajando en un proyecto que tiene como objetivo principal el estudio del impacto del calor geotermal y la actividad eruptiva en glaciares ubicados en las partes altas de volcanes activos de la zona sur de Chile, para ayudar en la toma de decisiones en el proceso de evaluaci´on ambiental y el riesgo en las zonas que pueden verse afectadas [1]. Se cre´ıa que los cambios en los glaciares de esta parte del hemisferio eran producto de los cambios clim´aticos observados por la red meteorol´ogica. Pero, los glaciares que cubren volcanes activos pueden responder de diferentes formas dependiendo de la intensidad de su actividad volc´anica. Erupciones ocurridas en la segunda mitad del siglo veinte afectaron de forma parcial o completa glaciares existentes en calderas o flancos volc´anicos. Pocos estudios se han llevado a cabo para cuantificar estos efectos y menos la regeneraci´on de estos glaciares en Chile. En otros casos, la existencia de material pirocl´astico1 en la superficie de los glaciares ha disminuido la superficie de hielo expuesta en la zona de ablaci´on2 , aislando t´ermicamente al 1
Material rocoso cl´ astico (roto y fragmentado) formado por una explosi´ on volc´anica o una expulsi´ on aerea desde un orificio volc´ anico. 2 La ablaci´on glaciar es la p´erdida de masa de un glaciar por fusi´ on, sublimaci´ on o rotura de icebergs.
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
5
hielo del ambiente que lo rodea. Este efecto se ha estudiado solo parcialmente en el volc´an Villarica donde se concluy´o que la conductividad t´ermica del material volc´anico juega un papel relevante. Las interacciones glacio-volc´anicas podr´ıan tener consecuencias dram´aticas para la poblaci´on que vive en los alrededores de los volcanes, por lo tanto su caracterizaci´on, cuantificaci´on y modelizaci´on es vital para un pa´ıs con una gran cantidad de volcanes activos como Chile. En la actualidad las t´ecnicas utilizadas han sido incapaces de obtener datos en ciertas ´areas y condiciones. Por esto, las campa˜ nas en terreno deben ser reforzadas con teledetecci´on y campa˜ nas a´ereas que pueden extender el a´rea de cobertura. Este proyecto propone el estudio de un grupo selecto de los volcanes m´as activos cubiertos por hielo y parcialmente documentados del sur de Chile, en donde se quiere llevar a cabo en detalle el monitoreo utilizando diferentes t´ecnicas como geodesia, altimetr´ıa l´aser aerotransportada, radio-eco-sondaje, fotograf´ıas a´ereas y terrestres, estaciones meteorol´ogicas autom´aticas incluyendo termocuplas para la medici´on de las temperaturas bajo tierra y medidores ultras´onicos para mediciones hidrol´ogicas. Estas t´ecnicas en conjunto permitir´a una mejor estimaci´on del volumen de agua equivalente almacenado en cada volc´an, as´ı como los cambios en una escala espacial y temporal del glaciar, la modificaci´on diaria de la superficie del hielo, hasta las posibles ondulaciones o deformaciones del volc´an durante los a˜ nos. Todas estas nuevas t´ecnicas y m´etodos de an´alisis mejorar´an los programas de monitoreo existentes e intensificar´an y extender´an la discreta red de medici´on actualmente disponible. Los resultados de este proyecto contribuir´an a un mejor entendimiento en la interacci´on entre glaciar y volc´an.
2.3.
Volc´ an Villarrica
El volc´an Villarrica es considerado uno de los volcanes m´as activos en Los Andes. Su actividad eruptiva se caracteriza por erupciones de mediana intensidad, desgasificaci´on y explosiones peri´odicas, con un lago de lava que se mantiene en un nivel alto al menos desde 1984 y muy sensible a la actividad magm´atica en el conducto. Concentraciones de gases a´cidos
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
6
medidas en la cumbre del cr´ater han sido reconocidas como un peligro para los monta˜ nistas que ascienden el volc´an, los cuales podr´ıan estar expuestos a concentraciones sobre los l´ımites aceptados. En este volc´an se han registrado m´as de 500 eventos eruptivos desde 1558 y se sabe de decenas de erupciones explosivas en tiempos prehist´oricos. La u ´ltima erupci´on violenta registrada en los tiempos modernos tuvo lugar en 197172 cuando flujos de lava fueron generados, adem´as de flujos lah´aricos3 que descendieron con velocidades entre 30 y 40 kil´ometros por hora hacia el lago Villarrica y Calafqu´en. Los lahares producidos por las erupciones volc´anicas han resultado en la muerte de m´as de 75 personas en el siglo 20. El volc´an est´a cubierto por un glaciar de 30.3 Km2 mayormente distribuido hacia el sur y este. Este glaciar se encuentra parcialmente cubierto por cenizas. Se han realizado mediciones de la superficie glaciar con sistema de posicionamiento global (GPS), as´ı como espesor de nieve con radio eco sondaje (RES). Otras mediciones geol´ogicas han sido implementadas entre 2005 y 2007. El balance de energ´ıa en la superficie y en la parte frontal del glaciar, han sido monitoreados por algunos a˜ nos usando estaciones meteorol´ogicas e im´agenes satelitales. En algunas campa˜ nas en terreno, la topograf´ıa de la superficie ha sido medida usando equipos GPS muy precisos de marca Javad4 . Los cambios diarios en las superficies cubiertas por nieve, hielo y tefra (tipo de material pirocl´astico), fueron registrados usando una c´amara digital instalada en un afloramiento rocoso. Dos series de im´agenes consecutivas fueron obtenidas en los a˜ nos 2006 y 2007. Estas im´agenes fueron georeferenciadas para un re-muestreo a tama˜ no igual a 90 metros por pixel del modelo digital de elevaci´on SRTM (Fig. 2.1). Los valores de reflectancia fueron normalizados de acuerdo a algunos par´ametros geom´etricos y atmosf´ericos. Los mapas de albedo5 fueron usados para la aplicaci´on de un modelo de derretimiento del glaciar durante un periodo de 12 d´ıas en verano. El patr´on de derretimiento es complejo y controlado por la distribuci´on de tefra trasportada por el viento, con altos ´ındices de derretimiento que ocurren a favor del viento del cr´ater, exponiendo bancos de cenizas. Las im´agenes terrestres son us3
flujo de barro que se moviliza desde las laderas de los estratovolcanes. www.javad.com 5 El albedo es la relaci´on, expresada en porcentaje, de la radiaci´on que cualquier superficie refleja sobre la radiaci´ on que incide sobre la misma. 4
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
7
Figura 2.1: Modelo de Elevaci´on Digital (DEM) de la zona del Volc´an Villarrica. adas tambi´en para analizar el patr´on de las grietas en el glaciar. Los resultados demostraron el gran valor de la fotograf´ıa terrestre para el entendimiento del balance de masa y energ´ıa del glaciar, incluyendo la generaci´on de agua de derretimiento. Adem´as del potencial valor de la t´ecnica para el monitoreo de la actividad volc´anica y el potencial riesgo asociado en la interacci´on hielo-volc´an durante una actividad eruptiva.
2.3.1.
Objetivos y M´ etodos
El objetivo principal que el CECS busca en el volc´an Villarrica es el an´alisis de la variaci´on en el albedo y su impacto en el derretimiento del glaciar Pichillancahue-Turbio por el m´etodo de fotograf´ıa terrestre en conjunto con estaci´on meteorol´ogica.
2.3.2.
Datos Meteorol´ ogicos
Los datos meteorol´ogicos han sido obtenidos por una estaci´on meteorol´ogica autom´atica (AWS), que se muestra en la figura 2.2 y con m´as detalle en la figura 3.1, localizada a 1933 metros sobre el nivel del mar. Durante el invierno la AWS es trasladada a una locaci´on de
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
8
roca parental a 1925 m, cercana a la c´amara fotogr´afica. La AWS almacena la radiaci´on de onda corta incidente y reflejada, radiaci´on neta en toda onda, temperatura y humedad del aire y la velocidad del viento a 2 metros sobre la superficie, con mediciones cada una hora que son almacenadas en un datalogger [2].
Figura 2.2: Estaci´on meteorol´ogica autom´atica sobre el glaciar Pichillancahue.
2.3.3.
Fotograf´ıa Terrestre
Para medir albedo, los cambios en la superficie y en la cubierta de cenizas, se instal´o una c´amara fotogr´afica en una de las partes m´as altas de la caldera que rodea al volc´an6 . Con ello se obtuvieron fotograf´ıas diarias del volc´an y la superficie del glaciar. La c´amara constaba con 6,3 Megapixeles con sensor CMOS y almacenamiento de las im´agenes en memoria flash de 2 GB. El sistema es alimentado por una bater´ıa de 12 V que a su vez recibe energ´ıa desde un panel solar instalado en la cercan´ıa. 6
Una caldera volc´ anica es una gran depresi´on generalmente causada por el hundimiento de una c´amara magm´ atica.
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
9
Las fotograf´ıas convencionales son un poderoso medio para la recolecci´on y almacenamiento de informaci´on. Si esta informaci´on puede localizarse en forma precisa en el espacio, entonces la fotograf´ıa se vuelve una poderosa herramienta de an´alisis cuantitativo. Entonces, se ocupa una herramienta de georreferenciaci´on7 para fotograf´ıas, desarrollado por Javier Corripio en el 2002 [3], usando una sola imagen terrestre y un modelo de elevaci´on digital (DEM) como el que se ve en la figura 2.1. La precisi´on de la t´ecnica depende de la precisi´on del DEM y de la calidad de la fotograf´ıa terrestre, en especial el grado de distorsi´on y aberraci´on producido por el lente. Lo que esta herramienta hace es localizar la posici´on geogr´afica de cada pixel de la imagen fotogr´afica. Por lo tanto, es u ´til en el mapeo de la cobertura del suelo y en la evaluaci´on de los cambios producidos en la superficie. La t´ecnica sigue los procedimientos est´andar para la vista en perspectiva en gr´aficos computacionales y fotogrametr´ıa. Se crea una imagen virtual del DEM que puede ser redimensionada a la resoluci´on de la imagen fotogr´afica terrestre, para establecer una funci´on de mapeo entre los pixeles en la fotograf´ıa y en los puntos de una rejilla. Esto permite tener la posici´on exacta de los pixeles en la fotograf´ıa oblicua. El proceso de georeferenciaci´on consiste en la inspecci´on de transformaci´on aplicada al DEM, en la cual las coordenadas de cada celda, primero es traducida de tal forma que se refieran a un sistema de coordenadas con origen en la posici´on de c´amara. La transformaci´on es entonces aplicada de acuerdo a la direcci´on de la vista y la distancia focal de la c´amara. Todo esto resulta en un conjunto de puntos en tres dimensiones correspondientes a los cuadrantes en el DEM, vistos desde el punto de vista de la c´amara. Finalmente la vista resultante es proyectada en una imagen en dos dimensiones llamada ”Window” correspondiente al a´rea en el film y escalada proporcionalmente, el resultado de esto se puede ver en la figura 2.3. Usando esta t´ecnica la evoluci´on de la capa de nieve fue mapeada con detalle durante el periodo de adquisici´on de datos. Una vez que la fotograf´ıa es georeferenciada, los valores de reflectancia son normalizados de acuerdo a la vista geom´etrica y el ´angulo de incidencia de los rayos del sol en la pendiente, la proporci´on entre radiaci´on directa y difusa, la transmitancia 7
Se aplica a la existencia de las cosas en un espacio f´ısico, mediante el establecimiento de relaciones entre las im´ agenes o vector sobre una proyecci´on geogr´ afica o sistema de coordenadas.
´ VILLARRICA CAP´ITULO 2. CECS, GLACIOLOG´IA Y EL VOLCAN
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Figura 2.3: Imagen Terrestre del Volc´an Villarrica con proyecci´on en perspectiva de un DEM. entre la posici´on del pixel y la posici´on de la c´amara y los efectos de la radiaci´on reflejada de las pendientes cercanas. El resultado final es un mapa con valores de reflectancia normalizados o albedo relativos. La transmitancia atmosf´erica fue calculada usando el modelo de trasferenciaradiativa MODTRAN8 y conocimientos generales de las condiciones atmosf´ericas provenientes de la AWS. Desafortunadamente este proyecto est´a en constante lucha contra los elementos. A pesar de las pruebas realizadas en el laboratorio, el contenedor de la c´amara se inundo un par de veces, produciendo incluso la perdida de la informaci´on. La instalaci´on de la c´amara fue finalmente destruida por un rayo en Marzo del 2007.
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Herramienta de software para correcciones atmosf´ericas.
Cap´ıtulo 3 Estaci´ on Meteorol´ ogica y Sensores. 3.1.
Estaci´ on Meteorol´ ogica Autom´ atica (AWS)
Una estaci´on meteorol´ogica es un conjunto de sensores que ayudan a medir diferentes variables del ambiente, estos datos son registrados para su posterior procesamiento, luego del cual se pueden concluir o predecir situaciones mediante modelos matem´aticos. La figura 3.1 muestra una estaci´on t´ıpica. Una de las marcas con prestigio en la fabricaci´on de dispositivos para estaciones meteorol´ogicas es Campbell Scientifics Inc. Esta empresa norteamericana ofrece una gran cantidad de estaciones meteorol´ogicas autom´aticas y estaciones clim´aticas. Las estaciones pre-configuradas ofrecen un conjunto de sensores est´andar con pre-cableado, f´acil instalaci´on y programaci´on simplificada. Estas estaciones pueden operar de manera confiable en ambientes hostiles. Los datalogger proporcionan capacidad de procesamiento y estad´ıstica en el lugar mismo y las estaciones pueden ser f´acilmente ampliadas a˜ nadiendo nuevos sensores. Los datos son normalmente vistos y almacenados en las unidades a elecci´on como por ejemplo la velocidad del viento en mph, m/s o nudos. La medici´on de las magnitudes y los intervalos de medici´on son programables de manera independiente y el programa completo puede modificarse en cualquier momento para dar cabida a diferentes configuraciones de los sensores o para dar nuevos requisitos al procesamiento de datos.
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´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
Figura 3.1: Estaci´on Meteorol´ogica Autom´atica T´ıpica. Los sensores m´as utilizados en estaciones meteorol´ogicas sirven para poder medir: Velocidad del viento y direcci´on. Temperatura del aire(agua, suelo). Radiaci´on solar. Humedad relativa del aire. Precipitaci´on. Profundidad de nieve. Presi´on barom´etrica. Humedad del suelo.
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´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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En algunos lugares, los sensores hidrol´ogicos proporcionan medidas adicionales, tales como el nivel de agua de un arrollo.
3.2.
Datalogger
Los dataloggers son el coraz´on de los robustos y fiables sistemas de adquisici´on de datos. Son conocidos por su flexibilidad, precisi´on en las medidas y fiabilidad, incluso en ubicaciones con condiciones ambientales duras y remotas. En la actualidad se fabrican diferentes tipos de dataloggers seg´ un su potencia y complejidad. Los modelos de dataloggers var´ıan seg´ un su formato de almacenamiento de datos, velocidades de muestreo, n´ umero y tipos de canales de entrada y salida, resoluci´on anal´ogica, y precisi´on en la medida. A continuaci´on se presentan los distintos componentes de la anatom´ıa de un datalogger.
3.2.1.
Almacenamiento de Datos
Tipo array. Este formato de almacenamiento de datos genera arrays de datos a intervalos especificados o cuando se cumple una condici´on determinada. Conforme los datos se almacenan, cada nuevo array de datos se a˜ nade secuencialmente en una o dos a´reas de almacenamiento. Una vez recogidos los datos, ´estos se pueden separar a criterio del usuario con alg´ un programa. Tipo tablas El formato tablas proporciona m´as control en c´omo uno desea que los datos se almacenan y distribuyan en la memoria del datalogger. En lugar de estar limitados a dos a´reas de almacenamiento, podemos configurar m´ ultiples a´reas (tablas) en el datalogger. Cada tabla se puede dimensionar y recoger de forma individual. Esto permite agrupar los datos en tablas separadas, mientras que en el tipo array, los datos tienen que dividirse en ficheros individuales
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
3.2.2.
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Protocolo de Comunicaci´ on.
Tradicional. Tradicionalmente algunos dataloggers usan un protocolo de comunicaciones basado en conexi´on tipo terminal. R PakBus R Las comunicaciones P AKBU S por paquetes son mucho mejores que la tradicional
de tipo terminal. PakBus dispone de inteligencia de enrutamiento distribuido evaluando los enlaces continuamente. Esto optimiza los tiempos de entrega de los paquetes, y en caso de fallo eval´ ua autom´aticamente otras posibles rutas disponibles. ModBus. El protocolo Modbus permite que el datalogger establezca comunicaciones con paquetes de software industrial SCADA y MMI. Pila TCP/IP en SO del datalogger Algunos modelos de datalogger incluyen protocolos HTTP, FTP, SMTP, DHCP, ModBus TCP. Normalmente es necesario alg´ un tipo de m´odulo de expansi´on para la utilizaci´on de estos protocolos.
3.2.3.
Entradas y Salidas.
Entradas anal´ ogicas. Las entradas anal´ogicas miden niveles de voltaje. Estas entradas pueden ser configuradas para hacer medidas simples single-ended (voltaje respecto a tierra) o diferenciales (el positivo de un voltaje respecto al negativo). El voltaje debe estar dentro del rango admisible en el datalogger, en algunos casos, se dispone de divisores de tensi´on para lograr el prop´osito. Los rangos se seleccionan por software, obteniendo de esta forma la mejor resoluci´on en la medida, con voltajes tan peque˜ nos de hasta 50 nV (depende del modelo de datalogger). Se pueden
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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medir tambi´en termopares, termistores, puente de resistencias, cuerda vibrante y se˜ nales 4 a 20mA. Salidas Anal´ ogicas Continuas. Algunos modelos de datalogger disponen de salidas anal´ogicas en continuo, que proporcionan niveles de voltaje para visualizadores o controladores proporcionales. Contadores de Pulso Los contadores de pulsos miden cierre de contactos, ac de bajo nivel, o pulsos de alta frecuencia. Suman el n´ umero de cuentas en un intervalo de ejecuci´on (scan rate), y permite determinar variables como rpm, velocidad, flujo, o intensidad de lluvia. Sensores de este tipo pueden ser pluvi´ometros, medidores de flujo y anem´ometros. Entradas de Alimentaci´ on y Tierra Las entradas de alimentaci´on y tierra permiten la f´acil conexi´on de la fuente de energ´ıa, t´ıpicamente de 12 Vdc nominal, para alimentar al datalogger. Algunos dataloggers disponen de un terminal switched 12V que permite al datalogger sacar los 12V a un perif´erico o sensor, bajo control del programa de adquisici´on y as´ı reducir el consumo del sistema. Puertos Digitales I/O. Los puertos digitales leen estados, comunican con perif´ericos SDM o sensores SDI-12 y controlan dispositivos externos. Cada puerto se configura de forma independiente dentro del programa de adquisici´on del datalogger. Salidas de Excitaci´ on Conmutadas Algunos dataloggers disponen de salidas de voltaje conmutadas. Estas salidas proporcionan excitaciones programables a puentes de medida s´olo cuando es el momento de hacer la medida. Las medidas tipo puente nos dan la relaci´on de la salida del puente respecto el voltaje de excitaci´on, eliminando errores que pueda causar el voltaje de excitaci´on. Algunos
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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disponen tambi´en de salidas de excitaci´on por corriente. Estas salidas son para medida de resistencias y son programables por lo general entre ±2,5mA.
3.2.4.
Descripci´ on de Algunos Dataloggers
Algunos de los datalogger de la marca Campbell Scientifics se muestran a continuaci´on. Datalogger Serie-CR200/ Sensor Inal´ ambrico. La configuraci´on de canales de entrada y ensamblado del datalogger serie-CR200 que se ve en la figura 3.2 es o´ptima para medir uno o dos sensores; la serie-CR200 no es compatible con m´odulos de expansi´on de canales o termopares [4].
Figura 3.2: Datalogger Campbell CR200-Series.
Dise˜ no: es el m´as peque˜ no y econ´omico de los dataloggers Campbell. El modelo CR216 incluye una radio spread spectrum, que permite utilizarlo como si fuera un sensor inal´ambrico. Aplicaciones ideales: sensor inal´ambrico, medidas viento, hidrolog´ıa, acuicultura, calidad aguas u otras aplicaciones que incluyan uno o dos sensores. Modelos disponibles: CR200 (sin radio), CR216 (radio 2.4GHz), CR295 (soporta comunicaciones con sat´elite GOES)
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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Opciones alimentaci´on: para el CR200 y CR216, una bater´ıa de 12V 7Ah, o de 12V 0.8 Ahr recargables por placa solar o adaptador a 220Vac. Incluye regulador de carga en el propio datalogger. Para el CR295 ser´ıan adecuadas bater´ıas de 12V de 12 Ahr o 24 Ahr. Visualizaci´on y recogida de datos in-situ: PC port´atil o PDA Datalogger CR1000 El CR1000 que se ve en la figura 3.3 est´a formado por un cartucho met´alico con la electr´onica de medida y control y un panel de conexiones [5].
Figura 3.3: Datalogger Campbell Scientifics, modelo CR1000. Dise˜ no: Estos dataloggers de grado investigaci´on incorporan un chip ASIC personalizado que expande la capacidad de conteo de pulsos, puertos de control y comunicaciones serie. Son compatibles con m´odulos de expansi´on de canales y termopares, el CR1000 dispone de m´as canales e incluye un puerto paralelo para perif´ericos. Este puerto paralelo permite al CR1000 almacenar datos en una tarjeta CompactFlash con los m´odulos CFM100 o NL115. El NL115 soporta tambi´en comunicaciones Ethernet. Aplicaciones ideales: Redes datalogger / sensores inal´ambricos, estaci´on incendios, sistemas Mesonet, perfiles viento, estaciones meteo, calidad aire ETo / agricultura, humedad suelo, nivel agua / aforos, acuicultura, aludes, TDR,ensayos automoci´on, SCADA, calidad del agua, ingenier´ıa civil/estructuras.
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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Opciones alimentaci´on: La m´as t´ıpica es la fuente PS100E-LA con bater´ıa recargable de 12V 7Ah y regulador de carga; se puede usar cualquier fuente de 12 Vdc. Visualizaci´on y recogida de datos in-situ: PC port´atil, teclado/display CR1000KD, o PDA. Micrologger CR3000 El CR3000 que se ve en la figura 3.4 es un m´odulo compacto con fuente de alimentaci´on incorporada (opcional), un display gr´afico de 128 x 64 pixel u ocho l´ıneas, con un teclado de 16-teclas [6].
Figura 3.4: Datalogger Campbell CR3000.
Dise˜ no: El CR3000 incluye todas las caracter´ısticas funcionales del CR1000, as´ı como m´as canales, salidas de corriente programables y regletas de terminales removibles. Aplicaciones ideales: Perfiles viento, HVAC, estaciones meteo, ensayos automoci´on, calidad aire, control procesos, red dataloggers/ sensores inal´ambricos, sistemas Mesonet, agricultura, humedad suelo, TDR, calidad agua, ingenier´ıa civil/estructuras. Opciones base: Con bater´ıa recargable, pilas alcalinas o conexi´on de una fuente externa de 12Vdc.
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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Visualizaci´on y recogida de datos in-situ: PC port´atil, teclado/display incorporado, o PDA.
3.3.
Sensores
Algunos de los sensores utilizados en el a´rea de Glaciolog´ıa y Cambio Clim´atico se muestran a continuaci´on.
3.3.1.
Bar´ ometro
Instrumento para medir presi´on atmosf´erica, es decir, la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de la atm´osfera. El m´as conocido es el bar´ometro de mercurio, inventado por Evangelista Torricelli en 1643. B´asicamente el bar´ometro de mercurio se compone de un tubo de vidrio, cerrado en el extremo superior y abierto en el inferior. Este tubo se llena de mercurio, se invierte y se coloca el extremo abierto en una cubeta llena del mismo l´ıquido. Las variaciones de la presi´on atmosf´erica hacen que el l´ıquido del tubo suba o baje ligeramente.
Figura 3.5: PTB110, Bar´ometro Vaisala. Existen los tambi´en llamados bar´ometros aneroides que son casi tan precisos como el de mercurio. Este consiste en la deformaci´on de una pared el´astica que es parte de un cilindro en el que se ha hecho un vac´ıo parcial. El instrumento que se utilizar´a en esta ocasi´on corresponde a un bar´ometro modelo CS106, mucho m´as moderno, fabricado por Vaisala Inc., que puede verse en la figura 3.5, el cual
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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mide la presi´on atmosf´erica gracias a un sensor de presi´on capacitivo de silicio llamado R Barocap . Este sensor ha sido dise˜ nado para realizar mediciones exactas y estables de la
presi´on barom´etrica. El CS106 entrega voltajes de salida entre 0 y 2,5 VDC que corresponden a medidas entre 500 y 1100 mb [7].
3.3.2.
Anem´ ometro
El anem´ometro es el instrumento utilizado para medir la velocidad del viento, normalmente se utilizan los llamados anem´ometros de cazoletas, estos tienen un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El n´ umero de revoluciones es registrado electr´onicamente. En lugar de cazoletas el anem´ometro puede estar equipado con h´elices como se ve en la figura 3.6, aunque no es lo habitual.
Figura 3.6: Anem´ometro equipado con h´elices. Otros tipos de anem´ometros incluyen los de l´aser que detectan la luz coherente reflejada por las mol´eculas del aire, los de hilo electro-calentado, que detectan la velocidad del viento mediante peque˜ nas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento, y los ultras´onicos que detectan el desfase en el sonido. Una de las nuevas tecnolog´ıas en medici´on de viento es el anem´ometro ultras´onico, que pueden medir la velocidad y direcci´on del viento empleando un sensor u ´nico sin partes m´oviles, como el utilizado en esta oportunidad, el modelo 85000 fabricado por Young Company que
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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puede verse en la figura 3.7 [8].
Figura 3.7: Anem´ometro ultras´onico modelo 85000 fabricado por Young Company. El funcionamiento del 85000 consiste en el env´ıo de un pulso ultras´onico desde uno de los transductores del anem´ometro que es detectado en el transductor opuesto, como puede apreciarse en la figura 3.8.
Figura 3.8: Principio de funcionamiento del anem´ometro ultras´onico. El ”tiempo de vuelo” (T1 ) depende de la velocidad del sonido en el aire en calma (a la temperatura y presi´on existentes) m´as la velocidad propia del aire (V) entre ambos trans-
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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ductores. Enviando un impulso similar y en sentido opuesto, y midiendo el tiempo de vuelo (T2 ), pueden utilizarse expresiones sencillas indicadas para obtener la velocidad del sonido (C) y m´as importante, la velocidad del aire entre los transductores. Rotando este proceso entre 4 transductores (alineados con los puntos cardinales) varias veces por segundo, se pueden usar los componentes para calcular la velocidad y direcci´on verdaderas del viento para los 360o de la br´ ujula [9].
3.3.3.
Temperatura y Humedad Relativa.
El term´ometro es un sensor de temperatura. Existen diversos tipos de term´ometros, dependiendo del principio f´ısico en el cual se basan para poder medir la temperatura. Estos pueden ser term´ometros de gas, term´ometro de resistencia, termopar, termistor y muchos otros. Uno de los m´as usados en estaciones meteorol´ogicas es el de resistencia. Este term´ometro es un transductor que se basa convenientemente en la dependencia que puede tener un metal con la temperatura. Se compone b´asicamente de un alambre met´alico, en el cual var´ıa la resistencia el´ectrica dependiendo de la temperatura a la que se encuentre. Los materiales que son usados m´as frecuentemente para la construcci´on de term´ometros de resistencia son el platino, el cobre y el tungsteno. El m´as utilizado de los anteriores materiales es el platino, a causa de tener una serie de ventajas sobre los otros materiales como: ser qu´ımicamente inerte, tener un elevado punto de fusi´on (2041,4 o K), poder ser obtenido con un gran grado de pureza y principalmente la particularidad de tener una relaci´on resistencia-temperatura altamente lineal. A estos term´ometros de platino se les denomina PRT (Platinum Resistance Thermometer) o RTD (Resistance Temperature Detector). El dispositivo utilizado en este caso corresponde al HMP45C que puede verse en la figura 3.9, el cual contiene un PRT de 1000 Ω para medir la temperatura y un sensor capacitivo de R humedad relativa fabricado por Vaisala Inc., llamado HU M ICAP 180 [10].
Este dispositivo puede ser continuamente alimentado o puede ser alimentado por con-
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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Figura 3.9: HMP45C. Sensor de Temperatura y Humedad Relativa. mutaci´on para mantener la vida u ´til de la bater´ıa. Este dispositivo consume menos de 4 miliamperes de corriente a 12 Volts. Se requieren aproximadamente 0.15 segundos para calentar el instrumento luego de que la unidad sea reactivada.
3.3.4.
Piran´ ometro.
Es un instrumento que se utiliza para medir la radiaci´on solar incidente sobre la superficie de la tierra, es un sensor dise˜ nado para medir la densidad de flujo de radiaci´on solar en un campo de 180 grados. Generalmente se ocupa un termopar sobre el que incide la radiaci´on a trav´es de dos c´ upulas semiesf´ericas de vidrio. La respuesta de este instrumento var´ıa de acuerdo al a´ngulo de incidencia, ya que tiene una m´axima respuesta al flujo de radiaci´on cuando este se encuentra en forma perpendicular sobre el sensor, o sea a 0 grados y respuesta nula cuando el sol est´a a 90 grados, en el horizonte. El CMP3 es un Piran´ometro fabricado por Kipp and Zonen que consiste en un sensor
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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Figura 3.10: CMP3. Piran´ometro. termopila, una caja donde ponerlo, un domo y el cable. La termopila esta cubierta por un material absorbente de color negro, la pintura absorbe la radiaci´on y la convierte un calor. La diferencia de temperatura resultante se convierte en un voltaje por la termopila de cobreconstant´an. La termopila es puesta en la caja de tal forma que pueda tener un campo de visi´on de 180o y las caracter´ısticas angulares necesarias para cumplir los requerimientos a la respuesta al coseno [11].
3.3.5.
Radi´ ometro
El radi´ometro es un instrumento para detectar y medir la intensidad de energ´ıa t´ermica radiante. En la figura 3.11 se puede ver el radiometro de modelo NR-LITE, el cual corresponde a una termopila que que mide la suma algebraica de la radiaci´on incidentes y salientes en toda onda(componentes de onda corta y larga). Donde radiaci´on incidente consiste en la radiaci´on solar directa y difusa m´as la irradiancia de onda larga desde el cielo. La radiaci´on saliente consiste en la radiaci´on solar reflejada m´as la componente de onda larga terrestre. El NR-LITE se encuentra equipado por sensores con superficies recubiertos por tefl´on. Esto resulta en un dise˜ no robusto que permite un f´acil mantenimiento y una buena estabilidad al sensor [12].
´ METEOROLOGICA ´ CAP´ITULO 3. ESTACION Y SENSORES.
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Figura 3.11: NR-LITE. Radi´ometro con sensores recubiertos por teflon fabricado por Kipp and Zonen.
3.3.6.
Sensor de Distancia.
Para medir la distancia se utiliza un dispositivo ac´ ustico que proporciona un m´etodo de no contacto para determinar la profundidad de nieve o agua. El SR50A que puede verse en la figura 3.12, es un sensor basado en un transductor electrost´atico a 50KHz (Ultrasonico). Este instrumento determina la distancia al objetivo enviando un pulso ultras´onico y escuchando el eco que retorna a ´el.
Figura 3.12: SonicRange (SR50A), Sensor de de Distancia Ultras´oonico. Como la velocidad del sonido en el aire varia conforme lo haga la temperatura, una medicion de temperatura del aire es requeida para compensar la lectura de distancia medida por el instrumento. El SR50A tiene la capacidad de captar peque˜ nos objetivos u otros que pueden ser altamente propenso a absorber sonido, como la nieve de baja densidad [13].
Cap´ıtulo 4 Fundamentos de propagaci´ on. Las ondas de radio son ondas electromagn´eticas que poseen una componente el´ectrica y una componente magn´etica que forman 90o entre s´ı, a causa de esto se encuentran expuestas a fen´omenos que son capaces de modificar el patr´on de propagaci´on de las ondas. Cuando se tiene una atm´osfera uniforme y se cumplen ciertas condiciones, las ondas de radio tienden a desplazarse en l´ınea recta, lo que significa que mientras exista una l´ınea de vista entre el emisor y receptor no existir´ıa problema en la conexi´on y se producir´ıa una comunicaci´on eficiente. El problema se presenta cuando se necesita comunicar dos puntos que no se pueden ver, en este caso se deben tomar en cuenta algunas condiciones de propagaci´on y las adecuadas frecuencias para una correcta comunicaci´on. En general, para conectar dos puntos lejanos, sin la necesidad de salir de la atm´osfera se utilizan altas frecuencias (HF) que van desde los 3 a los 30 MHz, ya que estas son reflejadas en la atm´osfera y regresan a la tierra. Frecuencias m´as altas como VHF, UHF y SHF no son posibles reflejarlas en la atm´osfera, por lo que son u ´tiles para conexiones punto a punto. Para poder realizar una comunicaci´on a gran distancia por medio de ondas de radio, es necesario tomar en cuenta ciertos fen´omenos como son: la refracci´on, reflexi´on, dispersi´on y difracci´on que hacen posible la comunicaci´on m´as all´a del horizonte. Cualquier sistema de telecomunicaci´on debe dise˜ narse para que en el receptor se obtenga la mayor relaci´on se˜ nal-ruido y as´ı garantizar su funcionamiento. Los servicios de radiocomunicaciones, radiodifusi´on, radio-localizaci´on, tele-detecci´on y radio-ayudas a la navegaci´on
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´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
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tienen en com´ un la utilizaci´on de ondas electromagn´eticas radiadas como soporte de la transmisi´on de informaci´on entre el transmisor y el receptor. Es fundamental conocer los factores que puedan alterar la propagaci´on electromagn´etica, su magnitud y su influencia en las distintas bandas de frecuencias. En condiciones de propagaci´on en el espacio libre la relaci´on entre la potencia recibida y la transmitida que corresponde a la p´erdida de transmisi´on por dos antenas separadas a una distancia r es: λ 2 1 2 PR 1 = D A = D D = Aef T Aef R T ef R T R PT 4πr2 4πr λr
(4.1)
Donde DT y DR corresponden a las directividades de la antena transmisora y receptora respectivamente, mientras que Aef R y Aef T son las a´reas efectivas de las antenas transmisora y receptora. La ecuaci´on 4.1 no muestra una clara relaci´on entre la potencia transmitida y recibida en funci´on de la frecuencia, ya que seg´ un sean los par´ametros de la antena empleada, la dependencia expl´ıcita con la frecuencia var´ıa. A frecuencias bajas, bandas MF, LF y VLF, las antenas empleadas son necesariamente peque˜ nas en t´erminos de λ, ya que ´esta es superior a los 100 m. En este caso las antenas presentan t´ıpicamente una directividad constante con la frecuencia. Partiendo de la ecuaci´on 4.1 se observa que, para directividades constantes con la frecuencia, la p´erdida de transmisi´on aumenta con la frecuencia. Por el contrario, a frecuencias elevadas, bandas de UHF y SHF, las antenas pueden tener dimensiones grandes en relaci´on a λ. En este caso, el ´area efectiva de la antena es proporcional al ´area f´ısica de la misma y, por lo tanto, independiente de la frecuencia, por lo que se puede concluir en base a la ecuaci´on 4.1 que la p´erdida de transmisi´on disminuye al aumentar la frecuencia [18]. Como regla general puede afirmarse que para una antena de dimensiones fijas y considerando la propagaci´on en el espacio libre, disminuir la frecuencia se trabajo entre bandas de frecuencias bajas (MF, LF y VLF) y aumentarla entre bandas de frecuencias altas (UHF y SHF) reduce la perdida en la transmisi´on. La propagaci´on en el espacio libre responde a un modelo ideal an´alogo a las condiciones de propagaci´on en el vac´ıo. En el entorno terrestre muy pocas situaciones se ajustan a este mod-
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
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elo. La presencia de la tierra, la atm´osfera y la ion´osfera alteran en la mayor´ıa de los casos las condiciones de propagaci´on. Las caracter´ısticas el´ectricas de la tierra y su orograf´ıa influyen
Figura 4.1: Efecto de la Tierra en la Propagaci´on. Onda de Espacio. en la propagaci´on de las ondas electromagn´eticas. Al incidir una onda electromagn´etica sobre la tierra se produce una reflexi´on. La superposici´on de la onda incidente y reflejada da lugar a la llamada onda de espacio que puede verse en la figura 4.1. La formaci´on de ondas de espacio puede ser constructiva o destructiva en funci´on de las fases de las ondas incidentes y reflejadas, lo que puede resultar en variaciones apreciables de la potencia recibida respecto al valor esperado en espacio libre entregado por la ecuaci´on 4.1. La presencia de obst´aculos y la propia esfericidad de la tierra limitan la visibilidad entre antena transmisora y receptora. Al incidir una onda electromagn´etica sobre un obst´aculo se produce el fen´omeno de difracci´on que puede verse en la figura 4.2, por el cual el obst´aculo re-radia parte de la energ´ıa interceptada. La difracci´on posibilita la recepci´on a´ un en el caso en que no exista visibilidad, aunque con una atenuaci´on extra respecto al espacio libre.
Figura 4.2: Efecto de la Tierra en la Propagaci´on. Difracci´on. A frecuencias bajas la tierra se comporta como un buen conductor, por lo que es posible
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
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inducir corrientes superficiales en la tierra. A estas corrientes superficiales est´a asociada la onda de superficie que se muestra en la figura 4.5, que podr´a recibirse aunque no exista visibilidad entre las antenas. La concentraci´on de gases en la atm´osfera introduce diferencias entre la propagaci´on en el vac´ıo y la atm´osfera. La mayor concentraci´on de gases se puede apreciar en las capas m´as bajas de la atm´osfera, como la troposfera. En condiciones normales la concentraci´on de gases disminuye en funci´on de la altura. Por lo tanto la atm´osfera corresponde a un medio de propagaci´on no homog´eneo, lo que provoca una curvatura de las trayectorias de propagaci´on o refracci´on. Adem´as, la presencia de gases produce atenuaci´on, en especial en las frecuencias de resonancia de las mol´eculas de ox´ıgeno y de vapor de agua. Tambi´en la lluvia produce un grado de atenuaci´on dependiendo de la frecuencia y de su intensidad. Otro elemento importante en la propagaci´on es la ion´osfera, que se caracteriza por contener densidades importantes de mol´eculas ionizadas. La propagaci´on por medios ionizados est´a sujeta a fen´omenos de reflexi´on, absorci´on y refracci´on en funci´on de par´ametros como la frecuencia y la densidad de ionizaci´on. La tierra, la troposfera y la ion´osfera son los responsables de una serie de fen´omenos que deben ser considerados a la hora de dise˜ nar un sistema de radiocomunicaciones. Una forma de abordar el tema es solucionarlo mediante ecuaciones de Maxwell, suponiendo una antena en medio de un medio heterog´eneo que seria la atm´osfera, parcialmente ionizado que corresponder´ıa a la ionosfera y con adecuadas condiciones de contorno que ser´ıa la tierra y sus obst´aculos. Claramente este tipo de problema es inabordable y poco pr´actico, ya que s´olo servir´ıa para condiciones espec´ıficas. En la pr´actica los problemas de propagaci´on se trabajan tomando cada uno de los fen´omenos por separado y cuantificando su efecto con respecto a la propagaci´on en espacio libre. As´ı, deben identificarse primero los fen´omenos que son relevantes en funci´on de la frecuencia a emplear y la ubicaci´on de las antenas. Luego se cuantifican ´estos efectos, que por lo general significa a˜ nadir t´erminos correctores a los valores esperados en condiciones de propagaci´on en el espacio libre.
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
4.1.
30
Atenuaci´ on y absorci´ on de ondas
Se considera al espacio libre como el vac´ıo, por lo que no existe p´erdida de energ´ıa de una onda al propagarse por ´el. Aun as´ı, las ondas al propagarse por el vac´ıo se dispersan, resultando ´esto en una reducci´on de la densidad de potencia que se conoce como atenuaci´on y tambi´en puede apreciarse en la atm´osfera terrestre. Adem´as, la atm´osfera terrestre no es un vac´ıo ya que contiene part´ıculas, las cuales absorben energ´ıa electromagn´etica, provocando otro tipo de reducci´on de potencia a la que se le llama p´erdida por absorci´on [19].
4.1.1.
Atenuaci´ on
A medida que las ondas se alejan de la fuente, el campo electromagn´etico continuo que se irradia se dispersa. Esto quiere decir que mientras que las ondas viajan, estas se alejan cada vez m´as entre s´ı y a causa de ´esto disminuye la cantidad de ondas por unidad de a´rea. Para este fen´omeno, no se pierde o disipa nada de la potencia irradiada, la onda s´olo se extiende o se dispersa sobre un ´area mayor y disminuye la densidad de potencia. La reducci´on de la densidad de potencia con la distancia equivale a una p´erdida de potencia y se le suele llamar atenuaci´on de la onda. La atenuaci´on de la onda se expresa por lo general en funci´on del logaritmo com´ un de la relaci´on de densidad de potencia. La definici´on matem´atica de γa es: γa = 10log
4.1.2.
P1 P2
(4.2)
Absorci´ on
Ya que la atm´osfera terrestre est´a formada por a´tomos y mol´eculas de diversas sustancias gaseosas, l´ıquidas y s´olidas, algunos de estos materiales pueden absorber ondas electromagn´eticas cuando ´estas se propagan por la atm´osfera terrestre de forma an´aloga a la p´erdida de potencia en una resistencia (I 2 R). Una vez que la energ´ıa es absorbida, se pierde para siempre y causa una atenuaci´on en la intensidad de voltaje y campo magn´etico, y una reducci´on correspondiente de densidad de potencia.
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
31
La absorci´on de las radiofrecuencias en una atm´osfera normal, depender´an de la frecuencia de las ondas y se podr´ıa considerar insignificante a frecuencias menores a 10 GHz. Es importante considerar que condiciones atmosf´ericas anormales, como por ejemplo la lluvia intensa o neblina muy densa absorber´ıan m´as energ´ıa que una atm´osfera normal. La absorci´on atmosf´erica se representa por η y, para una onda que se propaga desde X1 a X2 , este valor corresponder´ıa a γ(X1 − X2 ), siendo γ el coeficiente de absorci´on.
4.2.
Propiedades o ´pticas de las ondas de radio
En la atm´osfera terrestre la propagaci´on de ondas y rayos puede diferir del comportamiento en espacio libre debido a efectos o´pticos, como la refracci´on, reflexi´on, difracci´on e interferencia. Como las ondas luminosas son ondas electromagn´eticas de alta frecuencia, parece razonable que las propiedades ´opticas tambi´en se apliquen a la propagaci´on de ondas de radio [19].
4.2.1.
Refracci´ on
La refracci´on electromagn´etica es el cambio de direcci´on de un rayo al pasar en direcci´on oblicua de un medio a otro con distinta velocidad de propagaci´on. La velocidad a la que se propaga una onda electromagn´etica es inversamente proporcional a la densidad del medio en el que lo hace. Por lo tanto, existe refracci´on siempre que una onda de radio pasa de un medio a otro de distinta densidad. Siempre que un rayo pasa de un medio menos denso a uno m´as denso, ´este se dobla hacia la normal al plano de incidencia, de forma inversa, cuando un rayo pasa de un medio m´as denso a uno menos denso, ´este se dobla alej´andose de la normal, ambos casos pueden verse en la figura 4.3. El ´angulo de incidencia es el que forman la onda incidente y la normal, y el a´ngulo de refracci´on es el que forman la onda refractada y la normal. El grado de refracci´on que se presente entre dos materiales es dependiente del ´ındice de refracci´on de cada material. Este ´ındice corresponde a la relaci´on entre la velocidad de
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
32
Figura 4.3: Refracci´on de rayos incidentes de un medio menos denso a uno m´as denso y de uno m´as denso a otro menos denso
propagaci´on de la luz (c) en el vac´ıo y la velocidad de la luz en determinado material, es decir: n=
c v
(4.3)
Donde n es el ´ındice de refracci´on adimensional, c es la velocidad de la luz en el vac´ıo (3x108 m/s) y v es la velocidad de la luz en un determinado material. La forma en que reacciona una onda electromagn´etica cuando se topa con un cambio de material en el que est´e viajando a otro de distinto ´ındice de refracci´on se describe con la ley de Snell, que establece que: n1 senθ1 = n2 senθ2
(4.4)
n2 senθ1 = senθ2 n1
(4.5)
Entonces:
Donde los n corresponden a los ´ındices de refracci´on de los materiales y θ1 es el a´ngulo de incidencia y θ2 el ´angulo de refracci´on en grados.
4.2.2.
Reflexi´ on
La reflexi´on es el acto de reflejar. La reflexi´on de ondas electromagn´eticas se produce cuando una onda incidente choca con la frontera entre dos medios y algo o toda la potencia incidente no entra al segundo material porque estas ondas se reflejan. Las velocidades de las ondas incidentes y reflejadas son iguales y en consecuencia el a´ngulo de reflexi´on es igual al
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
33
a´ngulo de incidencia, θi = θr . Sin embargo, la intensidad del voltaje reflejado es menor que la del voltaje incidente. La relaci´on de las intensidades de voltaje reflejado e incidente se llama coeficiente de reflexi´on, Γ. Donde este coeficiente, para un conductor perfecto es igual a 1. La ecuaci´on para este coeficiente es la siguiente: Γ=
Er ejθr Er = = ej(θr −θi ) Ei ejθi Ei
(4.6)
Donde Γ es el coeficiente de reflexi´on adimensional, Er y Ei son los voltajes incidente y reflejado en volts, θr y θi son las fases incidentes y reflejada en grados. La parte de la potencia incidente total que no es reflejada se llama coeficiente de transmisi´on de potencia, T. En el caso de un conductor perfecto, ´este toma un valor igual a 0. La ley de la conservaci´on de la energ´ıa establece que, para una superficie reflectora perfecta, la potencia total reflejada debe ser igual a la potencia total incidente y, en consecuencia: T + |Γ|2 = 1
4.2.3.
(4.7)
Difracci´ on
La difracci´on corresponde a la modulaci´on o redistribuci´on de la energ´ıa dentro de un frente de onda, al pasar cerca de la orilla de un objeto opaco. Se podr´ıa decir, que la difracci´on es el fen´omeno que permite que las ondas luminosas o de radio se propaguen en torno a esquinas. Cuando un frente de onda pasa por un obst´aculo o discontinuidad cuyas dimensiones sean de tama˜ no comparable a una longitud de onda, no se puede utilizar el an´alisis geom´etrico simple para explicar los resultados y es necesario recurrir al principio de Huygens, que establece que cada punto sobre un frente de onda se puede considerar como una fuente puntual secundaria de ondas electromagn´eticas. Cuando se considera un frente de onda plano y finito como lo propone Huygens, ´este se reparte hacia afuera o se dispersa, y a este efecto de dispersi´on se le conoce como difracci´on.
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
34
Figura 4.4: Difracci´on de rayos incidentes rodeando una arista. En la figura 4.4 se puede ver como a la orilla de un obst´aculo, las ondas secundarias se ”escurren” hacia lo que se llama zona de sombra. Este fen´omeno se puede apreciar cuando se abre la puerta en un cuarto oscuro, los rayos de luz se difractan entorno a la orilla de la puerta, e iluminan lo que hay detr´as de ella.
4.2.4.
Interferencia
La interferencia de ondas de radio se produce cuando se combinan dos o m´as ondas electromagn´eticas de manera que se degrada el funcionamiento del sistema. La refracci´on, la reflexi´on y la difracci´on se analizan con o´ptica geom´etrica, lo que significa que el an´alisis de su comportamiento se realiza en funci´on de rayos y frentes de ondas. Por otro lado, la interferencia est´a sujeta al principio de superposici´on lineal de las ondas electromagn´eticas y se presenta cada vez que dos ondas ocupan el mismo punto del espacio en forma simult´anea. La superposici´on lineal establece que el voltaje en un punto dado en el espacio es la suma vectorial de de las ondas individuales.
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
4.3.
35
Propagaci´ on terrestre de las ondas electromagn´ eticas
La tierra perturba la propagaci´on de las ondas electromagn´eticas, de forma que al establecer cualquier tipo de radiocomunicaci´on en el entorno terrestre aparecer´an una serie de fen´omenos que modificar´an las condiciones ideales de propagaci´on en el vac´ıo. Estos fen´omenos son b´asicamente tres: formaci´on de la onda de espacio(Fig. 4.1), difracci´on(Fig. 4.2) y onda de superficie(Fig. 4.5). La importancia de cada uno de ellos depende de la banda de frecuencia en la que se ´este trabajando, del tipo de terreno y de la ubicaci´on de las antenas. Generalmente puede decirse que las ondas de superficie son un fen´omeno que afecta s´olo a bajas frecuencias. La difracci´on puede comunicar dos puntos sin que exista linea de vista entre ellos, sin embargo, al aumentar las frecuencia este efecto tiene menos relevancia y para frecuencias de la banda UHF o superiores la presencia de un obst´aculo como monta˜ nas o edificios que obstruyan la trayectoria entre las antenas puede limitar gravemente las posibilidades de comunicaci´on. Por lo tanto se puede concluir que en funci´on de la banda de frecuencia ciertos efectos ser´an predominantes mientra que otros ser´an despreciables. Las ondas de radio que viajan dentro de la atm´osfera se conocen como ondas terrestres. Las ondas terrestres se ven afectadas por la atm´osfera y la tierra misma. En esencia, hay tres formas de propagaci´on de ondas electromagn´eticas dentro de la atm´osfera terrestre: onda terrestre, onda espacial (directa y reflejada) y ondas celestes o ionosf´ericas.
4.3.1.
Propagaci´ on de onda terrestre
La onda terrestre es una onda electromagn´etica que viaja por la superficie de la tierra, tambi´en conocidas como ondas superficiales. Estas ondas deben estar polarizadas verticalmente y el campo el´ectrico variable induce voltajes en la superficie terrestre, que hacen circular corrientes muy parecidas a las de una l´ınea de transmisi´on. La superficie terrestre tambi´en tiene perdidas por resistencia y por diel´ectrico, a causa de esto las ondas terrestres se aten´ uan a medida que se propagan. Estas ondas se propagan mejor sobre superficies con mejor conductividad como el agua salada y muy mal sobre superficies como por ejemplo
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
36
alg´ un desierto.
Figura 4.5: Efecto de la Tierra en la Propagaci´on. Onda de Superficie. Las p´erdidas en las ondas terrestres aumentan r´apidamente al aumentar la frecuencia, a causa de esto, este tipo de propagaci´on se limita a frecuencias menores a 2 MHz.
4.3.2.
Propagaci´ on de ondas espaciales
Las ondas espaciales incluyen ondas directas y reflejadas en el suelo como se ve en la figura 4.6. Las ondas directas viajan esencialmente en l´ınea recta entre la antena de transmisi´on y recepci´on. La propagaci´on de ondas espaciales directas se llama transmisi´on de l´ınea vista (LOS, por ”line-of-sight”). De acuerdo a lo anterior, la propagaci´on directa de ondas espaciales est´a limitada por la curvatura de la tierra. Las ondas reflejadas en el suelo son las que refleja la superficie terrestre cuando se propagan entre la antena emisora y receptora.
Figura 4.6: Propagaci´on de ondas espaciales.
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
37
La curvatura de la tierra presenta un horizonte en la propagaci´on de las ondas espaciales, que se suele llamar horizonte de radio. El horizonte de radio esta m´as all´a del horizonte o´ptico para la atmosfera est´andar com´ un. El horizonte de radio est´a, m´as o menos, a cuatro tercios del horizonte ´optico. El horizonte de radio se puede alargar s´olo con elevar las antenas de transmisi´on o recepci´on, o ambas, respecto a la superficie terrestre. La distancia m´axima entre un transmisor y un receptor sobre terreno promedio se puede aproximar en unidades m´etricas de la siguiente forma: dmax = 17ht + 17hr
(4.8)
Donde dmax es la distancia m´axima entre transmisor y receptor en kil´ometros y ht , hr son las alturas de las antenas transmisora y receptora en metros.
4.3.3.
Propagaci´ on por ondas celestes
Las ondas electromagn´eticas que se dirigen sobre el nivel del horizonte se llaman ondas celestes.
Figura 4.7: Capas ionosf´ericas.
´ CAP´ITULO 4. FUNDAMENTOS DE PROPAGACION.
38
Las ondas se irradian hacia el cielo, donde son reflejadas o refractadas hacia la superficie terrestre por la ion´osfera. A causa de lo anterior, a la propagaci´on de las ondas celestes se le llama a veces propagaci´on ionosf´ericas. La ion´osfera es la zona del espacio que est´a entre 50 y 400 Km sobre la superficie terrestre. Es la parte superior de la atm´osfera terrestre. Por su ubicaci´on, absorbe grandes cantidades de la energ´ıa solar radiante, que ioniza las mol´eculas de aire y forma electrones libres. Todo lo anterior resulta en un aumento en la refracci´on de esta capa. En esencia, son tres las capas en las que se puede dividir la ion´osfera: D, E, F. Estas diferentes capas de la ionosfera se diferencian en localizaci´on y en densidad de ionizaci´on seg´ un la hora del d´ıa. Tambi´en fluct´ ua en forma c´ıclica durante el a˜ no, y tambi´en siguiendo el ciclo de manchas solares de 11 a˜ nos, algo de esto se puede ver en la figura 4.7 [19].
Cap´ıtulo 5 Antenas La misi´on de una antena es radiar la potencia que se le suministra, con las caracter´ısticas de direccionalidad adecuada a la aplicaci´on. Por ejemplo, en radiodifusi´on o comunicaciones m´oviles se deber´a radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en radiocomunicaciones fijas ser´a necesario que las antenas sean direccionales. En general, cada aplicaci´on impondr´a los requisitos necesarios para la zona del espacio donde se desee concentrar la energ´ıa. Asimismo para poder captar informaci´on se debe ser capaz de captar en alg´ un punto del espacio la onda radiada, absorber energ´ıa de la onda y entregarla al receptor. Entonces existen dos funciones b´asicas para una antena: transmitir y recibir, con cada aplicaci´on definiendo condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar, frecuencias de trabajo, etc. En base a esto se originan una gran cantidad de tipos de antenas [18]. Toda onda se caracteriza por su frecuencia (f ) y su longitud de onda (λ), ambas relacionadas por la velocidad de propagaci´on en el medio, que habitualmente en antenas tiene las propiedades del vac´ıo (c = 3 × 108 m/s), con c = λf . El conjunto de todas las frecuencias o espectros de frecuencia se divide por d´ecadas en bandas como se muestra en la tabla 5.1. Cada aplicaci´on tiene asignada una posici´on en el espectro asignada por los organismos de normalizaci´on. Para frecuencias de microondas existe una subdivisi´on acu˜ nada desde los primeros tiempos del radar que es ampliamente utilizada en la actualidad, esta se puede ver en la tabla 5.2.
39
CAP´ITULO 5. ANTENAS Banda ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
Frecuencia < 3KHz 3 − 30KHz 30 − 300KHz 0, 3 − 3M Hz 3 − 30M Hz 30 − 300M Hz 0, 3 − 3GHz 3 − 30GHz 30 − 300GHz
40 Long. de Onda Denominacion > 100Km Extremadamentebajaf recuencia 100 − 10Km M uybajaf recuencia 10 − 1Km Bajaf recuencia 1000 − 100m M ediaf recuencia 100 − 10m Altaf recuencia 10 − 1m M uyaltaf recuencia 100 − 10cm U ltraaltaf recuencia 10 − 1cm Superaltaf recuencia 10 − 1mm Extremadamentealtaf recuencia
Cuadro 5.1: Denominaci´on de las bandas de frecuencia por d´ecadas. Banda L S C X Ku K Ka mm
Frecuencia 1 − 2GHz 2 − 4GHz 4 − 8GHz 8 − 12, 4GHz 12, 4 − 18GHz 18 − 26, 5GHz 26, 5 − 40GHz 30 − 300GHz
Long. de Onda 30 − 15cm 15 − 7, 5cm 7, 5 − 3, 75cm 3, 75 − 2, 42cm 2, 42 − 1, 66cm 1, 66 − 1, 11cm 11, 1 − 7, 5mm 7, 5 − 1mm
Cuadro 5.2: Denominaci´on habitual de las bandas de frecuencias en microondas.
Cada aplicaci´on y cada banda de frecuencias presentan caracter´ısticas peculiares que dan origen a unas tipolog´ıas de antenas muy diversas. De forma amplia y no exhaustiva, los tipos de antenas comunes se pueden agrupar en 3 grandes bloques. Antenas al´ambricas: Se construyen con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolo, V, r´ombica), espiras (circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y h´elices. Antenas de apertura o reflectores: La onda radiada se consigue a partir de una distribuci´on de campos soportados por la antena y se suelen excitar con gu´ıas de ondas. Son antenas de apertura las bocinas (pir´amides y c´onicas), las aperturas y ranuras sobre planos conductores y las bocas de gu´ıa. El empleo de reflectores asociados a un alimentador primario permite disponer de an-
CAP´ITULO 5. ANTENAS
41
tenas con las prestaciones necesarias para servicios de comunicaciones a grandes distancias, tanto terrestres como espaciales. El reflector mas com´ un es el parab´olico. Agrupaci´on de antenas: Cuando se necesitan caracter´ısticas de radiaci´on que no pueden realizarse con un s´olo elemento, se realiza la combinaci´on de varios de ellos consiguiendo una flexibilidad que permite obtenerlas. Esto se puede lograr combinando, en principio, cualquier tipo de antena.
5.1.
Par´ ametros de Antenas.
Las antenas pueden ser caracterizadas por una serie de par´ametros que la describan y permitan evaluar el efecto sobre el sistema de una determinada antena, o bien especificar el comportamiento deseado de una antena para incluirla en el sistema.
5.1.1.
Impedancia.
La antena debe conectarse a un transmisor y radiar el m´aximo de potencia posible con un m´ınimo de perdidas. La antena y el transmisor deben adaptarse para lograr una m´axima transferencia de potencia. Com´ unmente el transmisor se encuentra alejado de la antena y la conexi´on se hace por una l´ınea de transmisi´on o gu´ıa de ondas, que tambi´en debe participar en la adaptaci´on considerando su impedancia caracter´ıstica, su atenuaci´on y longitud. A la entrada de la antena puede definirse la impedancia de entrada Ze mediante tensi´on-corriente en ese punto. Poseer´a una parte real Re (w) y una imaginaria Xe (w), ambas dependientes en general de la frecuencia. Si Ze no presenta una parte reactiva a una frecuencia se dice que es una antena resonante. Dado que la antena radia energ´ıa, hay una p´erdida neta de potencia hacia el espacio debido a radiaci´on, que puede ser asignada a una resistencia de radiaci´on Rr , definida como el valor de la resistencia que disipar´ıa ´ohmicamente la misma potencia que la radiaba por la antena. Superpuestas a la radiaci´on tenemos las p´erdidas que puedan producirse en la antena, habitualmente o´hmicas en los conductores, si bien en las antenas de ferrita tambi´en se producen p´erdidas en el n´ ucleo. Todas estas p´erdidas pueden concentrarse en una resistencia de
CAP´ITULO 5. ANTENAS
42
perdidas RΩ . La resistencia de entrada es la suma de las de radiaci´on y p´erdidas. La impedancia de entrada es un par´ametro de gran trascendencia ya que condiciona las tensiones de los generadores que se deben aplicar para obtener determinados valores de corrientes en la antena y as´ı una determinada potencia radiada. Si la parte reactiva es grande, hay que aplicar tensiones elevadas para obtener corrientes apreciables; si la resistencia de radiaci´on es baja, se requieren elevadas corrientes para tener una potencia radiada importante. La existencia de p´erdidas produce que no toda la potencia entregada por el transmisor sea radiada, por lo que se puede definir un rendimiento o eficiencia de la antena ηl , que puede verse en la ecuaci´on 5.1.
ηl =
5.1.2.
Pradiada Rr = Pentregada R r + RΩ
(5.1)
Intensidad de radiaci´ on.
Una de las caracter´ısticas fundamentales de las antenas es su capacidad para radiar con una cierta direccionalidad, es decir, concentrar la energ´ıa radiada en ciertas direcciones del espacio. Por eso es necesario cuantificar ese comportamiento con alg´ un par´ametro que permita comparar entre antenas. Para direccionar la antena en el espacio se utiliza el sistema de coordenadas esf´erico, ya que por la utilizaci´on de s´olo dos par´ametros que son los a´ngulos θ y φ, queda definida la φ, direcci´on en el espacio. En este sistema de coordenadas se definen 3 vectores unitarios, r, θ, que forman una base ortogonal, de manera que cualquier vector puede expresarse como una combinaci´on lineal de 3 vectores unitarios. La intensidad de radiaci´on es la potencia radiada por unidad de a´ngulo s´olido en una determinada direcci´on; sus unidades son vatios por estereorradi´an y a grandes distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se encuentra la antena. La relaci´on entre intensidad de radiaci´on y potencia radiada es: K(θ, φ) = ℘(θ, φ)r2
(5.2)
CAP´ITULO 5. ANTENAS
43
Donde:
℘(θ, φ) =
|Eθ |2 + |Eφ |2 η
(5.3)
→ − E (V /m) corresponde al campo el´ectrico de la onda radiada.
5.1.3.
Diagrama de radiaci´ on.
Un diagrama de radiaci´on corresponde a una representaci´on gr´afica de las propiedades de radiaci´on de una antena, en funci´on de las distintas direcciones del espacio, a una distancia fija, como ya se mencion´o, normalmente se utiliza un sistema de coordenadas esf´ericas. Como el campo magn´etico se deriva directamente del el´ectrico, la representaci´on se podr´ıa representar a partir de cualquiera de las dos, siendo normal que los diagramas se refieran al campo el´ectrico. La densidad de potencia es proporcional al cuadrado del m´odulo del campo el´ectrico, por lo que la representaci´on gr´afica de un diagrama de potencia contiene la misma informaci´on que un diagrama de radiaci´on de campo. En determinadas circunstancias puede ser necesaria la representaci´on gr´afica de la fase de E(θ, φ), adem´as de la amplitud de las dos componentes. Este tipo de representaci´on se llama diagrama de fase de la antena. El diagrama de radiaci´on puede representarse tridimensionalmente utilizando algunas t´ecnicas gr´aficas, aunque en muchos casos s´olo es suficiente con un corte del diagrama. Los cortes pueden realizarse de infinitas formas, los m´as habituales son los que siguen meridianos o paralelos en una hipot´etica esfera (θ o φ constante). Para antenas linealmente polarizadas se define el plano E como el que representa la direcci´on de m´axima radiaci´on y el campo el´ectrico en dicha direcci´on. An´alogamente el plano H es el formado por la direcci´on de m´axima radiaci´on y el campo magn´etico en dicha direcci´on. Ambos planos son perpendiculares y su intersecci´on determina una l´ınea que define la direcci´on de m´axima radiaci´on de la antena. Los cortes se pueden representar en coordenadas polares, como se ve en la figura 5.1 o
CAP´ITULO 5. ANTENAS
44
Figura 5.1: Diagrama de radiaci´on en coordenadas polares. cartesianas, que se puede ver en la figura 5.2, siendo las polares m´as claras en informaci´on de la distribuci´on de la potencia en las diferentes direcciones del espacio, en cambio las coordenadas cartesianas permite observar los detalles en antenas muy directivas. El campo puede representarse en forma absoluta o relativa, normalizando el valor m´aximo a la unidad. Tambi´en es bastante habitual la representaci´on del diagrama con la escala en decibelios. El m´aximo del diagrama de radiaci´on es cero decibelios y en las restantes direcciones del espacio los valores en dB son negativos.
Figura 5.2: Diagrama de radiaci´on en coordenadas cartesianas.
CAP´ITULO 5. ANTENAS
45
Algunos par´ametros importantes del diagrama: El ancho de haz a −3dB: es la separaci´on angular de las direcciones en las que el diagrama de radiaci´on de potencia toma la mitad del valor m´aximo. En el diagrama de campo es la excursi´on angular entre las direcciones en las que el valor del campo a ca´ıdo a 0, 707 el valor del m´aximo. La relaci´on de l´obulo principal a secundario: es el cociente, expresado en dB, entre el valor del diagrama en la direcci´on de m´axima radiaci´on y en la direcci´on del m´aximo del l´obulo secundario. Un diagrama de radiaci´on que presente simetr´ıa de revoluci´on en torno a un eje corresponde a una antena omnidireccional, en este caso toda la informaci´on contenida en un diagrama tridimensional puede representarse en un u ´ nico corte que contenga al eje. Se denomina, tambi´en antena isotr´opica a aquella que radie la misma intensidad de radiaci´on en todas las direcciones del espacio (en la pr´actica no existen las antenas isotr´opicas).
5.1.4.
Directividad.
La directividad D de una antena se define como la relaci´on entre la densidad de potencia radiada en una direcci´on, a una distancia dada, y a la densidad de potencia que radiar´ıa a esa misma distancia una antena isotr´opica que radiase la misma potencia que la antena.
D(θ, φ) =
℘(θ, φ) Pr /(4πr2)
(5.4)
Si no se especifica la direcci´on angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la direcci´on de m´axima radiaci´on. D=
5.1.5.
℘max Pr /(4πr2)
(5.5)
Polarizaci´ on.
La polarizaci´on es una indicaci´on de la orientaci´on del vector de campo en un punto fijo del espacio al transcurrir un tiempo.
CAP´ITULO 5. ANTENAS
46
La polarizaci´on de una antena en una direcci´on es la de la onda radiada por ella en esa direcci´on. La polarizaci´on de una onda es la figura geom´etrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector campo el´ectrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la direcci´on de propagaci´on. Para ondas con variaci´on temporal sinusoidal esa figura es en general una elipse, pero existen dos casos particulares de inter´es: si la figura trazada es un segmento, la onda se denomina linealmente polarizada y si es un circulo, circularmente polarizada. El sentido de giro del campo el´ectrico, tanto en las ondas circularmente polarizadas como en las el´ıpticas, se dice que es a derechas si sigue el convenio de avance en la direcci´on de propagaci´on, o bien si al alejarse la onda de un observador, ´este ve rotar el campo en el sentido de las agujas del reloj y a izquierdas si es en sentido contrario. La radiaci´on de una antena en una polarizaci´on especificada se denomina polarizaci´on de referencia o copolar, mientras que a la radiaci´on en la polarizaci´on ortogonal se la conoce como polarizaci´on cruzada.
5.1.6.
Ancho de Banda.
Debido a la geometr´ıa finita de las antenas, estas est´an limitadas a operar satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias. Este intervalo de frecuencias se conoce como el ancho de banda de la antena, que no sobrepasa unos l´ımites prefijados. Puede ser definido respecto a m´ ultiples par´ametros: diagrama de radiaci´on, directividad, impedancia, etc. El ancho de banda de una antena lo impondr´a el sistema del que forme parte y afectar´a al par´ametro m´as sensible o cr´ıtico en la aplicaci´on. Para su especificaci´on los par´ametros pueden dividirse en dos grupos, seg´ un se relacionen con el diagrama o con la impedancia. En el primero de ellos tenemos la directividad, la pureza de polarizaci´on, el ancho de haz, el nivel de l´obulo principal a secundario y la direcci´on de m´axima radiaci´on. En el segundo, la impedancia de la antena, el coeficiente de reflexi´on y la relaci´on de onda estacionaria.
CAP´ITULO 5. ANTENAS
5.1.7.
47
Adaptaci´ on.
Este par´ametro es propio de antenas en recepci´on. Desde los terminales de la antena, el receptor se ve como una impedancia de carga ZL = RL + jXL , mientras que el receptor ve la antena como un generador ideal de tensi´on Vca e impedancia Za = Ra + jXa . La transferencia de potencia ser´a m´axima cuando haya adaptaci´on conjurada (ZL = Za∗ ). Entonces la potencia entregada por la antena a la carga ser´a: |Vca |2 4Ra
(5.6)
PL = PLmax Ca
(5.7)
PLmax = En general, si no hay adaptaci´on se tendr´a:
Donde Ca es el coeficiente de desadaptaci´on, dado por: Ca =
4Ra RL (Ra + RL )2 + (Xa + XL )2
(5.8)
Normalmente entre la antena y el receptor existe una l´ınea de transmisi´on de impedancia caracter´ıstica Z0 . En este caso, el coeficiente de desadaptaci´on vale tambi´en 1 − |ρL |2, donde ρL es el coeficiente de reflexi´on.
5.1.8.
´ Area y longitud efectiva.
Este es otro par´ametro propio de de las antenas en recepci´on. La antena extrae potencia de la onda incidente, por lo que presenta una cierta a´rea de captaci´on o ´area efectiva Aef , definida como la relaci´on entre la potencia que entrega la antena a su carga y la densidad de potencia de la onda incidente que presenta f´ısicamente la porci´on del frente de onda que la antena ha de interceptar y drenar de ´el toda la potencia contenida hacia la carga.
Aef
2 lef η PL = = ℘ 4Rr
(5.9)
CAP´ITULO 5. ANTENAS
48
El par´ametro longitud efectiva lef se introduce mediante la relaci´on entre la tensi´on inducida al circuito abierto en bornes de la antena y la intensidad del campo incidente en la onda.
lef =
|Vca | |E|
(5.10)
De nuevo esta definici´on lleva impl´ıcita una dependencia con la polarizaci´on de la onda. La longitud y el a´rea efectiva est´an definidas a partir de magnitudes el´ectricas y no coinciden necesariamente con las dimensiones reales de las antenas, si bien algunos tipos de ellas guardan una relaci´on directa.
5.2.
Ecuaci´ on de transmisi´ on.
Debe establecerse un balance de potencia entre el transmisor y el receptor, ya que el m´ınimo nivel de se˜ nal detectable por el receptor fijar´a la potencia m´ınima que deber´a suministrar el transmisor. Si la antena transmisora radiara is´otropamente una potencia Pr , estar´ıa enviando una se˜ nal igual en todas las direcciones del espacio. En condiciones ideales, la densidad de potencia ser´a inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r a la antena y estar´a dada por: ℘=
Pr 4πr2
(5.11)
Al doblar la distancia la densidad de potencia se reduce a la cuarta parte o en 6dB. Si se est´a muy alejado de la antena, la perdida por kil´ometro puede ser muy reducida, a diferencia de las l´ıneas de transmisi´on donde es una magnitud constante por kil´ometro. El decaimiento de la se˜ nal por unidad de longitud es r´apido en las cercan´ıas del foco y lento en la lejan´ıa en antenas como en fuentes sonoras. Como la densidad de potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad de campo, tenemos tambi´en que los campos radiados por antenas decrecer´an inversamente con la distancia.
CAP´ITULO 5. ANTENAS
49
Como las antenas no son is´otropas, la densidad de potencia en este caso se obtendr´a multiplicando la que habr´ıa producido una antena is´otropa por la directividad, con lo que resultar´a:
℘(θ, φ) =
Pr Pe D(θ, φ) = G(θ, φ) 2 4πr 4πr2
(5.12)
Se denomina potencia is´otropa radiada equivalente P IRE al producto de la potencia radiada por una antena por la directividad, o de la potencia entregada por la ganancia y suele expresarse en dBW.
P IRE = Pr D = Pe G
(5.13)
Para dos antenas separadas una distancia r, conectadas a sus correspondientes transmisor y receptor, la ecuaci´on de transmisi´on de Friis establece la relaci´on entre la potencia recibida y radiada. La potencia que la antena receptora entregar´a a su carga adaptada vale:
PL =
Pr DT Aef R 4πr2
(5.14)
La relaci´on entre la potencia recibida y la radiada se denomina p´erdida de transmisi´on entre las antenas y se acostumbra expresar en decibelios. Si las antenas no estuvieran adaptadas habr´ıa que introducir en esta expresi´on los coeficientes de desadaptaci´on Ca del transmisor y del receptor. Si el medio de propagaci´on introduce perdidas, habr´a que contabilizarlas mediante un factor multiplicativo Cm de perdidas en el medio. Tambi´en habr´a que tener en cuenta que la potencia captada depender´a no s´olo de la densidad de potencia incidente, sino tambi´en de la polarizaci´on de la onda, por lo que aparecer´a un coeficiente de polarizaci´on Cp . Entonces: PL λ 2 = DT DR Pr 4πr
(5.15)
Donde el t´ermino (λ/4πr)2 se denomina p´erdida de transmisi´on en el espacio libre L0 y se corresponde con la perdida de transmisi´on entre antenas is´otropas.
CAP´ITULO 5. ANTENAS
L0 = 20log
4πr λ
50
= 22 + 20log
r λ
= 32, 5 + 20logf(M Hz) + 20logr(Km)
(5.16)
De forma general se tiene que: PL = −L0 + DT + DR − L Pr
(5.17)
Donde todos los t´erminos han de calcularse en decibelios y L engloba todos los factores de desadaptaci´on en las antenas y las perdidas. Desde el punto de vista de sistemas de comunicaciones, es conveniente referirse a la potencia recibida Pr y la potencia transmitida PT , entendida como la que se entrega a la antena. As´ı, la ecuaci´on de transmisi´on resultante se escribe en t´erminos de ganancias de las antenas y en el factor de las p´erdidas L‘ no se han de contabilizar las p´erdidas en las antenas, por estar incluidas ya en la ganancia. De forma general se tiene que: PR = −L0 + GT + GR − L‘ PT
5.3.
(5.18)
Tipos de antenas.
A continuaci´on se muestran algunos tipos de antenas que pueden ser utilizadas en este proyecto.
5.3.1.
Antena Patch.
El uso de circuitos impresos como l´ıneas de transmisi´on hasta frecuencias m´as elevadas, por sus ventajas en el costo, peso y facilidad de producci´on, ha propiciado el inter´es por su uso como elemento radiante [20]. Las antenas impresas o tambi´en conocidas como antenas Microstrip, consisten en un parche met´alico dispuesto sobre un sustrato diel´ectrico colocado encima de un plano met´alico
CAP´ITULO 5. ANTENAS
51
como se ve en la figura 5.3. El parche normalmente tiene forma rectangular o circular y de dimensiones del orden de media longitud de onda. Otras formas menos habituales son las el´ıpticas, triangulares o en forma de anillos. Es posible tambi´en, construir agrupaciones de parches combinando l´ıneas y radiadores impresos.
Figura 5.3: Antena impresa, patch o microstrip. Las principales ventajas son su bajo perfil, se pueden adaptar a la forma de la estructura (plana o curvada), su fabricaci´on es sencilla y barata, son robustas, combinables con circuitos integrados de microondas y se pueden dise˜ nar para trabajar a diversas frecuencias y con distintas polarizaciones. Las principales limitaciones de este tipo de antenas son el reducido ancho de banda al tratarse de una estructura resonante y su baja eficiencia a causa de que s´olo una peque˜ na cantidad de la energ´ıa acumulada en la cavidad entre el parche y el plano de masa es radiada al espacio. Estas antenas se pueden alimentar por medio de l´ıneas impresas, o bien a trav´es de ranuras, sondas coaxiales, o bien por acoplamiento a las cavidades. Una de las formas m´as habituales es la alimentaci´on a trav´es de una l´ınea de transmisi´on en el mismo plano del parche. Como ya se mencion´o la l´ınea de transmisi´on microstrip consiste en un conductor separado por un diel´ectrico sobre un plano de masa (5.4). El diel´ectrico es el´ectricamente delgado (0,003λ < h < 0,05λ), para evitar fugas y ondas superficiales. La permitividad est´a entre 3 y 10, para que las l´ıneas de campo est´en confinadas en torno a la l´ınea microstrip. Los campos radiados (Fig. 5.5) tienen polarizaci´on lineal. El plano E es el plano xy y su diagrama es el que se produce debido a la agrupaci´on de dos antenas separadas a una distancia inferior a media longitud de onda. El plano H es el ortogonal al anterior, yz y el
CAP´ITULO 5. ANTENAS
52
Figura 5.4: Lineas de campo e en antena patch. diagrama de este plano es el producido por la corriente magn´etica uniforme de longitud W.
Figura 5.5: Campo radiado por antena patch.
5.3.2.
Antena Yagi-Uda.
Corresponde a un tipo de antena muy com´ un en la actualidad, inventada en Jap´on en 1926 por S. Uda y dada a conocer posteriormente internacionalmente poco despu´es por H. Yagi. Esta antena, conocida como Yagi, cuya caracter´ıstica m´as significativa es su simplicidad, debida a la utilizaci´on de elementos par´asitos, se utiliza habitualmente en las bandas de HF, VHF y UHF en aplicaciones de radiodifusi´on de televisi´on, estaciones de radioaficionados y radioenlaces punto a punto [18]. La configuraci´on m´as habitual costa de un elemento activo, un reflector y entre uno y veinte directores. En la figura 5.6 se pueden ver los diagramas de campo para los planos E y H para diferente cantidades de elementos. El elemento activo suele ser un dipolo doblado resonante, con objeto de aumentar el ancho de banda. El reflector suele tener una longitud un 5 % mayor que la del activo, habitualmente
CAP´ITULO 5. ANTENAS
53
Figura 5.6: Patrones de radiaci´on normalizados de campo el´ectrico para arreglos yagi resonantes en los planos E y H, con 5, 7 y 15 elementos.
entre 0, 5λ y 0, 52λ. La longitud de los directores oscila entre 0, 38λ y 0, 48λ, siendo t´ıpicamente entre un 5 % o 10 % inferior a la del activo. La separaci´on entre los elementos es algo mayor para el reflector (0, 15λ) que para los directores (0, 11λ). En la figura 5.7 se puede ver un ejemplo de antena yagi con elemento activo doblado y 10 directores para una frecuencia de 1, 9GHz. La antena yagi no es estrictamente una agrupaci´on, por no tener todos sus elementos iguales, pero con los diagramas de radiaci´on de los elementos s´ı son casi iguales, suelen analizarse con las t´ecnicas de agrupaciones lineales tomando como antena b´asica el dipolo de λ/2. Para ello es necesario obtener los valores de las corrientes de todos los elementos de la antena.
CAP´ITULO 5. ANTENAS
54
Figura 5.7: Antenas tipo Yagi para diferentes frecuencias de operaci´on entre 800 y 1900 MHz . Las principales caracter´ısticas de la antena Yagi-Uda son las siguientes: Ganancia relativa al dipolo en λ/2 entre 5dB y 18dB. Esta ganancia expresada en dB, es del orden de magnitud del n´ umero de elementos, hasta un m´aximo de 20. Puede demostrarse que la fase de las corrientes en los elementos par´asitos cumple la condici´on de Hansen-Woodyard, con que la directividad es ´optima. Relaci´on delante-atr´as entre 5dB y 15dB, Este par´ametro suele mejorarse con la ayuda de un reflector di´edrico. Nivel de l´obulo principal a secundario bajo, entre 5 y 10dB. Sin embargo, este par´ametro
CAP´ITULO 5. ANTENAS
55
no es cr´ıtico en las aplicaciones m´as habituales de estas antenas. Impedancia de entrada de uno 300Ω, debido a la utilizaci´on de un dipolo doblado como elemento activo, por lo que es necesario el uso de simetrizadores para poder conectarlas a cables coaxiales de 50Ω y 75Ω. Para finalizar, se debe destacar que la antena Yagi presenta un ancho de banda relativamente grande y muy superior al que se espera de una agrupaci´on, por comportarse como una antena de onda progresiva.
5.3.3.
Parab´ olica
Esta es una antena que forma parte de un grupo que funciona apoy´andose en un reflector para conseguir una gran ganancia directiva, gran ancho de banda, as´ı como un gran rendimiento. Consta de un espejo y un excitador como lo muestra el ejemplo en la figura 5.9.
Figura 5.8: Tipos de paraboloides. El espejo o reflector parab´olico se basa en un principio heredado de la o´ptica que consiste en focalizar la potencia incidente en el reflector sobre una fuente primaria situada en el foco. Puede ser un paraboloide de revoluci´on, un sector del mismo, un cilindro parab´olico o un segmento del mismo limitado por dos planos conductores paralelos, estos diferentes tipos se pueden ver en la figura 5.8 [23][21]. La geometr´ıa del reflector parab´olico queda totalmente caracterizada por un corte que comprenda el eje, cuya forma es la de una par´abola, su ecuaci´on en coordenadas cartesianas,
CAP´ITULO 5. ANTENAS
56
Figura 5.9: Antena parab´olica de rejilla para 2,4 GHz. es: y‘2 = 4f (f − z‘)
(5.19)
La operaci´on del disco se basa en el hecho de que las se˜ nales que llegan paralelas al eje principal son concentradas en un solo punto que corresponde al punto focal de la par´abola. Una fuente de se˜ nal encontrar´a el punto focal que ilumina el disco produciendo un rayo paralelo al eje principal. El sistema de bocina o iluminador es un elemento cr´ıtico en la ejecuci´on de una antena reflectora. Esta bocina se coloca en el punto focal apuntando al centro del disco.
Cap´ıtulo 6 Tecnolog´ıas de Telecomunicaci´ on A continuaci´on se presentan algunas tecnolog´ıas de telecomunicaci´on que pueden ser aplicadas para la transmisi´on de datos necesarios en este proyecto.
6.1.
Satelital.
Se debe definir un sat´elite de comunicaciones como “un repetidor radioel´ectrico ubicado en el espacio, recibe se˜ nales generadas en la tierra, las amplifica y las vuelve a enviar de vuelta”. Es decir es un centro de comunicaciones que procesa datos recibidos desde nuestro planeta y los env´ıa de regreso, ya sea al punto que env´ıo la se˜ nal, o bien a otro destino. Es importante se˜ nalar que todo aparato debe quedar por encima de las cien millas de altitud respecto a la superficie de la Tierra, para que no sean derrumbados por la fuerza de gravedad terrestre. Los sat´elites ubicados en promedio a 321.80 kil´ometros de altitud se consideran de ´orbita baja; y de o´rbita alta los que alcanzan distancias hasta de 35880 kil´ometros sobre la superficie. La velocidad con que un sat´elite gira alrededor de la tierra est´a dada por la distancia entre ambos, ya que el satelite se ubicara en aquellos puntos donde la fuerza de gravedad se equilibre con la fuerza centriguga, cuanto mayor es la distancia, menor es la velocidad que necesita el mismo para mantenerse en o´rbita.
57
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
6.1.1.
58
Sistemas de Sat´ elites.
Una manera sencilla de diferenciar los diversos sistemas de sat´elites es por la altura a la que se encuentran. Tambi´en es un factor clave para determinar cuantos sat´elites necesita un sistema para conseguir una cobertura mundial y la potencia que debe tener. Dado cierto ancho de haz de la antena del sat´elite, el ´area de cobertura del mismo ser´a mucho menor estando en una o´rbita de poca altura que estando en otra de mayor altura. Sin embargo, la potencia necesaria para emitir desde un o´rbita baja es muy inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la ´orbita. Los expertos en sat´elites utilizan cuatro t´erminos b´asicos para describir las diversas altitudes, que son los que son : GEO, MEO, LEO y HALE. ´ GEO: Abreviatura de Orbita Terrestre Geos´ıncrona. Los sat´elites GEO orbitan a 35848 kil´ometros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotaci´on del sat´elite es exactamente 24 horas y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de la superficie del planeta. La mayor´ıa de los sat´elites actuales son GEO, as´ı como los futuros sistemas Spaceway, de Hughes, y Cyberstar, de Loral. Esta o´rbita se conoce como o´rbita de Clarke, en honor al escritor Arthur C. Clarke, que escribi´o por primera vez en 1945 acerca de esta posibilidad. Los GEO precisan menos sat´elites para cubrir la totalidad de la superficie terrestre. Sin embargo adolecen de un retraso (latencia) de 0.24 segundos, debido a la distancia que debe recorrer la se˜ nal desde la tierra al sat´elite y del sat´elite a la tierra. As´ı mismo, los GEO necesitan obtener unas posiciones orbitales espec´ıficas alrededor del ecuador para mantenerse lo suficientemente alejados unos de otros (unos 1600 kil´ometros o dos grados). La ITU y la FCC (en los Estados Unidos) administran estas posiciones. MEO: Los sat´elites de o´rbita terrestre media se encuentran a una altura de entre 10075 y 20150 kil´ometros. A diferencia de los GEO, su posici´on relativa respecto a la superficie no es fija. Al estar a una altitud menor, se necesita un n´ umero mayor de sat´elites para obtener cobertura mundial, pero la latencia se reduce substancialmente. En la actualidad no existen muchos sat´elites MEO, y se utilizan para posicionamiento.
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
59
LEO: Las o´rbitas terrestres de baja altura prometen un ancho de banda extraordinario y una latencia reducida. Existen planes para lanzar enjambres de cientos de sat´elites que abarcar´an todo el planeta. Los LEO orbitan generalmente por debajo de los 5035 kil´ometros, y la mayor´ıa de ellos se encuentran mucho m´as abajo, entre los 600 y los 1600 kil´ometros. A tan baja altura, la latencia adquiere valores casi despreciables de unas pocas cent´esimas de segundo. Tres tipos de LEO manejan diferentes cantidades de ancho de banda. Los LEO peque˜ nos est´an destinados a aplicaciones de bajo ancho de banda (de decenas a centenares de Kbps), como los buscapersonas, e incluyen a sistemas como OrbComm. Los grandes LEO pueden manejar buscapersonas, servicios de telefon´ıa m´ovil y algo de transmisi´on de datos (de cientos a miles de Kbps). Los LEO de banda ancha (tambi´en denominados megaLEO) operan en la franja de los Mbps y entre ellos se encuentran Teledesic, Celestri y SkyBridge. HALE Las plataformas de gran altitud y resistencia son b´asicamente aeroplanos alimentados por energ´ıa solar o m´as ligeros que el aire, que se sostienen inm´oviles sobre un punto de la superficie terrestre a unos 21 kil´ometros de altura. No se habla mucho de ellos y en la actualidad constituyen fundamentalmente un proyecto de investigaci´on. Un ejemplo de HALE que utiliza globos estacionarios es Skystation.
6.1.2.
Algunos Sistemas de Comunicaci´ on Satelital.
Globalstar La constelaci´on Globalstar1 completa est´a compuesta por 52 sat´elites m´oviles. Cuarenta y ocho son sat´elites principales que fueron colocados a 1414 Km de la Tierra en o´rbita circular y distribuidos en 8 planos inclinados a 52◦ respecto del ecuador. Los 4 sat´elites restantes se colocan en o´rbitas intermediarias, en reserva de los sat´elites principales. 1
http://www.globalstaramericas.com
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
60
ARGOS El sistema ARGOS2 fue creado en 1978 por la Agencia Espacial Francesa (CNES), la Administraci´on Nacional de Aeron´autica y del Espacio(NASA) y la Administraci´on Nacional Oce´anica y Atmosf´erica (NOAA), originalmente era una herramienta cient´ıfica para la recolecci´on de datos meteorol´ogicos y oceanograf´ıcos alrededor del mundo. En 1986, la CNES crea una subsidiaria, CLS, para operar, mantener y comercializar el sistema. El mismo a˜ no, Servicios Argos INc. y North America CLS fueron creados para servir a la comunidad Norteamericana. En la actualidad las dos compa˜ n´ıas norteamericanas se han fusionado formando CLSAmerica. Argos es el u ´nico sistema a nivel global de recolecci´on de datos dedicados al estudio y la protecci´on del medio ambiente. Argos ayuda a la comunidad cient´ıfica para un mejor monitoreo y entendimiento del medio, pero, ademas ayuda a la industria a cumplir con la implementaci´on de las regulaciones ambientales de varios gobiernos. GOES El Sat´elite Geoestacionario Operacional Ambiental (GOES) es una de las claves del programa estadounidense del National Weather Service ”NWS”de la NOAA3 . Los datos de im´agenes y de sonda del GOES son continuos y proveen una corriente de informaci´on ambiental para soportar el pron´ostico del tiempo, el seguimiento de tormentas severas, y para investigaci´on de meteorolog´ıa. Desde 1974 se evoluciona mejorando el sistema de sat´elites geoestacionarios (lanzamiento del primer Sat´elite Sincr´onico Meteorol´ogico, SMS-1) es responsable del armado de los elementos claves de pron´osticos, y monitoreo. Naves espaciales y sistemas de tierra trabajan juntos para acompa˜ nar la misi´on GOES. Dise˜ nado para operar en ´orbita geoestacionaria, a 35.790 km sobre la tierra, permaneciendo estacionario (respecto a un punto sobre el suelo), la nave GOES IM continuamente a la vista de EEUU continental, y los vecinos ambientes de los oc´eanos Pac´ıfico y Atl´antico, Am´erica Central y Sudam´erica. Sus tres ejes, con un dise˜ no de sat´elite estabilizado conecta 2 3
http://www.argos-system.org/ http://www.osd.noaa.gov/GOES/goes n.htm
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
61
sus sensores para ”vigilar”la tierra monitoreando nubes, temperatura superficial y vapor de agua, y sondeando los perfiles verticales de estructuras t´ermicas y de vapor. As´ı sigue la evoluci´on de fen´omenos de la atm´osfera, asegurando la cobertura en tiempo real para seguir eventos de corta vida, especialmente severas tormentas locales, cicl´on tropical, que directamente afectan la seguridad p´ ublica, protecci´on de propiedades, y u ´ltimamente, salud y desarrollo econ´omico. La importancia de esta capacidad ha sido recientemente ejemplificado durante los huracanes Hugo (1989) y Andrew (1992). El sistema GOES es administrado por El Servicio Nacional Satelital de Informaci´on de Datos Ambientales (NESDIS). NESDIS asigna direcciones, los canales para enlaces ascendentes y ventanas de tiempo de transmisi´on auto-programado o aleatorio. Las ventanas de transmisi´on auto-programadas permiten la transmisi´on de datos solo durante un plazo determinado. Las ventanas aleatorias son para aplicaciones de car´acter critico y permitir as´ı, la transmisi´on inmediatamente despu´es que el umbral permitido ha sido superado. Iridium Iridium4 es una soluci´on para la comunicaci´on m´ovil de voz y de datos que est´an respaldadas por la u ´nica red de comunicaci´on satelital verdaderamente global, con cobertura en todo el mundo, incluso en oc´eanos, rutas a´ereas y regiones polares. La constelaci´on de Iridium consta de 66 sat´elites de ´orbita baja (LEO), de enlace cruzado, que operan como una red totalmente mallada y que est´an respaldados por varias unidades en o´rbita. La arquitectura de la constelaci´on Iridium garantiza gran confiabilidad y poca latencia. Ofrece tarjetas de m´odulo de identidad del abonado (Subscriber Identity Module, o SIM) que contienen toda la informaci´on que identifica al usuario y la cuenta, permitiendo usar opciones personalizadas, el uso compartido, y la facturaci´on individual. Los servicios de voz que presta la empresa se ofrecen a trav´es de diferentes equipos y sistemas de comunicaci´on instalados a bordo de embarcaciones, aviones y veh´ıculos terrestres. El transceptor para transferencia de datos en modo r´afaga (SBD), que se incorpora a un creciente n´ umero de 4
http://www.iridium.com
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
62
funciones, ofrece conexiones de datos en cada parte del mundo, transfiere informaci´on sobre ubicaci´on, informes del tiempo, correo electr´onico o cualquier otro dato que requiera una conexi´on bidireccional, global y confiable. Los servicios de datos de Iridium suponen una importante herramienta de comunicaciones de uso militar y administrativo, as´ı como para mercados verticales como la aviaci´on, la marina, la extracci´on de petr´oleo y gas, la construcci´on, la miner´ıa, la vigilancia forestal y las organizaciones humanitarias. El servicio de datos mediante conexi´on por m´odem ofrece conectividad desde una computadora personal, a trav´es de la unidad de montaje fijo EuroCom o el tel´efono port´atil Motorola Satellite Series 9505, con otra computadora, una red LAN empresarial, o un proveedor de servicios de Internet (ISP) a una velocidad de hasta 10 kbps. La red de proveedores de servicio de Iridium, que se encarga de la distribuci´on mundial de los servicios de voz y datos de esta compa˜ n´ıa, vende actualmente equipos port´atiles fabricados por Motorola junto con un adaptador de datos para uso con ordenadores port´atiles y otros aparatos inform´aticos. Adem´as del acceso a toda hora y en todo lugar, los servicios de datos de Iridium permiten a sus clientes evitar los gastos de conexi´on cobrados por las empresas ISP. Los gastos del servicio de datos de Iridium est´an incluidos en la factura telef´onica y sus precios no superan el d´olar y medio por minuto de conexi´on.
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
6.2.
63
WiFi
Podr´ıamos definir un red WiFi, tambi´en llamada w´ıreless, WLAN o red inal´ambrica, como un medio de transmisi´on de datos designado para dar acceso entre si a ordenadores utilizando ondas de radio en lugar de cables. Para ello, con dichas ondas de radio mantienen canales de comunicaci´on entre computadoras [14]. WiFi (Wireless-Fidelity) es una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriormente la WECA: Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organizaci´on comercial que adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen los est´andares 802.11. Las redes inal´ambricas WiFi ofrecen ventajas y desventajas con respecto a una red con cables. Las ventajas, como se podr´ıa suponer, son movilidad y la eliminaci´on de molestos cables. Las desventajas las podemos clasificar en posibles interferencias dependiendo del tiempo u otros dispositivos w´ıreless. Tambi´en tiene ciertas limitaciones para pasar se˜ nales por muros s´olidos. La tecnolog´ıa WiFi est´a ganando popularidad tanto en entornos de hogar como de empresa, y por ello, d´ıa a d´ıa continua mejorando tanto t´ecnicamente como econ´omicamente. Normalmente se usa con ordenadores port´atiles dado su facilidad para desplazarlo de un punto a otro. Cuando hablemos de WiFi tenemos que saber que existen varias tecnolog´ıas o standards que lo componen y que definen velocidad (hasta 11 MB), frecuencia y otros detalles; 802.11a, 802.11b y 802.11g (esta u ´ltima soporta las dos anteriores).
6.2.1.
Est´ andares existentes
Existen diversos tipos de Wi-Fi, basado cada uno de ellos en un est´andar IEEE 802.11 aprobado. Son los siguientes: Los est´andares IEEE 802.11b e IEEE 802.11g disfrutan de una aceptaci´on internacional debido a que la banda de 2.4 GHz est´a disponible casi universalmente, con una velocidad de hasta 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente. En la actualidad se maneja tambi´en el est´andar IEEE 802.11a, conocido como WIFI
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
64
5, que opera en la banda de 5 GHz y que disfruta de una operatividad con canales relativamente limpios. La banda de 5 GHz ha sido recientemente habilitada y, adem´as no existen otras tecnolog´ıas (Bluetooth, microondas, ZigBee, WUSB) que la est´en utilizando, por lo tanto existen muy pocas interferencias. Su alcance es algo menor que el de los est´andares que trabajan a 2.4 GHz (aproximadamente un 10 %), debido a que la frecuencia es mayor (a mayor frecuencia, menor alcance). Un primer borrador del est´andar IEEE 802.11n que trabaja a 2.4 GHz a una velocidad de 108 Mbps. Sin embargo, el est´andar 802.11g es capaz de alcanzar ya transferencias a 108 Mbps, gracias a diversas t´ecnicas de aceleramiento. Actualmente existen ciertos dispositivos que permiten utilizar esta tecnolog´ıa, denominados Pre-N, sin embargo, no se sabe si ser´an compatibles ya que el est´andar no est´a completamente revisado y aprobado.
6.2.2.
Seguridad
Uno de los problemas m´as graves a los cuales se enfrenta actualmente la tecnolog´ıa Wi-Fi es la seguridad. Un muy elevado porcentaje de redes son instaladas sin tener en consideraci´on la seguridad convirtiendo as´ı sus redes en redes abiertas (o muy vulnerables a los hackers), sin proteger la informaci´on que por ellas circulan. Existen varias alternativas para garantizar la seguridad de estas redes. Las m´as comunes son: Utilizaci´on de protocolos de cifrado de datos para los est´andares Wi-Fi como el WEP y el WPA, que se encargan de codificar la informaci´on transmitida para proteger su confidencialidad, proporcionados por los propios dispositivos inal´ambricos. IPSEC (t´ uneles IP) en el caso de las VPN y el conjunto de est´andares IEEE 802.1X, que permite la autenticaci´on y autorizaci´on de usuarios. Filtrado de MAC, de manera que s´olo se permite acceso a la red a aquellos dispositivos autorizados.
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
65
Ocultaci´on del punto de acceso: se puede ocultar el punto de acceso (Router) de manera que sea invisible a otros usuarios. El protocolo de seguridad llamado WPA2 (est´andar 802.11i), que es una mejora relativa a WPA. En principio es el protocolo de seguridad m´as seguro para Wi-Fi en este momento. Sin embargo requieren hardware y software compatibles, ya que los antiguos no lo son. Sin embargo, no existe ninguna alternativa fiable 100 %, ya que todas las anteriores se pueden burlar.
6.2.3.
Dispositivos
Existen varios dispositivos que permiten interconectar elementos WiFi, de forma que puedan interactuar entre s´ı. Entre ellos destacan los routers y puntos de acceso para la emisi´on de la se˜ nal WiFi y las tarjetas receptoras para conectar a ordenador, ya sean internas (tarjetas PCI) o bien USB. Los puntos de acceso funcionan a modo de emisor remoto, es decir, en lugares donde la se˜ nal wifi del router no tenga suficiente radio se colocan estos dispositivos, que reciben la se˜ nal bien por un cable UTP que se lleve hasta ´el o bien que capturan la se˜ nal d´ebil y la amplifican (aunque para este u ´ltimo caso existen aparatos especializados que ofrecen un mayor rendimiento). Los router son los que reciben la se˜ nal de la l´ınea ofrecida por el operador de telefon´ıa. Se encargan de todos los problemas inherentes a la recepci´on de la se˜ nal, incluidos el control de errores y extracci´on de la informaci´on, para que los diferentes niveles de red puedan trabajar. Adem´as, el router efect´ ua el reparto de la se˜ nal, de forma muy eficiente Adem´as de routers, hay otros dispositivos que pueden encargarse de la distribuci´on de la se˜ nal, aunque no pueden encargarse de las tareas de recepci´on, como pueden ser hubs y switches. Estos dispositivos son mucho m´as sencillos que los routers, pero tambi´en su rendimiento en la red de ´area local es muy inferior.
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
6.2.4.
66
Ventajas y desventajas
Una de las desventajas que tiene el sistema Wi-Fi es la p´erdida de velocidad en comparaci´on a una conexi´on con cables, debido a las interferencias y p´erdidas de se˜ nal que el ambiente puede acarrear. La desventaja fundamental de estas redes existe en el campo de la seguridad. Existen algunos programas capaces de capturar paquetes, trabajando con su tarjeta Wi-Fi en modo promiscuo, de forma que puedan calcular la contrase˜ na de la red y de esta forma acceder a ella. Las claves de tipo WEP son relativamente f´aciles de conseguir con este sistema. La alianza Wi-Fi arregl´o estos problemas sacando el est´andar WPA y posteriormente WPA2, basados en el grupo de trabajo 802.11i. Las redes protegidas con WPA2 se consideran robustas dado que proporcionan muy buena seguridad. Los dispositivos Wi-Fi ofrecen gran comodidad en relaci´on a la movilidad que ofrece esta tecnolog´ıa. Se˜ nalar que esta tecnolog´ıa no es compatible con otros tipos de conexiones sin cables como Bluetooth, GPRS, UMTS, etc.
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
6.3.
67
3G
Los m´oviles han tenido diferentes versiones, evoluciones o generaciones en cuanto a conexiones v´ıa radio (Wireless) con las estaciones base que se pueden ver en diferentes partes de la ciudad.
6.3.1.
Evoluci´ on
La primera generaci´on, 1G, utilizaba conexiones anal´ogicas y ten´ıa graves problemas de seguridad puesto que el mismo n´ umero pod´ıa estar en dos m´oviles distintos. Los m´oviles 2G supondr´ıan el cambio de tecnolog´ıa anal´ogica a digital, adem´as codifican y comprimen la se˜ nal pudiendo abarcar m´as llamadas. El 2G o GPRS incluye varios protocolos o est´andares de transmisi´on de datos. Entre ellos el usado por los pa´ıses europeos y americanos: el GSM. Y por fin la tecnolog´ıa 3G o UMTS que utiliza la infraestructura del GSM pero posee un ancho de banda mayor para poder enviar y recibir tanto se˜ nales de voz como de datos a una velocidad de hasta 10Mb por segundo aunque en la pr´actica las redes comerciales no superan los 3.5Mb. Nos interesa saber que todo esto se transforma en una se˜ nal de cobertura, calidad de sonido y recepci´on mucho mejor que el convencional GPRS. De ah´ı que los proveedores de tel´efonos m´oviles ofrezcan nuevos servicios implementados en esta tecnolog´ıa: Videollamadas, descarga de politonos, conexi´on a Internet, etc., aunque el precio del uso del 3G todav´ıa es relativamente caro comparando en cuanto a descarga de datos [15], [16]. En la figura 10.20 se puede ver un cuadro explicativo que muestra las diferentes evoluciones de est´andares hasta llegar a lo que hoy se conoce como la tercera generaci´on de tecnolog´ıas m´oviles. La mejor definici´on para la Tercera Generaci´on (3G) es conocerla como la ”Evoluci´on” de la telefon´ıa m´ovil. Se dice que es una evoluci´on por que se forma a partir de tecnolog´ıas ya existentes en generaciones anteriores, pero que al obtener las mejores caracter´ısticas de cada una de ellas se obtienen nuevas normas y est´andares que actualmente utilizamos en nuestro diario vivir. Desde un aspecto m´as t´ecnico la conoceremos de la siguiente manera:
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
68
Figura 6.1: Evoluci´on de los est´andares inal´ambricos 3G Calidad de voz mejorada. Transferencia Multimedia Altas velocidades Navegacion web, correo electronico, etc. 3G es un t´ermino gen´erico que cubre una variedad de tecnolog´ıas de redes m´oviles futuras. 3G combina acceso m´ovil de alta velocidad basado en los servicios de Internet Protocol (IP). Hace que la conexi´on m´ovil al World Wide Web sea m´as r´apida.
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
6.3.2.
69
Aspectos t´ ecnicos de la generaci´ on
La telefon´ıa m´ovil de Tercera Generaci´on est´a basada en la telefon´ıa digital y en la integraci´on de servicios Banda Ancha de la pila de protocolo IP. La caracter´ısticas principal de esta generaci´on en lo que a aspectos t´ecnicos se refiere, es que se sub divide en 2 tecnolog´ıas que son netamente 3G [17]: UMTS/WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - Acceso M´ ultiple por Divisi´on de C´odigo de Banda) Soporta conectividad IP (Internet Protocol), permitiendo accesos m´as r´apidos en Internet. La natural sinergia entre las comunicaciones m´oviles y el acceso a Internet ha estimulado que estas sean integradas. La tecnolog´ıa fundamental sobre la cual trabaja IP es Conmutaci´on de Paquetes. El camino para la evoluci´on de GSM hacia WCDMA, incluye un estado denominado GPRS (General Packet Radio Service) que provee conmutaci´on de paquetes hasta 115 Kbps. CDMA2000 (Code Division Multiple Access - Acceso M´ ultiple por Divisi´on de C´odigo) B´asicamente, CDMA permite que m´ ultiples terminales compartan el mismo canal de frecuencia, identific´andose el ”canal” de cada usuario mediante (secuencias PN). CDMA2000 ha tenido relativamente un largo historial t´ecnico y a´ un sigue siendo compatible con los antiguos est´andares en telefon´ıa CDMA (como cdmaOne) primero desarrollado por Qualcomm que es una compa˜ n´ıa comercial y propietaria de varias patentes internacionales sobre la tecnolog´ıa. Los est´andares CDMA2000 CDMA2000 1x, CDMA2000 1xEV-DO, y CDMA2000 1xEV-DV son interfaces aprobadas por el est´andar ITU IMT-2000 y un sucesor directo de la 2G CDMA, IS- 95 (cdmaOne). CDMA2000 es estandarizado por 3GPP2. CDMA2000 es una marca registrada de la Telecommunications Industry Association (TIA- USA) en los Estados Unidos, no del t´ermino gen´erico CDMA. (Similarmente Qualcomm bautiz´o y registr´o el est´andar 2G basado en CDMA, IS-95, como cdmaOne). La tercera generaci´on de la telefon´ıa celular (3G) ya es una realidad en centenas de pa´ıses de todo el mundo. En Am´erica Latina, fue lanzada primero en Chile, y enseguida por diversos
´ CAP´ITULO 6. TECNOLOG´IAS DE TELECOMUNICACION
70
pa´ıses de la regi´on. Con 3G es posible conectarse a Internet y disfrutar de velocidades comparables a la banda ancha convencional en su computadora o laptop, utilizando m´odems o tarjetas de datos; con un SMARTPHONE 3G (tel´efono inteligente) usted tiene acceso a correo electr´onico y puede navegar en Internet con mucho m´as velocidad. En el tel´efono m´ovil, 3G hace mucho m´as r´apidas las descargas de archivos como juegos, m´ usica, v´ıdeos y adem´as permite aplicaciones como video llamadas.
Cap´ıtulo 7 Radioenlace 7.1.
Presupuesto de potencia de enlace
El presupuesto de potencia del enlace es el c´alculo de ganancias y p´erdidas desde el transmisor, a trav´es de los cables, conectores y espacio libre hacia el receptor como se muestra en la figura 7.1. La estimaci´on del valor de potencia en diferentes partes del radioenlace es necesaria para configurar el mejor dise˜ no y seleccionar el mejor equipo para la situaci´on espec´ıfica [22].
Figura 7.1: Trayectoria de transmisi´on entre el transmisor y el receptor.
71
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
7.2.
72
Elementos del presupuesto de enlace.
Los elementos necesarios para la realizaci´on del presupuesto de enlace se pueden dividir en 3 partes principales: El transmisor con su potencia efectiva de transmisi´on. P´erdidas producidas por la propagaci´on. El receptor con su sensibilidad receptiva efectiva. El presupuesto de radioenlace completo es la suma de todos los aportes en decibeles a trav´es del camino que se recorre por las tres partes principales, la figura 7.2 muestra las diferentes partes del recorrido que se explica mejor con la ecuaci´on 7.1, mientras que la figura 7.3 muestra el gr´afico que ilustra la perdida de potencia en dBm en funci´on de la distancia que se recorre en un radioenlace desde el transmisor al receptor [?].
Figura 7.2: Suma de todos los aportes en decibeles para un radioenlace.
Sr = Gse − Pce − Pae + Gae − PP + Gar − Pcr − Par Donde: Sr = Nivel de se˜ nal que le llega al receptor (Siempre negativo en dB). Gse = Ganancia de salida del equipo transmisor. Gae = Ganancia de la antena del equipo transmisor.
(7.1)
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
73
Pce = P´erdida de cables del equipo transmisor. Pae = P´erdida de conectores del equipo transmisor. Pp = P´erdidas de propagaci´on. Par = Ganancia de la antena del equipo receptor. Pce = P´erdida de cables del equipo receptor. Par = P´erdida de conectores del equipo receptor. Donde Pp corresponde a la p´erdida en trayectoria por espacio libre(Ec. 7.3).
Figura 7.3: P´erdida en dBm en funci´on de la distancia para un radioenlace.
7.2.1.
Potencia de transmisi´ on Tx
La potencia de transmisi´on es la potencia de salida. El l´ımite superior de este valor depende de las regulaciones definidas en cada pa´ıs de acuerdo a la frecuencia de operaci´on y puede variar si el marco regulatorio cambia. Como es de esperarse los transmisores con mayor potencia de salida son m´as costosos, los valores ideales de la potencia de transmisi´on normalmente se puede encontrar en las especificaciones t´ecnicas que el fabricante proporciona, los valores reales pueden variar de acuerdo a la temperatura y la tensi´on de alimentaci´on [22].
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE Tipo de cable RG 58 RG 213 RG-316 LMR-200 CDF-200 LMR-400 LMR-600 Flexline de 1/2” Flexline de 7/8” Heliax de 1/2” Heliax de 7/8”
74 P´erdida [dB/100m] ca80-100 ca 50 100 50 55 22 14 12 6,6 12 7
Cuadro 7.1: Valores t´ıpicos de perdida en los cables para 2, 4GHz.
7.2.2.
P´ erdida en el cable
Las perdidas en la se˜ nal de radio se pueden producir en los cables entre el transmisor y receptor con sus respectivas antenas. Estas p´erdidas en los cables dependen del tipo de cable utilizado y de la frecuencia de operaci´on, normalmente se mide en dB/m. No importa que tan bueno sea el cable, siempre tendr´a p´erdidas y a causa de esto el cable de la antena siempre debe ser lo m´as corto posible. La p´erdida t´ıpica en los cables est´a entre 0, 1 dB/m y 1 dB/m, en general mientras m´as grueso y r´ıgido sea el cable menor atenuaci´on presentar´a. En la tabla 7.1 se pueden apreciar algunos valores t´ıpicos de p´erdidas en algunos cables.
7.2.3.
P´ erdidas en los conectores.
Se debe estimar al menos 0, 25 dB de p´erdida por cada conector en el cableado. Este puede ser un valor para un conector bien hecho, mientras que para un conector mal soldado o hecho en casa, estas p´erdidas pueden ser mayores. Si se usan cables largos, la suma de las p´erdidas en los conectores est´a incluida en una parte de la ecuaci´on ”perdidas en los cables”. Para estar seguros, siempre se debe considerar un promedio de p´erdidas de 0, 3 a 0, 5 dB por conector como regla general. Los protectores para descargas el´ectricas que se utilizan entre antenas y el radio debe ser
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
75
presupuestado hasta con 1 dB de p´erdida (dependiendo del tipo)[22].
7.2.4.
Amplificadores
De forma opcional se pueden incluir amplificadores al sistema para compensar las p´erdidas en los cables o cuando no se logre cumplir con el presupuesto de potencia. De forma general se debe pensar como una u ´ltima opci´on el uso de amplificadores. Una buena selecci´on de antenas y una alta sensibilidad del receptor son una mejor opci´on que el recurso del amplificador. Los amplificadores de calidad son muy costosos y los econ´omicos empeoran el espectro de frecuencia, lo que afecta los canales adyacentes. Todos los amplificadores a˜ naden ruido extra a la se˜ nal y los niveles de potencia resultantes podr´ıan estar fuera de las normas legales de la regi´on en la que se encuentre [22].
7.2.5.
Ganancia de la antena
Las ganancias de antenas t´ıpicas var´ıan desde los 2 dBi para una antena integrada simple, pasando por 8 dBi para una antena omnidireccional est´andar, hasta 21 − 30 dBi para antenas parab´olicas. Hay que tener en cuenta que existe una diversidad de factores que pueden disminuir la ganancia real de una antena [22]. Algunas de las causas por las que las antenas llegan a tener p´erdidas est´an relacionadas principalmente a la incorrecta instalaci´on, por p´erdidas en la inclinaci´on, en la polarizaci´on o por objetos met´alicos adyacentes. Lo que esto quiere decir es que la antena funcionar´a de forma ´optima y se podr´ıa esperar una ganancia completa de ella s´olo si est´a instalada de forma correcta.
7.2.6.
P´ erdidas en el espacio libre
La mayor parte de la potencia de la se˜ nal de radio se perder´a en el aire. La onda de radio pierde energ´ıa inclusive en el vac´ıo al irradiarse en direcciones diferentes a la que puede capturar la antena receptora [22]. La perdida en espacio libre (FSL) mide la potencia que se pierde en el mismo sin ning´ un
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
76
Figura 7.4: P´erdida en dB en funci´on de la distancia en metros. obst´aculo, debido a la expansi´on dentro de una superficie esf´erica, esto fue visto con mayor profundidad en el punto 6.2. La perdida en el espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia y tambi´en proporcional al cuadrado de la frecuencia. Aplicando decibeles, resulta la ecuaci´on 5.16. El gr´afico mostrado en la figura 7.4 muestra la p´erdida de dB para 2, 4GHz y 5, 4GHz. Aqu´ı se puede apreciar que despu´es de 1, 5Km, la p´erdida tiende a ser lineal en dB. Como regla general en una red inal´ambrica de 2, 4 GHz, en el primer kil´ometro se pierden 100 dB y desde ese punto la se˜ nal se reduce en 6 dB cada vez que la distancia se duplica, esto quiere decir que, por ejemplo, en un enlace de 2 Km se tiene una p´erdida de 106 dB y a una distancia de 4 Km se tiene una p´erdida de 112 dB. La p´erdida en trayectoria por el espacio libre que se suele definir como la p´erdida sufrida por una onda electromagn´etica al propagarse en l´ınea recta por un vac´ıo, sin absorci´on y reflexi´on de energ´ıa en objetos cercanos, que no es una definici´on un tanto enga˜ nosa. La perdida en trayectoria por el espacio libre es una cantidad t´ecnica artificial que se origino
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
77
debido a la manipulaci´on de las ecuaciones de presupuesto de un enlace de comunicaciones que se puede ver en la ecuaci´on 7.1. En realidad no se pierde energ´ıa alguna, sino que ´esta se reparte al propagarse alej´andose de la fuente y se produce una menor densidad de potencia en determinado punto a determinada distancia de la fuente. El t´ermino m´as adecuado para definir el fen´omeno es p´erdida por dispersi´ on[19]. La ecuaci´on que la define expresada en decibeles es la siguiente: PP = 20log
4π 4πf D = 20log + 20logf + 20logD c c
(7.2)
Donde D es la distancia en kil´ometros, f es la frecuencia en herz y c es la velocidad de la luz (3x108 m/s). Cuando la frecuencia se muestra en M Hz y la distancia en Km, se obtiene una ecuaci´on como la que se muestra en 7.3 y en 5.16: PP = L0 = 20log(dKm ) + 20log(fM Hz ) + 32, 5
(7.3)
Tambi´en se utiliza cuando la frecuencia se muestra en GHz y la distancia en Km, la ecuaci´on 7.3 muestra este caso: PP = 20log(dKm ) + 20log(fGHz ) + 92, 4
7.2.7.
(7.4)
Zona de Fresnel
Lo ideal es que la primera zona de Fresnel no est´e obstruida, aunque normalmente es suficiente con despejar s´olo el 60 % del radio de la primera zona de Fresnel para tener un enlace satisfactorio. En condiciones cr´ıticas se deber´a hacer el c´alculo para situaciones an´omalas de propagaci´on, en las cuales las ondas de radio se curvan hacia arriba y por lo tanto se requiere altura adicional en las torres. Para grandes distancia hay que tomar en cuenta tambi´en la curvatura terrestre.
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
78
Figura 7.5: Zona de Fresnel. La primera zona de Fresnel se calcula de la siguiente manera: r = 17, 32
d1 ∗ d2 d∗f
(7.5)
Donde d1 corresponde a la distancia al obst´aculo desde el transmisor en Km, d2 corresponde a la distancia entre el obst´aculo y el receptor en Km, d es la distancia entre transmisor y receptor en Km, la frecuencia f en GHz y r es el radio en m. Si el obst´aculo est´a situado en el medio, osea d1 = d2 , la f´ormula se simplifica y resulta: r = 17, 32
d 4∗f
(7.6)
S´olo tomando el 60 % resulta: r60 % = 5, 2
7.2.8.
d f
(7.7)
Sensibilidad del receptor
Este par´ametro identifica el valor m´ınimo de potencia que se necesita para poder decodificar o extraer ”bits l´ogicos” y alcanzar cierta taza de bits. Cuanto m´as baja sea la sensibilidad, mejor ser´a la recepci´on del receptor. Un valor t´ıpico es −82 dBm en un enlace
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
79
de 11 M bps y de −94 dBm para uno de 1 M bps. Una diferencia de 10 dB en este par´ametro, es tan importante como 10 dB de ganancia que se podr´ıan obtener con el uso de amplificadores o mejores antenas. Un punto importante que hay que tener en cuenta es que la sensibilidad depende de la tasa de transmisi´on que se utilice.
7.2.9.
Margen y relaci´ on S/N
No basta s´olo con que la se˜ nal que llegue al receptor sea mayor que la sensibilidad de ´este, sino que adem´as es necesario que exista un cierto margen para garantizar el funcionamiento adecuado. La relaci´on entre el ruido y la se˜ nal que llega al receptor, se mide por la taza de se˜ nal a ruido (S/N) que se calcula como lo muestra la ecuaci´on 7.8. Un requerimiento t´ıpico de la S/N es de 16 dB para una conexi´on de 11 M bps y 4 dB para la velocidad m´as baja correspondiente a 1 M bps. P otencia de la se˜ nal [W ] Relaci´ on se˜ nal a ruido [dB] = 10 ∗ log10 P otencia del ruido [W ]
7.3.
(7.8)
C´ alculo con decibeles
Uno de los aspectos que puede sorprender es que en la ecuaci´on 7.1, que se realiza en el presupuesto de un enlace se suman unidades que a primera vista parecen diferentes que son los dBm, dB, dBi. La explicaci´on a esto viene del hecho de que el dB es una medida que resulta de la divisi´on de dos cantidades y es una cantidad adimensional. El dBm en cambio, es la potencia referida a 1 mW y por lo tanto es una medida absoluta. El dBi no es m´as que lo que se conoce como decibeles isotr´opicos, o sea, decibeles obtenidos para una antena en relaci´on a una antena isotr´opica.
7.3.1.
Conversiones
En los c´alculos de enlaces existen tres tipos de unidades logar´ıtmicas:
CAP´ITULO 7. RADIOENLACE
80
dB (decibel) Se usa para medir p´erdidas en los cables y conectores o ganancias de antenas y amplificadores. El decibel es una unidad relativa correspondiente al logaritmo decimal del cociente de dos valores de potencia y se obtiene como se ve en la ecuaci´on 7.9. dB = 10 ∗ log
P 2
P1
(7.9)
Los decibeles son positivos cuando se refieren a una ganancia, como la de una antena o un amplificador, y negativos cuando corresponden a una atenuaci´on como la de un cable. dBm (decibel referido a 1 mW ) El dBm es una unidad logar´ıtmica referida a la potencia de 1 mili Watt, la relaci´on se puede ver en la ecuaci´on 7.10. Por lo tanto mide potencia absoluta. Sera positivo cuando se refiere a valores superiores a 1 mW y negativo para valores inferiores a dicho valor, como los que corresponden a potencias recibidas. dBm = 10 ∗ log
P 1mW
(7.10)
dBi (decibel respecto a una antena isotr´ opica) Esta unidad se utiliza para calcular la potencia de una antena en comparaci´on a una antena isotr´opica, es decir aquella antena que irradia en todas direcciones con la misma intensidad. dBi = dB(relativo
a una antena isotr´ opica)
(7.11)
Cap´ıtulo 8 Linux Empotrado Linux es una incre´ıble pieza de software, se puede encontrar en muchos tipos de maquinas en estos d´ıas, lo m´as incre´ıble de todo es que este software actualmente es mantenido por miles de los mejores ingenieros y est´a disponible gratis, para todos. Linux no comenz´o como un sistema operativo empotrado, sino como un proyecto de un estudiante universitario que fue lo suficientemente listo como para hacer su trabajo disponible para todos. Linux es solo un Kernel, el cual por s´ı solo, no es muy u ´til. A causa de esto, los sistemas de Linux empotrados o cualquier sistema Linux usan software de muchos otros proyectos con el fin de proveer un sistema operativo completo. Linux esta casi completamente escrito en C y usa un set de herramientas GNU, como make; el Compilador GCC; programas que le brinden una interfaz al kernel y muchos otros. El hecho es que, este software puede ser utilizado para sistemas empotrados o puede ser modificado para que sea apropiado para su uso en ellos. El problema para sistemas empotrados radica en el hecho de que cuando se habla de una maquina de escritorio, por ejemplo, los recursos como memoria, procesador, espacio de almacenamiento o consumo de energ´ıa son recursos limitados, pero no tan limitados como en los dispositivos empotrados, en esta a´rea los recursos importan porque son ellos los que manejan el costo unitario de un dispositivo que podr´ıa ser producido en millones. La memoria extra por ejemplo, podr´ıa requerir bater´ıas adicionales, que a su vez agregan peso. Un procesador con un reloj de alta velocidad produce m´as calor y algunos ambientes tienen muy acotado la
81
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
82
cantidad de calor que pueden manejar y as´ı, esto produce la necesidad de poseer un ventilador. La mayor parte de los esfuerzos en sistemas empotrados, a´ un si estas ocupando Linux u otro sistema operativo, se encuentra en hacer lo m´aximo con los recursos limitados. Comparado con otros sistemas operativos empotrados, como VxWorks, Integrity y Symbian, Linux no es la opci´on m´as robusta, pero la gran diferencia entre los usos de un sistema operativo empotrado tradicional y Linux es la separaci´on entre el Kernel y las aplicaciones. Bajo Linux, las aplicaciones se ejecutan en un contexto de memoria completamente separado del Kernel. As´ı, no hay forma alguna en que una aplicaci´on acceda a la memoria o alg´ un recurso aparte que el Kernel le haya asignado. Este nivel de protecci´on de procesos significa que un programa defectuoso est´a aislado del Kernel y los otros programas, resultando en un sistema m´as seguro y saludable [24].
8.1.
Anatom´ıa de un Sistema Empotrado
Al momento de funcionar, un sistema de Linux empotrado contiene varios componentes software como: el Boot Loader, Kernel, El sistema de Archivos Ra´ız, Aplicaciones. Todos estos componentes se interrelacionan para crear un sistema en funcionamiento. Al momento de trabajar con un sistema de Linux empotrado, se requiere interactuar con todos ellos, a´ un si se est´a enfocando el desarrollo s´olo en una aplicaci´on.
8.1.1.
Boot Loader
Este se puede cargar con diferentes caracter´ısticas, pero su principal funci´on es iniciar el procesador y dejarlo listo para lanzar el sistema operativo. En las tarjetas m´as modernas el Kernel es almacenado en la memoria flash y el boot loader toma el contenido de esta memoria y lo copia en la memoria RAM, despu´es de esto ejecuta el programa escrito en el boot loader. El boot loader es bastante primitivo, s´olo se preocupa en sus instrucciones y no discrimina entro lo que podr´ıa estar cargando al sistema, podr´ıa ser un kernel de Linux u otro sistema operativo. Al boot loader no le importa.
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
8.1.2.
83
Kernel
El kernel de un sistema operativo es el coraz´on con el cual puede funcionar. Es el n´ ucleo del software que gestiona los recursos del ordenador: se comunica con los dispositivos y aplicaciones instalados, administra la memoria adecuadamente, reparte tiempo de procesamiento para todos los programas, se comunica con los dispositivos de almacenamiento para guardar los archivos, etc. El kernel de Linux fue el que creo Linus Torvalds
1
como proyecto para universidad. Es
un componente esencial para el sistema, posee una relaci´on simbi´otica con el software que se est´e ejecutando. Si el kernel no encuentra nada que ejecutar, se detiene, lo cual es malo. Es en esta parte donde entra en juego el sistema de archivos ra´ız.
8.1.3.
Sistema de Archivos Ra´ız
Un sistema de archivos se encarga de estructurar la informaci´on guardada en una unidad de almacenamiento, que luego ser´a representada ya sea en forma textual o gr´aficamente utilizando un gestor de archivos, la mayor´ıa de sistemas operativos manejan su propio sistema de archivos. Se refiere al modo de representar en forma jer´arquica los directorios del sistema, donde cada directorio a su vez contiene otros directorios o archivos cualquiera. Esta jerarqu´ıa tiene una estructura de a´rbol, donde los archivos son nodos hojas y los directorios son nodos internos. El nodo m´as alto de esta estructura es el root node, que en Linux es llamado el sistema de archivos ra´ız. La mayor´ıa de los sistemas Linux tienen varios sistemas de archivos montados, pero todos estos est´an en relaci´on con el Sistema Ra´ız. Durante el arranque el sistema de archivos ra´ız puede ser reemplazado por otro, ya que, solo uno puede ser montado a la vez. La falla en el montaje de este significar´ıa que el sistema no tendr´ıa nada que ejecutar, porque el sistema de archivos ra´ız es una especie de contenedor 1 Ingeniero de software Finland´es; es conocido por iniciar y mantener el desarrollo del ”kernel” (n´ ucleo) Linux, bas´ andose en el sistema operativo libre Minix creado por Andrew S. Tanenbaum y en algunas herramientas, los compiladores y un n´ umero de utilidades desarrollados por el proyecto GNU. Actualmente Torvalds es responsable de la coordinaci´ on del proyecto.
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
84
para los programas, si esto se produce, el kernel entra en p´anico y se detiene.
8.1.4.
Aplicaciones
Despu´es de cargar el kernel y este a su vez montar el sistema de archivos ra´ız, sigue el momento en que Linux comienza. Linux busca alg´ un programa para ejecutar por defecto, o el mismo usuario puede proporcionarle un nombre o algo que arrancar. Cuando este proceso se detiene, el kernel y el sistema completo detienen su funcionamiento. La aplicaci´on puede ser cualquier cosa que se ejecute en Linux: Shell Script, programas en C, Perl script, incluso aseembly escrito en C. Todas las librer´ıas compartidas y archivos de respaldo deben estar en el sistema de archivos ra´ız.
8.1.5.
Compilador Cruzado
El compilador cruzado es parte del ambiente de desarrollo y, en t´erminos m´as b´asicos, produce c´odigos que pueden ejecutarse en procesadores o sistemas operativos distintos al que en el compilador se est´e ejecutando. Por ejemplo, un compilador que est´e ejecut´andose en un host Linux x86 que produce un c´odigo que puede ejecutarse en un objetivo con tecnolog´ıa ARM9, es un compilador cruzado. Otro ejemplo es un compilador que est´e ejecut´andose en Windows que produzca c´odigos para ejecutarse en un host Linux x86. En ambos casos, el compilador no produce binarios que puedan ser ejecutados en la maquina en la cual fueron creados. En Linux, el compilador cruzado se refiere con frecuencia como un ”tool chain”, porque es un grupo de herramientas que trabajan juntas para producir un ejecutable: el compilador, el ensamblador y el ”linker”. El ensamblador es un tipo de programa que se encarga de traducir el fichero fuente escrito en un lenguaje, a un fichero objeto que contiene c´odigo maquina, ejecutable directamente por la m´aquina para la que se ha generado. El Linker es un programa que toma los ficheros de c´odigo objeto generado en los primeros pasos del proceso de compilaci´on, la informaci´on de todos los recursos necesarios (biblioteca), quita aquellos recursos que no necesita y enlaza el c´odigo objeto con lo que finalmente produce un fichero ejecutable o una biblioteca.
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
85
El compilador por defecto en Linux es el llamado GCC.
8.2.
Herramientas B´ asicas
El desarrollo en sistemas empotrados se puede realizar con una simple colecci´on de herramientas.
8.2.1.
The GNU Compiler Collection (GCC)
Este compilador al igual que el kernel fue dise˜ nado para ser portable, como todos los programas de c´odigo abierto, la fuente del GCC est´a disponible para poder crear un compilador propio. Parte del proceso de compilaci´on del GCC involucra la configuraci´on del proyecto, durante esto, el GCC puede producir diferentes c´odigos para los diferentes tipos de procesadores, para luego enviarlos al compilador cruzado. El compilador es s´olo un parte del tool chain, necesario para producir un c´odigo ejecutable. Tambi´en puede ser necesario el uso de un Linker, una librer´ıa C est´andar y un depurador. Estos est´an separados, pero relacionados. El GCC instalado en una m´aquina esta pre configurado para ocupar la librer´ıa est´andar de GNU, frecuentemente llamada glibc. La mayor´ıa de los proyectos empotrados usan una alternativa m´as peque˜ na llamada uClibc para desarrollo empotrado.
8.2.2.
Make
Make es el n´ ucleo de sustento del Open Source Software, funciona escaneando una lista de reglas y construyendo un gr´afico de dependencias. Cada regla contiene un objetivo que usualmente es un archivo y una lista de dependencias. Las dependencias pueden ser adem´as otro objetivo o el nombre de un archivo. Make escanea entonces el sistema de archivos para determinar que archivos est´an presentes y tambi´en decide que objetivos ejecutar y en qu´e orden para crear los archivos perdidos.
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
86
Make fue creado en 1977 y ha sido reescrito varias veces, el que est´a en uso por Linux actualmente se llama GNU Make. Usar make en sistemas empotrados no es muy diferente a ocuparlo en una m´aquina de escritorio. Una diferencia es que en un sistema empotrado necesitas determinar y comunicarle al make que invoque al compilador cruzado o que compile bajo emulaci´on.
8.2.3.
Librer´ıa C Est´ andar
La librer´ıa C est´andar, tambi´en conocida como libc es una recopilaci´on de ficheros cabecera y bibliotecas con rutinas, estandarizadas por el comit´e de la Organizaci´on Internacional Para la Estandarizaci´on (ISO), que implementan operaciones comunes, tales como las de entrada y salida o el manejo de cadenas. A diferencia de otros lenguajes como COBOL, FORTRAN, o PL/I, C no incluye palabras claves para estas tareas, por lo que pr´acticamente todo programa implementado en C se basa en la biblioteca est´andar para funcionar.
8.2.4.
GNU C Library (glibc)
Es la biblioteca est´andar de lenguaje C de GNU. Se distribuye bajo los t´erminos de la licencia GNU LGPL. En los sistemas en lo que se usa, esta librer´ıa de C es la que proporciona y define las llamadas al sistema y otras funciones b´asicas, es utilizada por casi todos los programas. Es muy usada en los sistemas GNU y sistemas basados en el n´ ucleo Linux. Es muy portable y soporta gran cantidad de plataformas de hardware. En los sistemas Linux se instala con el nombre de libc6.
8.2.5.
uClibc
El lenguaje C contiene alrededor de 30 palabras claves y las funcionalidades restantes est´an provistas por las librer´ıas est´andar. En el caso de Linux existen algunas peque˜ nas librer´ıas, donde la m´as com´ un es la uClibc. uClibc es muy peque˜ na, porque est´a escrita pensando en el tama˜ no, perdiendo algunas capacidades, pero la mayor´ıa de lo que fue removido no tiene efecto alguno en lo que se refiere
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
87
a sistemas empotrados.
8.2.6.
GNU debugger (GDB)
Es el depurador m´as com´ unmente ocupado en Linux. Aunque por lo general se incluye en el too chain, es un proyecto separado. El GDB puede depurar c´odigo que se est´e ejecutando en un procesador diferente a en el que ´el se est´e ejecutando. Esto adhiere otra complicaci´on, rara vez la m´aquina que ejecuta el depurador es la que contiene el c´odigo por depurar. Al hacerlo de esta manera lo llamamos depuraci´on remota y se lleva a cabo por medio de un programa de comunicaci´on con c´odigo auxiliar, que no es m´as que un pedazo de c´odigo usado para mantener la funcionalidad de otros programas. El stub program (programa de c´odigo auxiliar), en este caso es el gdbserver y se puede comunicar por serial o TCP.
8.2.7.
BusyBox
BusyBox es un programa que combina muchas utilidades est´andares de Unix en un solo ejecutable peque˜ no. Es capaz de proveer la mayor´ıa de las utilidades que est´an especificadas en los sistemas Unix, adem´as de muchas de las utilidades que se esperan ver en los sistemas GNU/Linux. Proporciona a muchos de los programas un normal funcionamiento en Linux. La implementaci´on de los programas est´a dise˜ nada para que sean peque˜ nos en tama˜ no y en memoria a ocupar. BusyBox es altamente configurable, con varias variables para poder manipular y as´ı, poder reducir la cantidad de espacio requerido, por ejemplo, se pueden dejar todos los comandos de ayuda fuera del programa para liberar espacio. Por el concepto de binario multillamada, busybox esta compilado como un u ´nico programa. El sistema de archivos ra´ız est´a poblado de symlinks (enlaces simb´olicos) al ejecutable del busybox. Busybox es la llave de entrada a la mayor´ıa de los sistemas empotrados. Es frecuentemente usado en conjunto con la uClibc.
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
8.2.8.
88
Automake/Autoconf
Los softwares open source est´an dise˜ nados para ser distribuidos por medio de c´odigo de fuente y por eso puede ser compilado en la plataforma objetivo. Si la m´aquina objetivo tiene alguna librer´ıa que no es compatible con el c´odigo en que fue escrita la fuente y no se puede compilar, entonces, el software no se ejecutar´a. Para estar seguros de que el software pueda ser compilado en varios sistemas, los desarrolladores crearon el proyecto Automake y Autoconf. Automake es una herramienta de programaci´on que produce programas makefiles portables para el uso del make usado en la compilaci´on de software. Autoconf es una herramienta inform´atica para crear Shell Scripts que configuren autom´aticamente el c´odigo fuente de un software para adaptarlo a diversos sistemas tipo UNIX. Los scripts creados por el Autoconf son independientes de ´el cuando se ejecutan en el sistema en el que se quieren usar. Los proyectos que utilizan estas herramientas pueden ser compilados en una amplia gama de sistemas con mucho menos esfuerzo por parte del desarrollador del software.
8.2.9.
Sistema de Empaquetado
Cuando Linux se volvi´o m´as com´ un, distintas distribuciones fueron creadas. Una distribuci´on es un Kernel y un grupo de programas para el sistema de archivos ra´ız, por ejemplo una librer´ıa C. Las distribuciones a˜ naden otra capa al concepto de packages, un paquete es la parte superior de un proyecto de c´odigo abierto, contiene informaci´on acerca de c´omo compilar el software que contiene para producir un paquete binario. El package contiene adem´as informaci´on de la versi´on de la librer´ıa C que necesita y a veces, tiene la capacidad de crear scripts arbitrarios para instalar correctamente un paquete. Las distribuciones t´ıpicamente est´an construidas de conjuntos de paquetes instalados en el sistema. Si se instalan paquetes adicionales, deben ser del mismo tipo utilizado en la distribuci´on, a´ un as´ı, tambi´en se pueden cumplir las dependencias con otros paquetes. Algunos sistemas de empaquetados disponibles son: ”RPM” (Red Hat Package Manager)
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
89
y ”deb” (debian y luego ubuntu)
8.3.
Configuraci´ on del Ambiente Linux
Estar listos para un proyecto en Linux empotrado es muy sencillo, s´olo se necesitan recolectar las herramientas e instalar los componentes de software necesarios, los cuales no est´an usualmente en el Linux com´ un y corriente. Parte de la preparaci´on involucra tener los cables correctos y a la vez entender lo que por estos cables entrar´a o saldr´a. El tiempo que se ocupe configurando este aspecto del desarrollo de forma correcta es una excelente inversi´on. Aun si el equipo consta s´olo de una persona, tomarse el tiempo para documentar como se configura el sistema es importante. El ambiente que se desarrolla es usado para los siguientes objetivos:
8.3.1.
Arrancar la tarjeta
Las tarjetas de desarrollo empotradas necesitan algunos servicios especiales para poder arrancar. Cuando est´a encendida y funcionando, si la tarjeta contiene un puerto Ethernet se puede comunicar mediante telnet o SSH. Durante el ciclo de desarrollo, se recomienda que la consola serial est´e activada como respaldo de comunicaci´on, en el caso en que la tarjeta no se pueda comunicar a trav´es de la red.
8.3.2.
Configurar y construir el kernel de Linux
La mayor´ıa de las tarjetas, a´ un las m´as potentes, no pueden ser utilizadas para compilar el kernel. La memoria y/o el procesador no tienen la capacidad adecuada para esto. Un Host para el desarrollo se ocupa para configurar y compilar el kernel y dejarlo listo para el uso de esta en la tarjeta.
CAP´ITULO 8. LINUX EMPOTRADO
8.3.3.
90
Configurar y construir el sistema de archivos ra´ız
El sistema de archivos ra´ız contiene los programas necesarios que el kernel necesita para poder trabajar de forma correcta la aplicaci´on para el dispositivo. Sin este sistema de archivos el kernel podr´ıa entrar en un estado de incertidumbre y detenerse. En algunos casos el sistema de archivos ra´ız reside en el host de desarrollo y es accedido por la tarjeta mediante red. Compilar y depurar aplicaciones propias: a causa de que las tarjetas no pueden ser utilizadas para compilar el kernel y aplicaciones, el host de desarrollo es usado para compilar programas. Esto requiere algunos pasos adicionales de configuraci´on. A causa de que el c´odigo se genera por un compilador cruzado, este c´odigo s´olo puede ser ejecutado por el dispositivo final, esto da como resultado un mayor grado de libertad al momento de seleccionar el ambiente de desarrollo. Muchos de los desarrolladores ocupan Linux para su trabajo, pero esto no es un requerimiento. Se puede utilizar una m´aquina Apple ejecutando OSX o Linux, o inclusive se puede ocupar una m´aquina que ejecute Windows.
8.4.
Iniciando el Proyecto Empotrado
Los proyectos empotrados comienzan con la selecci´on del hardware. Bas´andose en los requerimientos del proyecto, como el costo, la vida de la bater´ıa, comunicaci´on, interfaz de usuario, unos pocos procesadores y tecnolog´ıas se vuelven obvias opciones. Por ejemplo, con frecuencia, los dispositivos de bajo consumo usan procesadores ARM, y las aplicaciones de control industrial frecuentemente usan partes Intel x86. La selecci´on del hardware no se debe realizar en forma arbitraria, es de vital importancia que en esta parte el dise˜ nador considere los dispositivos perif´ericos que podr´ıa necesitar y la disponibilidad de controladores para ´estos.
Cap´ıtulo 9 Tarjeta empotrada La APF27 es una tarjeta peque˜ na y de bajo consumo basada en un procesador Freescale i.MX27 fabricada por Armadeus Systems1 . Esta tarjeta proporciona un gran rango de caracter´ısticas convirti´endola en una opci´on ideal para desarrollar aplicaciones m´oviles e industriales, como sistemas de comunicaci´on, control y multimedia [25]. Adem´as de su gran cantidad de perif´ericos posibles, la APF27 est´a equipada con una FPGA Spartan 3A, que se encuentra directamente conectada con el bus del procesador. El sistema est´a provisto de algunos paquetes de software espec´ıficamente adaptados para la Armadeus para reducir el tiempo de desarrollo.
9.1.
Descripci´ on del hardware.
La descripci´on del hardware se puede ver en la figura 9.1.
9.1.1.
Consumo de energ´ıa.
Existen dos modos de consumo identificados: Modo Dormido: El procesador se detiene y los datos de la memoria RAM no se pierden. El procesador dejar´a este modo hasta que ocurra una interrupci´on externa. En menos de un segundo Linux es despertado, dependiendo de la aplicaci´on. 1
http://www.armadeus.com/english/index.html
91
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
92
Figura 9.1: Diagrama descripci´on del Hardware de la APF27. Modo de operaci´on: El reloj del procesador funciona a 400 MHz con un bus operando a 133 MHz. Las mediciones se realizaron bajo U-Boot. Configuraci´on: Modo dormido Power(mW) APF27 b´asica(iMX27, 256Mo NAND, 64Mo DDR, fuente de poder) 3, 3 Ethernet PHY 5, 53 USB PHY 0, 28 FPGA(Spartan 3A 200K) 0, 52 Configuraci´on: Modo de operaci´ on(U-boot) APF27 con 64Mo DDR, sin FPGA, Ethernet PHY en modo dormido, USB PHY en operaci´on 260 Cuadro 9.1: Consumo de la APF27 en sus dos modos de operaci´on.
9.1.2.
Procesador para aplicaciones multimedia i.MX27
El i.MX27 es el procesador bajo el cual funciona la tarjeta APF27, tal y como se ve en la figura 9.1. El i.MX27 est´a basado en un n´ ucleo conformado por el microprocesador ARM926EJ-S. Este procesador provee caracter´ısticas de bajo consumo que se requieren en dispositivos digitales modernos como: tel´efonos celulares.
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
93
reproductores y consolas de juegos port´atiles. asistentes personales digitales (PDAs). reproductores DVD port´atiles. cam´aras digitales
Figura 9.2: Diagrama descripci´on del procesador Freescale i.MX27. El n´ ucleo de la i.MX27 opera a una velocidad de 400 MHz y se encuentra optimizado para uso con bajo consumo utilizando las m´as avanzadas t´ecnicas para economizar energ´ıa
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
94
(por ejemplo, sincronizaci´on de consumo y sincronizaci´on de reloj). El rendimiento de los procesadores i.MX27 se encuentra impulsado por un sistema de cache on-chip y la capacidad de soportar una gran cantidad de distintos perif´ericos. Ademas, admite conexiones con diversos tipos de memorias externas tales como DDR a 226 MHz, flash NAND, flash NOR, SDRAM y SRAM, de las cuales la APF27 consta con DDR y flash. Este procesador puede ser conectado con una variedad de dispositivos externos, como la USBOTG 2.0 de gran velocidad, ATA (Advanced Technology Attachment), MMC/SDIO (Multimedia/Secure Data) y Compact Flash [26].
9.1.3.
Sistema de proceso ARM926EJ-S
El sistema de proceso para ARM926EJ-S es un microprocesador de prop´osito general usado t´ıpicamente para las siguientes aplicaciones: Comunicaciones port´atiles C´omputo port´atil Multimedia Soluciones empotradas Este sistema de proceso es considerado como el procesador primario en una gran cantidad de sistemas AMBA2 . Debido a que este sistema se utiliza como el principal control de protocolos de comunicaci´on para una gran cantidad de sistemas, se le incluye un controlador Ethernet 10/100. Adicionalmente bloques IP como una interface USB y una interface PCI que pueden ser incluidas usando un puerto de expansi´on [27]. El sistema de proceso incluye el microprocesador ARM926EJ-S y los sistemas perif´ericos com´ unmente requeridos como timers, UARTs, un controlador de interrupciones, un controlador Ethernet y controladores para memorias SRAM, flash y ROM. 2
Arquitectura avanzada de bus para microcontroladores (Advanced Microcontroller Bus Architecture) es una especificaci´ on introducida en 1996 y que se usa ampliamente como como bus on-chip para procesadores de ARM.
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
9.1.4.
95
Memoria.
La APF27 contiene memorias del tipo: NAND FLASH de 16 bits, 256 a 512 Mbytes. Aqu´ı es donde se almacena Linux, el sistema de archivos ra´ız, la firmware de la FPGA y el Boot Loader. DDR SDRAM de 32 bits, 32 a 256 Mbytes (En uno o dos bancos), frecuencia hasta 266 MHz. Esta memoria se utiliza para que el sistema operativo pueda funcionar. EEPROM de tipo 24AA02, alimentada con 2.5 V y con direcci´on I2C 1010xxx. Se utiliza para almacenar informaci´on del sistema como la direcci´on MAC.
9.1.5.
Perif´ ericos.
A continuaci´on se muestran algunos de los perif´ericos disponibles en la tarjeta APF27 [25]. Timers de prop´ osito general El dispositivo i.MX27 contiene seis timers de prop´osito general (GPT) id´enticos con preescalas, comparaciones y captura de registros programables. Cada contador de valores del timer puede ser capturado usando un evento externo y puede ser configurado con un trigger que capture un evento o el comienzo o final de un pulso de entrada. Cada GPT incluso puede generar una interrupci´on cuando el timer alcanza un valor programado. Cada GTP tiene una pre-escala de 11-bit proporcionado por un reloj de frecuencia programable derivado de m´ ultiples relojes. PWMo El modulador por ancho de pulso (PWM) tiene un contador de 16-bit, esta optimizado para generar sonidos desde una imagen se audios de prueba almacenada y adem´as puede generar tonos. Se usa una resoluci´on de 16-bit y un dato FIFO 4x16 para generar sonido.
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
96
RTC El m´odulo de reloj en tiempo real (Real Time Clock), comprende las siguientes caracter´ısticas: Reloj completo: d´ıas, horas, minutos, segundos. Timer de cuenta regresiva de minutos con interrupciones. Alarma diaria programable con interrupciones. Interrupciones de una por d´ıa, una por hora, una por minuto, una por segundo. Operaci´on a 32.768 KHz o 23 KHz, o 38.4 KHz (determinado por el reloj de cristal de referencia). OWIRE. R es un dispositivo perif´erico que se comunica con el n´ ucleo ARM926EJEl m´odulo 1−W ire
S por medio de una interfaz IP y proporciona una l´ınea de comunicaci´on a una memoria de s´olo escritura de 1 Kbit (DS2502). El DS2502 es una EPROM 1-Wire de 1 Kbit. La interfaz 1-Wire puede enviar y recibir un bit a la vez con la DS2502 (no incluido en APF27). SD1 y SD2 La MultiMediaCard (MMC) es una fuente de almacenamientos de datos de bajo costo y medio de comunicaci´on que est´a dise˜ nado para cubrir una amplia a´rea de aplicaciones, como juguetes electr´onicos, organizadores, PDA’s, y tel´efonos inteligentes. La comunicaci´on MMC est´a basada en un bus serial avanzado de 7-pins dise˜ nado para operar en rangos de voltaje bajos. La Secure Digital Card (SD), es una evoluci´on de la tecnolog´ıa MMC, con dos pines adicionales. Est´a especialmente dise˜ nado para satisfacer los requerimientos en seguridad, capacidad, rendimiento y requerimientos de ambiente inherentes a los nuevos dispositivos de audio y v´ıdeo emergentes. La forma f´ısica, la asignaci´on de pines y el protocolo de transferencia son compatibles con la MultiMediaCard. Bajo el protocolo SD, esta puede ser categorizada
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
97
como una tarjeta de memoria, tarjeta I/O y tarjetas combo (tiene la funcionalidad de las dos anteriores). La tarjeta de memoria invoca el mecanismo de protecci´on de derechos de autor que cumple con el est´andar de seguridad de la norma SDMI, es r´apida y posee una gran capacidad de almacenaje. Las tarjetas I/O proporcionan una gran capacidad de datos I/O con un bajo consumo de energ´ıa para dispositivos electr´onicos m´oviles. SSI1, SSI2 y SSI3 El SSI es un puerto serial full-duplex que permite al iMX27 comunicarse con una variedad de dispositivos seriales. Dichos dispositivos pueden ser CODer-DECoder est´andar (CODEC), procesador de se˜ nal digital (DSPs), microprocesadores, perif´ericos y CODECs que implementen el bus de sonido inter-IC (I2S) y el est´andar Intel AC97. SSI es t´ıpicamente usado para transferir muestras de manera peri´odica. El SSI consiste en un transmisor y receptor independientes con independiente generaci´on de reloj y sincronizaci´on. SPI1, SPI2 y SPI3 El procesador iMX27 contiene tres m´odulos de interfaz serial perif´erica configurables (CSPI) que permiten una r´apida comunicaci´on de datos con menos interrupciones de software que la comunicaci´on serial normal. Cada CSPI est´a equipada con dos memorias FIFO y es configurable entre maestro y esclavo, permitiendo al iMX27 interactuar con ambos SPI externos. UART1,2,3,4,5,6 El m´odulo de receptor/transmisor as´ıncrono universal (UART) es capaz de utilizar el formato de codificaci´on est´andar RS-232 sin retorno a cero (NRZ) y el IrDA compatible con infrarrojo. La UART provee la comunicaci´on serial con dispositivos externos a trav´es de un cable RS-232 o a trav´es de circuiter´ıa externa que convierta se˜ nales infrarrojas a el´ectricas para recepci´on o viceversa para transmisi´on.
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
98
RS232 Las interfaces RS232 (1 y 3) son salidas compatibles con RS232 y est´an compuestas por se˜ nales RX y TX. CTS y RTS est´an disponibles como entradas y salidas est´andar CMOS. Los transceptores en la tarjeta pueden operar a una velocidad de 460 KBaudios y se encuentra completamente protegido contra ESD3 . Ethernet MAC El controlador de ethernet r´apido (FEC) est´a dise˜ nado para apoyar tanto para redes a 10 y 100 Mbps Ethernet/IEEE 802.3. Una interfaz de transceptor externo y la funci´on de transmisor-receptor son necesarios para completar la interfaz a los medios de comunicaci´on. La FEC apoya el MII4 10/100 Mbps y 10 Mbps de la interfaz de s´olo 7-Pins, que utiliza un subconjunto de los pines MII para la conexi´on a un receptor externo de Ethernet. Ethernet PHY Para poder proporcionar una interfaz Ethernet lista para utilizar, un Ethernet PHY es conectado a la Ethernet MAC. El PHY est´a completamente protegido contra ESD y tiene integrado un auto-MDX que permite usar todos los tipos de cables Ethernet. Los pares diferenciales Ethernet (RXN/RXP, TXN/TXP) tienen que estar conectado al jack modular equipado con un transformador de aislamiento. USB OTG , USB HOST
1,2
El m´odulo USB proporciona una gran rendimiento en la funcionalidad del USB On-TheGo5 (OTG) a la vez de complacer con las especificaciones del USB 2.0. El m´odulo consiste en 3 n´ ucleos USB independientes, cada uno controlando 1 puerto USB. Adicionalmente a los n´ ucleos USB, el m´odulo est´a provisto por un transceptor TLL (Transceiver-less Link) que 3
Descarga electrost´ atica Media Independent Interfaz (MII), se utiliza para conectar el Media Acces Control (MAC) con el dispositivo f´ısico ethernet (PHY). 5 USB-On-The-Go (sobre la marcha) permite a un puerto actuar como servidor o como dispositivo - esto se determina por qu´e lado del cable est´a conectado al aparato. Incluso despu´es de que el cable est´ a conectado y las unidades se est´an comunicando, las 2 unidades pueden ”cambiar de papel” bajo el control de un programa. 4
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
99
opera en el puerto host 1 y 2 y permite el enrutamiento de la interfaz del transceptor OTG hacia el host 1 como si este transceptor pudiera ser usado para comunicar con un perif´erico USB conectado al puerto host 1. USB OTG PHY El USB OTG PHY en la tarjeta es un transceptor que est´a completamente bajo el control ´ de las especificaciones de USB 2.0. Este puede transmitir y recibir datos USB a alta velocidad (480 Mbit/s), full velocidad (12 Mbit/s) y baja velocidad (1.5 Mbit/s).
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
9.2.
100
Descripci´ on del software
A continuaci´on se explicar´a c´omo funciona el software con el cual opera la tarjeta APF27. El sistema se divide en el U-Boot versi´on 1.3.4 (v´ease 8.1.1), un Kernel de Linux versi´on 2.6.27 (v´ease 8.1.2), un sistema de archivos ra´ız (v´ease 8.1.3) y si es necesario el firmware de la FPGA. Tambi´en se ocupan otras herramientas como: GCC versi´on 4.2.1 (v´ease 8.2.1), BusyBox versi´on 1.12.1 (v´ease 8.2.7), adem´as de la versi´on m´as reciente de Buildroot.
9.2.1.
U-Boot
U-boot6 es un gestor de arranque multiplataforma muy utilizado ubicado en la memoria Flash, f´acilmente configurable y con una gran cantidad de funciones. Entre sus m´ ultiples posibilidades, est´an las de particionar la memoria flash del dispositivo en el que se encuentre corriendo, asignar nombre a dichas particiones, cargar im´agenes en RAM desde distintas fuentes, volcarlas a flash, etc.
9.2.2.
Builroot
Para entender el concepto del software que se utiliza en la tarjeta empotrada APF27 de Armadeus Systems primero es necesario conocer el Builtroot7 . Builtroot es un conjunto de makefiles y parches que permiten generar en la maquina ”host” (generalmente un procesador x86) de forma sencilla una cadena de herramientas de compilaci´on cruzada para la maquina objetivo (puede ser del tipo de procesador PowerPC, MIPS o ARM). La cadena de herramientas (toolchain) creada por Buildroot consiste en un sistema de archivos ra´ız y una imagen del n´ ucleo Linux del destino. Esta herramienta es ideal para trabajo con sistemas embebidos. El uso de builroot en ´este caso se basa en la estrategia de no introducir cambios en las fuentes iniciales. Esto quiere decir que por cada paquete/software, se puede encontrar un ”directorio fuente” en el cual existe al menos un makefile y un ”directorio de construcci´on” 6 7
http://www.denx.de/wiki/U-Boot http://buildroot.uclibc.org/buildroot.html
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
101
donde se copiar´an y compilar´an los archivos correspondientes. Durante el desarrollo, las modificaciones necesarias deben realizarse en el directorio de construcci´on de manera de poder as´ı modificar el directorio fuente.
9.2.3.
APF27 Linux Kernel
La u ´ltima distribuci´on Linux es la denominada Armadeus-3.38 y la versi´on Linux soportada por esta distribuci´on es la 2.6.27.
9.2.4.
M´ odulos APF27
A continuaci´on, en la tabla 9.2 se muestra una lista de los m´odulos m´as importantes disponibles en la APF27 y su estado de desarrollo actual. Controlador NAND Flash PCMCIA 1-Wire ATA SPI I2C MMC/SD/SDIO UART Ethernet USB OTG USB HOST 1 USB HOST 2 PWM RTC CSI SSI (Audio)
Compila Funciona Est´ atico M´ odulo OK ND OK ND ND ND NP NP NP ND ND ND ND OK OK ND OK OK ND OK OK OK ND OK OK ND OK ND OK OK ND OK OK ND NP NP OK OK OK NP NP NP ND NP NP ND OK OK
Cuadro 9.2: Disponibilidad de los m´odulos en la APF27 (ND: No Disponible; NP: No Probado).
8
http://sourceforge.net/projects/armadeus/files/armadeus/
CAP´ITULO 9. TARJETA EMPOTRADA
9.2.5.
102
AsDevices
AsDevices es una librer´ıa espec´ıfica para Armadeus que simplifica el uso de dispositivos del tipo Armadeus. Esta librer´ıa est´a escrita en los lenguajes C, C++, Python, LUA. El n´ ucleo es escrito en C y el soporte en otros lenguajes se encuentran en desarrollo. Esta librer´ıa se encuentra disponible en el men´ u de Buildroot y contiene diferentes funciones para acceder a dispositivos en el bus I2C, SPI, GPIO, ADC (MAX1027), DAC (MAX5821) y PWM que no tengan controladores disponibles en Linux.
Cap´ıtulo 10 Dise˜ no del sistema En ´este cap´ıtulo se desarrollar´a el dise˜ no de cada una de las partes necesarias para lograr la adquisici´on de datos.
10.1.
Estudio del terreno
Uno de los primeros pasos a seguir para llevar a cabo este proyecto es el estudio de la geograf´ıa del lugar en el cual se quiere desarrollar este sistema de comunicaci´on. En este caso como ya se ha mencionado, el lugar corresponde al glaciar Pichillancahue y sus alrededores. El estudio del terreno se realiza para evaluar las posibles ventajas y sobre todo, las posibles desventajas que nos proporciona el lugar. Muchas variables propias de la zona no pueden ser controladas y por esta raz´on, el sistema debe adaptarse al lugar.
10.1.1.
Ubicaci´ on del Glaciar
El Glaciar Pichillancahue-Turbio se encuentra cubriendo al volc´an Villarrica como se ve en la figura 10.1, en la novena regi´on de Chile. Para poder llegar a este glaciar es necesario primeramente desplazarse hacia la ciudad de Puc´on a orillas del lago Villarrica. Saliendo desde Puc´on en direcci´on al camino internacional o ruta 199, se debe llegar hasta el cruce llamado de Palgu´ın, aproximadamente a 20 Km desde Puc´on, luego de esto se debe doblar hacia el sur y seguir rumbo a las termas de Palgu´ın, luego de unos 30 Km 103
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
104
Figura 10.1: Ubicaci´on del Glaciar Pichillancahue. desde el cruce se llega al recinto Termas de Palgu´ın, pero se debe entrar al recinto, en vez de ´esto se debe continuar en direcci´on a Co˜ naripe, 5 Km despu´es se encuentra el port´on que da la bienvenida al parque nacional Villarrica, un poco m´as adelante se encuentra la guarder´ıa de CONAF. Desde este punto en adelante es necesario contar con un veh´ıculo de doble tracci´on ya que el camino se vuelve dif´ıcil, primero hay un tramo plano lleno de ra´ıces y piedras de gran tama˜ no, para luego subir por un agrietado camino que no se recomienda subir innecesariamente. Una vez que se llega al comienzo del sendero, este comienza a subir suavemente por un bosque de Araucarias, Coig¨ ues y Lengas, para que luego de unos 20 minutos se alcanza el l´ımite del bosque desde donde despu´es de unos 30 minutos se puede llegar a la parte frontal del glaciar.
10.1.2.
Disposici´ on Preliminar del Sistema.
Las ubicaciones de los dispositivos que se utilizan para el estudio del glaciar Pichillancahue que se ha ocupado anteriormente para la estaci´on meteorol´ogica autom´atica (39o 25 58,33214
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
105
S, 71o 54 15,84001 O) y para la c´amara fotogr´afica autom´atica (39o 27 3,60012 S, 71o 53 8,01601 O), se pueden ver en la figura 10.2, que corresponde a los puntos donde cada uno de estos dispositivos funcionaba y que son de muy dif´ıcil acceso para la continua recolecci´on de datos que se realiza in situ.
Figura 10.2: Ubicaci´on de los dispositivos en la zona del glaciar.
10.1.3.
Disposici´ on definitiva del sistema.
Despu´es de realizar estudios de conectividad en la zona, se pudo apreciar que en ninguno de los lugares asignados para la adquisici´on de informaci´on se logra alg´ un tipo de visi´on con alg´ un otro punto en el cual se puedan descargar los datos. La ubicaci´on de la c´amara fotogr´afica que se puede ver en la imagen 10.3, a pesar de ser un lugar alto, no est´a al alcance de ninguna urbe cercana y la fotograf´ıa que se debe obtener desde ah´ı es de un tama˜ no considerable para el tipo de transmisi´on a utilizar. Para la estaci´on meteorol´ogica ocurre la misma situaci´on, el lugar se encuentra rodeado de una gran zona monta˜ nosa que no permite la entrada ni salida de alg´ un tipo de se˜ nal. La conclusi´on de esta situaci´on deriva en la necesidad de una estaci´on de repetici´on. La estaci´on repetidora propuesta podr´ıa ser ubicada en las coordenadas 39o 25 35, 2 S, 71o 52 30 O, este punto se puede apreciar en la figura 10.3. Este lugar es propicio para la estaci´on
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
106
Figura 10.3: Ubicaci´on propuesta para estaci´on repetidora. repetidora en base a estar ubicado en un lugar alto en la caldera que rodea al volc´an y tener a su vez l´ınea vista con los dos puntos de adquisici´on de datos y con una localidad cercana. Finalmente y por asuntos pr´acticos se decide mover la c´amara fotogr´afica al mismo lugar de la estaci´on repetidora y as´ı reducir el sistema en un nodo. Para fines cient´ıficos el cambio de la posici´on de la c´amara fotogr´afica no involucra cambios significativos en el estudio.
Figura 10.4: Ubicaci´on final de los componentes del sistema. As´ı, el sistema definitivo consta de dos nodos como lo muestra la figura 10.4, el primero, la estaci´on meteorol´ogica autom´atica ubicada sobre el glaciar en la l´ınea aproximada de
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
107
2000 metros sobre el nivel del mar y el segundo, la estaci´on repetidora sumada a la c´amara fotogr´afica que se encuentra en una parte alta sobre la caldera que rodea al glaciar.
10.1.4.
Topograf´ıa
Una vez definida las posiciones para los dispositivos del sistema es necesario realizar un estudio del relieve de la zona entre los puntos que se quieren conectar. El primer tramo de conexi´on corresponde al espacio entre la estaci´on meteorol´ogica y la estaci´on repetidora, esta porci´on del espacio se puede ver en la figura 10.5, de la cual se puede concluir que existe l´ınea de vista entre las dos estaciones y que se encuentran separadas por una distancia aproximada de 3 Km la una de la otra.
Figura 10.5: Perfil Topogr´afico entre el posici´on de estaci´on meteorol´ogica y la posici´on de la estaci´ on de repetici´on obtenido desde software GobalMapper utilizando un mapa de elevaci´on digital STRM.
La segunda parte de la conexi´on se puede ver en la figura 10.6, la cual corresponde al tramo entre la estaci´on de repetici´on ubicada sobre la caldera alrededor del glaciar y la antena de telefon´ıa de la empresa ENTEL ubicada en la localidad de Caburga (30o 39 11 S, 71o 49 14 O) a orillas del lago con el mismo nombre [28]. En la figura 10.6 se puede ver que la distancia en l´ınea recta entre estos dos puntos es de aproximadamente 25 Km y que no existen obst´aculos. Del an´alisis del terreno para el sistema se llega a la conclusi´on de que lo m´as apropiado para la conexi´on entre la AWS y la estaci´on de repetici´on es el uso de la tecnolog´ıa WiFi,
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108
Figura 10.6: Perfil Topogr´afico entre la posici´on de la estaci´on de repetici´on y la localidad de Caburga.
transformando a la estaci´on meteorol´ogica en parte de una red local, se realiza esta elecci´on pensando en las futuras aplicaciones que se le puede dar a su implementaci´on. Con respecto a la segunda parte de la conexi´on, las pruebas en terreno demuestran que es posible conectarse a Internet en el lugar de la estaci´on repetidora por medio de la red telef´onica de la localidad de Caburga con ayuda de antenas direccionales y m´odems adecuados. La opci´on de comunicaci´on por medio de tecnolog´ıa satelital se descarta por los tama˜ nos de informaci´on que se requieren enviar al incluir una imagen fotogr´afica en comparaci´on a la velocidad que brinda esta tecnolog´ıa. Un ejemplo de comunicaci´on por medio de sat´elite puede realizarse tomando el sistema Iridium, el cual proporciona una velocidad de hasta 10 Kbps en el mejor de los casos, con un costo de d´olar y medio por minuto de conexi´on. Para enviar 4 Mb de informaci´on que es aproximadamente lo que se necesita para una imagen fotogr´afica de gran resoluci´on se necesitan 53 minutos de sat´elite con un costo de 80 d´olares. Otros sistemas satelitales como por ejemplo GOES permiten velocidades de 100, 300 y 1200 bps, que es muy inferior a Iridium, adem´as GOES no est´a disponible durante todo el d´ıa.
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10.2.
109
Presupuesto de radioenlace.
Una vez que los lugares para los dispositivos est´an definidos, se han estudiados los perfiles topogr´aficos entre ellos y se ha seleccionado el tipo de tecnolog´ıa a utilizar en cada caso, se debe realizar el presupuesto de enlace tal como se explica en un cap´ıtulo anterior, para verificar que los enlaces propuestos son posibles en la teor´ıa, antes de llevarlos a la pr´actica. En la siguiente secci´on se realizar´an los c´alculos te´oricos de los dos enlaces definidos para el sistema de comunicaci´on.
10.2.1.
Estaci´ on meteorol´ ogica - Estaci´ on repetidora
El primer radioenlace corresponde a la distancia de aproximadamente 3 Km que separa la estaci´on meteorol´ogica ubicada sobre el glaciar y la estaci´on de repetici´on que se encuentra en una parte alta alrededor del volc´an (fig. 10.5). Esta conexi´on se realizar´a con tecnolog´ıa WiFi y la ayuda de antenas de tipo patch que puede verse en la figura 10.7, con caracter´ısticas direccionales y una ganancia de 14 dBi para la frecuencia de 2400 M Hz.
Figura 10.7: Antena de tipo patch marca TP-LINK modelo 2414A con ganancia de 14 dBi. El transmisor seleccionado corresponde a un Access Point de marca TP-LINK en modo cliente y el receptor a un router de la marca D-Link. Las caracter´ısticas importantes de estos dispositivos para el c´alculo del radioenlace son la potencia de salida que posee el transmisor(fig. 10.8), correspondiente a 15 dBm o 32 mW y la sensibilidad de el receptor(fig 10.9) de −89 dBm [29][30]. Se comienza con el calculo de las p´erdidas por propagaci´on en el espacio libre, donde la
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110
Figura 10.8: Access Point marca TP-Link con potencia de salida de 32 mW.
Figura 10.9: Router marca D-LINK modelo DI-542 con sensibilidad de -89 dBm. distancia dKm = 3 y la frecuencia fM Hz = 2400: PP = 20log(dKm ) + 20log(fM Hz ) + 32, 5 = 20log(3) + 20log(2400) + 32, 5 = 9, 54 + 67, 6 + 32, 5 = 109, 64 [dB]
(10.1)
Luego: Sr = Gse − Pce − Pae + Gae − PP + Gar − Pcr − Par = 15 [dBm] − 0, 5 [dB] − 1 [dB] + 14[dBi] − 109, 64 [dB] + 14 [dBi] − 0, 5 [dB] − 1 [dB] = −69, 64 [dB]
(10.2)
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111
De la ecuaci´on 10.2 se obtiene un valor para el nivel de se˜ nal que llega al receptor de −69, 64 dB, lo cual al compararlo con la sensibilidad del receptor que es de −89 dB resulta: M argen = −69, 94 dB − (−89 dBm) = 19, 06 dB
(10.3)
Este valor de margen (ecuaci´on 10.3) es suficiente para mantener la conexi´on. En la figura 10.10 se puede ver una simulaci´on para este enlace realizada con la herramienta de software Radio Mobile, el cual permite manejar todos los par´ametros de la conexi´on y ver su factibilidad. El resultado entregado por el software es coincidente con los resultados obtenidos en los c´alculos realizados.
Figura 10.10: Simulaci´on de enlace WiFi entre la estaci´on meteorol´ogica y la estaci´on repetidoracon software Radio Mobile.
10.2.2.
Estaci´ on repetidora - Estaci´ on Caburga
El segundo radioenlace corresponde a la distancia aproximada de 25 Km que separan el punto de la estaci´on repetidora y la antena de telefon´ıa ubicada en Caburga. Este enlace se realizar´a por medio de un m´odem de tecnolog´ıa 3G de marca Huawei modificado que puede
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112
verse en la figura 10.11, con servicio proporcionado por la empresa ENTEL.
Figura 10.11: M´odem de tecnolog´ıa 3G marca Huawei modelo E176. Al m´odem anterior se le deber´a realizar una modificaci´on que consiste en el retiro de la antena integrada que posee en su interior y en su reemplazo se deber´a adaptar una antena de mayor ganancia y direccionalidad. Para esto se escoge el uso de una antena del tipo yagui que opera en la frecuencia de los 1900 MHz como la que se ve en la figura 10.12, con 11 elementos y una ganancia de 14 dbi.
Figura 10.12: Antena tipo Yagi de 11 elementos a 1900 MHz. Luego se procede al c´alculo de las p´erdidas por propagaci´on en espacio libre para una distancia de 25 Km a una frecuencia de 1900 MHz que se ve en la ecuaci´on 10.4. PP = 20log(dKm ) + 20log(fM Hz ) + 32, 5 = 20log(25) + 20log(1900) + 32, 5 = 28 + 66 + 32, 5 = 126, 5 [dB]
(10.4)
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
113
Cuando ya se tiene este valor de la p´erdida se procede al c´alculo del nivel de se˜ nal con la que se llegar´a al receptor. Sr = Gse − Pce − Pae + Gae − PP + Gar − Pcr − Par = 15 [dBm] − 0, 5 [dB] − 1 [dB] + 14[dBi] − 126, 5 [dB] + = 22 [dBi] − 1 [dB] − 5 [dB] = −83 [dB]
(10.5)
De la ecuaci´on 10.5 se obtiene un valor para el nivel de se˜ nal que llega al receptor de −83 dB, lo cual al compararlo con la sensibilidad del receptor que es de −116 dB resulta: M argen = −83 dB − (−116 dBm) = 33 dB
(10.6)
Este valor de margen (ecuaci´on 10.6) es m´as que suficiente para mantener la conexi´on. En la figura 10.13 se puede ver otra simulaci´on en Radio Mobile. El resultado entregado por el software es coincidente con los resultados obtenidos en los c´alculos realizados.
Figura 10.13: Simulaci´on de enlace GSM entre la estaci´on repetidora y la antena ENTEL en Caburga.
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10.3.
114
Recolecci´ on de datos desde el datalogger
Una parte vital del proceso es la obtenci´on de los datos registrados por los sensores en el datalogger. Para esto es necesaria la utilizaci´on del protocolo PakBus el cual nos permite el acceso a la informaci´on de cualquier datalogger moderno de la marca Campbell Scientifics.
10.3.1.
Protocolo PakBus
PakBus es un protocolo creado por Campbell Scientific, Inc. Para la comunicaci´on entre dispositivos conectados, es similar al TCP/IP en muchas maneras. PakBus es un protocolo de conmutaci´on de paquetes con capacidad de enrutamiento [31][32][33]. Estos paquetes de datos contienen un encabezado, un mensaje y un segmento de control de error. El encabezado de los paquetes describe desde donde viene el paquete, hacia donde va y el tipo de informaci´on se podr´ıa esperar del mensaje. El mensaje contiene los datos que fueron enviados desde un dispositivo a otro. Adicionalmente el paquete es revisado para asegurarse que ha sido transmitido sin errores.
10.3.2.
Descripci´ on del Protocolo
Al igual que otros tipos de protocolos de comunicaci´on de paquetes conmutados como el TCP/IP, los paquetes del protocolo PakBus contienen una cabecera, un mensaje y un segmento de comprobaci´on de errores como se puede ver en la figura 10.14.
Figura 10.14: Estructura b´asica del paquete PakBus. La cabecera contiene informaci´on espec´ıfica que facilita la transferencia de paquetes entre los dispositivos. Adem´as de otros detalles, la cabecera del protocolo incluye la direcci´on del
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115
dispositivo que inici´o el paquete, la direcci´on del dispositivo al cual el paquete va dirigido y una declaraci´on del tipo de paquete que ha sido enviado, se puede ver en m´as detalle en la figura 10.15.
Figura 10.15: Estructura detallada del paquete PakBus. El cuerpo o porci´on de mensaje del paquete contiene informaci´on estructurada basada en el tipo de paquete declarado en la cabecera. El dispositivo que recibe usa la declaraci´on del tipo de paquete para leer los datos del mensaje. Cada paquete contiene una firma de control de error o ”nullifier” usado para reconocer la validez del paquete. Una vez que el paquete ha sido validado, el dispositivo recibe el paquete, lee el mensaje en base a la estructura descrita por la declaraci´on del tipo de paquete y si es necesario regresa un paquete apropiado al dispositivo que envi´o.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
10.3.3.
116
Comunicaci´ on.
Los paquetes de una red PakBus son peque˜ nos y el enlace de comunicaci´on est´a activo por un periodo de tiempo corto mientras el paquete es transmitido. Los mensajes largos pueden ser divididos en varias partes peque˜ nas y as´ı, ser enviados de un dispositivo a otro.
10.3.4.
Cabecera
La cabecera se conforma como se puede apreciar en la figura 10.16:
Figura 10.16: Estructura de la cabecera del paquete PakBus.
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10.3.5.
117
Protocolos y Tipos de Paquetes
Tres tipos de protocolo est´an involucrados en la comunicaci´on entre dispositivos del tipo PakBus. El protocolo SerPkt es usado para monitorear el estado del enlace de comunicaci´on, el protocolo PakBus Control (PakCtrl) se usa para facilitar los servicios PakBus a nivel de red y el protocolo BMP5 usado para enviar mensajes de aplicaci´on.
10.3.6.
Secuencia de recolecci´ on de datos
Los siguientes pasos deben ser seguidos para recolectar datos desde el datalogger CR1000, se puede ver en detalle el algoritmo en la figura 10.17.
Figura 10.17: Diagrama de recolecci´on de datos desde el datalogger.
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118
Obtener las definiciones de tabla, si es necesario usando la transacci´on de carga de archivo. Cuando las definiciones de tabla son regresadas, analizar la informaci´on del paquete de respuesta. Esta informaci´on podr´ıa ser almacenada y usada cuando se recolecten los registros de datos. Cada firma de tabla podr´ıa ser calculada, guardada y entonces usada cuando se obtengan los datos desde el datalogger. Usar la transacci´on de Recolecci´on de Datos para iniciar la recolecci´on desde el datalogger, para luego analizar los datos contenidos en el paquete de respuesta de Recolecci´on de Datos.
10.3.7.
Recolecci´ on de tablas y registros espec´ıficos
Dentro de los comandos de recolecci´on de datos hay muchas opciones para diferentes tipos de recolecciones. El par´ametro CollectMode de este paquete describe qu´e registros ser´an recolectados desde las tablas definidas. Algunos modos de recolecci´on son: CollectMode 0x03: Recolecta desde el registro m´as viejo al m´as nuevo, empezando con el dato m´as viejo en cada tabla. Este m´etodo de recolecci´on se ocupa para obtener tablas completas. CollectMode 0x04: Recolecta desde un registro definido, hasta el dato m´as nuevo en una tabla. Si el registro definido como inicial no existe en el datalogger, la recolecci´on comenzara en el dato m´as antiguo de la tabla. CollectMode 0x05: Recolecta los registros m´as recientes, en donde el numero de registros a recolectar es un par´ametro definible. CollectMode 0x06: Recolecta desde y hasta un registro definido, pero sin incluir el segundo registro. Este m´etodo de recolecci´on podr´ıa ser u ´til para recolectar un rango espec´ıfico de datos desde el datalogger.
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10.3.8.
119
Obtenci´ on de valores desde registros espec´ıficos
Se debe usar el comando de Recolecci´on de Datos o la transacci´on de Obtenci´on de Valores cuando se intenta recolectar un valor espec´ıfico o un grupo de valores de un registro individual. Estos valores son referenciados por el nombre de tabla y campo, los cuales pueden ser encontrados en las definiciones de tabla obtenidas desde la estaci´on, si es que el usuario no las conoce a´ un. Los comandos de recolecci´on de datos permiten especificar m´ ultiples campos, mientras que la transacci´on de obtenci´on de valores se enfoca en un campo espec´ıfico a la vez. Una vez que los nombres de la tabla y campo se conocen, el comando de recolecci´on de datos o la obtenci´on de valores, pueden pedir al datalogger especificando los valores exactos que se desean. Estas transacciones est´an dise˜ nadas para minimizar la complejidad, permitiendo a la aplicaci´on dictar el tipo de dato de los valores que son retornados. El datalogger debe convertir los valores de los datos al tipo de datos solicitado. Si el datalogger no soporta el tipo de dato solicitado o la conversi´on no es posible, la respuesta indicar´a que la conversi´on de datos no es soportada.
10.4.
Obtenci´ on de fotograf´ıa terrestre
Para la obtenci´on de la fotograf´ıa desde la c´amara fotogr´afica es necesaria alguna herramienta de software que facilite este proceso. Para esta funci´on se utilizar´a Picture Transfer Protocol (PTP), que corresponde a un protocolo altamente soportado que fue desarrollado por la International Imaging Industry Association, que permite la transferencia de im´agenes desde c´amaras digitales al computador y otros dispositivos perif´ericos sin la necesidad de otro controlador de dispositivo. Este protocolo ha sido estandarizado en la ISO 15740. El medio de transporte por defecto para dispositivos TPT es el USB. USB TPT es la alternativa com´ un para USB MSC (USB mass storage device class) como protocolo de conexi´on de las c´amaras digitales, aunque en la actualidad algunas c´amaras utilizan ambos modos. PTP especifica una forma de crear, transferir y manipular objetos que normalmente son las im´agenes fotogr´aficas como un archivo JPEG.
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120
La aplicaci´on apropiada para el uso de ´este protocolo de transferencia de im´agenes es libgphoto2 en conjunto con gphoto2.
10.4.1.
libgphoto2
libgPhoto2 es una aplicaci´on de software libre y redistribuible para el uso de c´amaras digitales en sistemas de tipo UNIX, que en la actualidad soporta alrededor de 1200 c´amaras distintas. Esta aplicaci´on funciona en un gran rango de sistemas operativos del tipo UNIX incluyendo Linux, FreeBDS, NetBDS, MacOS X, etc., y esta implementado en la mayor´ıa de las distribuciones Linux como Debian GNU/Linux, Ubuntu, Gentoo, Fedora, openSUSE, Mandriva, etc [34]. Frontends El frontend es la parte del software que interact´ ua con ´el o los usuarios, normalmente viene ligado con el concepto de backend que corresponde a la parte que procesa la informaci´on que entra por medio del frontend. La separaci´on del sistema es un tipo de abstracci´on que mantiene las diferentes partes del sistema separadas. La idea general es que el frontend sea el responsable de recolectar los datos de entrada del usuario, que pueden ser de muchas y variadas formas y procesarlas de una manera conforme a la especificaci´on que el backend pueda usar. La conexi´on del frontend y el backend es un tipo de interfaz. Para el uso de libgphoto existe una serie de frontend diferentes a utilizar, dependiendo del tipo de necesidad del usuario, algunos de estos frontends se mencionan a continuaci´on: gphoto2: Es el frontend de interfaz de l´ınea de comando (CLI) oficial. Se basa en una interfaz de l´ınea de comando simple, es muy u ´til para la depuraci´on de controladores de c´amaras y otros problemas. gtkam: Es el frontend GUI oficial con uso de GTK+2. Este frontend muestra miniaturas de las im´agenes de la c´amara y soporta la carga y descarga y captura de im´agenes.
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121
digikam: Digikam es una interfaz de KDE independiente con funciones avanzadas de administraci´on de im´agenes.
10.4.2.
gphoto2
Gphoto21 es el frontend con interfaz de linea de comando (CLI) oficial de libgphoto2. Es una simple interfaz de linea de comandos muy u ´til para depurar controladores de c´amaras y otro tipo de problemas, ademas de realizar las funciones b´asicas de operaci´on para las distintas c´amaras fotogr´aficas, se puede ver una lista de las funciones posibles en el ap´endice A.
10.4.3.
C´ amara
Las pruebas realizadas con Gphoto2 demostraron que entre todas las c´amaras fotogr´aficas digitales probadas, la m´as apropiada en precio y calidad es la PowerShot A640 de la marca Canon, la cual respondi´o de mejor manera a los comandos que la aplicaci´on proporciona por medio del modo PTP (Picture Transfer Protocol). Se puede ver una imagen de esta c´amara fotogr´afica en la figura 10.18.
Figura 10.18: C´amara fotogr´afica marca Canon modelo PowerShot A640 Algunas de las caracter´ısticas m´as importantes de la PowerShot A640 son una resoluci´on de 10 Mpixel con una m´axima de 3648x2737, tarjeta SD de hasta 2GB y un zoom o´ptico de 4X [35]. 1
http://www.gphoto.org/
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
10.5.
122
Conexi´ on WiFi
La implementaci´on de la conexi´on WiFi entre la estaci´on meteorol´ogica y la estaci´on repetidora es bastante simple. Es similar a realizar una conexi´on inal´ambrica local como la que se realizar´ıa en cualquier hogar, con la u ´nica diferencia de que en este enlace se utilizaran antenas con alta ganancia en ambos extremos de la comunicaci´on como las mostradas con anterioridad en la figura 10.7 y con ning´ un obst´aculo que se interfiera en el trayecto de la se˜ nal durante los 3 Km que separa a ambas estaciones. En la estaci´on meteorol´ogica se conecta el access point que se muestra en la figura 10.8 a la CPU (APF27) por medio de cable de red, a este AP se le configura de manera que funcione en ”modo cliente”, esto quiere decir que se configura para conectarse a una red especifica, siempre y cuando ´esta se encuentre disponible. En la estaci´on repetidora se conectara un router a la CPU como el que se mostr´o en la figura 10.9, el cual funcionara como punto de acceso a una red predefinida (router en ”modo maestro”) a la cual se conectara la estaci´on meteorol´ogica de forma autom´atica. La figura 10.19 muestra como es ´esta conexi´on.
Figura 10.19: Conexi´on Wifi para 3 Km.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
10.6.
123
Conexi´ on 3G
Actualmente, una de las formas m´as habituales de conectarse a Internet para un usuario com´ un es a trav´es de un m´odem y una l´ınea telef´onica. En general, la PC llama al router de su proveedor de Internet y as´ı act´ ua como host de la Red. Este m´etodo de operaci´on no es distinto a tener una l´ınea arrendada entre la PC y el router, excepto que la conexi´on desaparece cuando el usuario termina la sesi´on [36]. Para poder conectar nuestro m´odem 3G Huawei E176 (fig. 10.11) a la red, se utilizar´a la herramienta para Linux llamada WvDial, la cual utiliza la librer´ıa WvStreams, que se basa en el protocolo punto a punto (PPP). La figura 10.20 muestra como es ´esta conexi´on.
10.6.1.
PPP
Protocolo punto a punto, es un protocolo de nivel de enlace estandarizado en el documento RFC 1661. Por tanto, se trata de un protocolo asociado a la pila TCP/IP de uso en Internet. M´as conocido por su acr´onimo: PPP. El protocolo PPP permite establecer una comunicaci´on a nivel de enlace entre dos computadoras. Generalmente, se utiliza para establecer la conexi´on a Internet de un particular con su proveedor de acceso a trav´es de un m´odem telef´onico. Ocasionalmente tambi´en es utilizado sobre conexiones de banda ancha (como PPPoE o PPPoA).
10.6.2.
WvDial
WvDial es una utilidad que permite realizar conexiones a Internet por medio de m´odem y que es incluida en algunas distribuciones de Linux. Se podr´ıa definir a WvDial como un marcador de protocolo punto a punto: se encarga de marcar al m´odem y comenzar pppd para poder conectarse a Internet. Cuando WvDial comienza, se carga desde su archivo de configuraci´on (la configuraci´on se explica en detalle en el ap´endice B) que contiene informaci´on b´asica sobre el puerto del m´odem, la velocidad y la cadena de inicio, junto con informaci´on acerca de su ISP, como el
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
124
n´ umero de tel´efono, nombre de usuario y contrase˜ na. Luego de conectarse, WvDial intentara iniciar PPP si se puede ver una secuencia PPP desde el servidor o de forma alternativa intentar´a comenzar PPP. Si todo lo anterior falla, WvDial s´olo comenzar´a pppd y esperar´a. Wvdial funciona utilizando la librer´ıa wvstreams.
10.6.3.
WvStreams
WvStreams es una librer´ıa en C++ para programaci´on de red que fue creada ´ıntegramente por miembros de la red. La versi´on actual de esta librer´ıa es mantenida por el grupo AlumNit2 . WvStreams pretende ser una librer´ıa eficiente, segura y f´acil de usar, independiente del sistema operativo para realizar el desarrollo de aplicaciones.
Figura 10.20: Conexi´on 3G para 25 Km. 2
http://alumnit.ca/wiki/
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
10.7.
125
Generaci´ on fotovoltaica y bancos de bater´ıas
En el momento en que se comenz´o con este dise˜ no, se hizo evidente que se debe realizar un sistema solar fotovoltaico (SF) en cada una de las estaciones, teniendo en cuenta todos los elementos que constituyen cada uno de los sistemas en su conjunto, y ejecutar los c´alculos pertinentes para lograr un balance energ´etico entre el consumo y la generaci´on de electricidad de origen solar, con una racionalidad dirigida hacia el logro de una autosuficiencia energ´etica y el uso o´ptimo de la energ´ıa. Se le denomina dimensionado o dise˜ no de un sistema solar fotovoltaico a una serie de procesos de c´alculo que logran optimizar el uso y la generaci´on de la energ´ıa el´ectrica de origen solar, realizando con esto un balance adecuado entre ellas, desde los puntos de vista t´ecnico y econ´omico. A continuaci´on se describen los principales componentes y los c´alculos correspondientes a los sistemas fotovoltaicos aut´onomos para cada una de las estaciones que forman parte del dise˜ no del sistema de comunicaci´on, que permitan un funcionamiento eficiente y confiable [37][38].
10.7.1.
Dimensionamiento de los paneles solares
El tama˜ no del generador fotovoltaico debe asegurar que la energ´ıa producida durante el peor mes al menos pueda igualar la demanda por la carga. Por lo tanto es necesario conocer las cargas conectadas, la potencia nominal de cada una (P ), el n´ umero de aparatos (n) y las horas diarias de funcionamiento (t). El consumo diario (Cd ), se mide en W h/d´ıa y se calcula para cada tipo de carga de la siguiente forma: Cd = P ∗ n ∗ t
(10.7)
De lo anterior se generan las siguientes tablas de consumo diario para la estaci´on meteorol´ogica (Tabla 10.1) y para la estaci´on repetidora (Tabla 10.2). A la suma de los consumos diarios de todas las cagas, calculados a partir de la ecuaci´on 10.7 y que se muestran en las tablas 10.1 y 10.2, constituyen el consumo energ´etico te´orico Et
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO Elementos CPU (Armadeus APF27) Estaci´on Meteorol´ogica Autom´atica Access Point (TP-link)
126
Cantidad Potencia Utilizaci´ on Consumo (u) (W) (h/d´ıa) (Wh/d´ıa) 1 0,9 1 0,9 1 0,52 24 12,5 1 2,3 1 2,3 Consumo diario total 15,7
Cuadro 10.1: Consumo total diario para la estaci´on meteorol´ogica. Elementos CPU (Armadeus APF27)+ M´odem 3G Router (D-link) C´amara fotogr´afica
Cantidad Potencia Utilizaci´ on Consumo (u) (W) (h/d´ıa) (Wh/d´ıa) 1 1,32 1 1,32 1 3,4 1 3,4 1 2,4 0,05 0,12 Consumo diario total 4,84
Cuadro 10.2: Consumo total diario para la estaci´on repetidora con c´amara fotogr´afica.
en W h. A partir de este valor debe considerarse el consumo energ´etico real, E, que considera los diversos factores de p´erdida en la instalaci´on de acuerdo a la siguiente ecuaci´on: E=
Et R
(10.8)
Donde el par´ametro R es el ”rendimiento global” de la instalaci´on fotovoltaica, que se define como:
ka ∗ N R = (1 − kb − kc − kv ) 1 − Pd
(10.9)
Donde: kb es el coeficiente de p´erdidas debidas al rendimiento del acumulador (0, 05 - 0, 1). kc es el coeficiente de p´erdidas en el inversor (0, 005 - 0, 1). kv es el coeficiente de p´erdidas varias (transmisi´on, efecto Joule, etc.). ka Coeficiente de autodescarga diaria de las bater´ıas (para bater´ıas de Pb = 0,005). N es el n´ umero de d´ıas de autonom´ıa de la instalaci´on (3-10 d´ıas). Pd profundidad de descarga diaria de la bater´ıa (80 %). Se poseen todos estos valores a excepci´on del de kc , ya que nuestro sistema no necesita
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
127
un inversor, entonces kc = 0. Se realiza el c´alculo para nuestro sistema usando, kb = 0, 05, porque es el valor m´as apropiado para sistemas que no producen descargas intensas, kv = 0, 1, porque es el valor medio para este par´ametro, ka = 0, 005 que es el valor que se utiliza para bater´ıas de plomo, utilizaremos N=3 y la profundidad de la descarga de un 30 %. Todo lo anterior resulta en : 0, 005 ∗ 3 R = (1 − 0, 05 − 0, 1) 1 − = 0, 78 0, 3
(10.10)
Este valor de R es v´alido para las dos estaciones del sistema y ya teniendo este valor, se puede conocer los valores de consumo real E para nuestras estaciones: Para la estaci´on meteorol´ogica a la cual se calcul´o un consumo te´orico Et = 15, 7 W h/d´ıa: E(AW S) =
15, 7 Et = = 20, 12 W h/d R 0, 78
(10.11)
Para la estaci´on repetidora a la cual se le calculo un consumo te´orico Et = 4, 84 W h/d´ıa: E(repetidora) =
4, 84 Et = = 6, 2 W h/d R 0, 78
(10.12)
Luego, es necesario conocer la radiaci´on solar diaria (H), que se mide en KW h/m2 /d´ıa para cada mes del a˜ no en funci´on de la localizaci´on geogr´afica e inclinaci´on de los paneles, en base a datos estad´ısticos hist´oricos de la zona. En la tabla 10.3, se pueden ver estos datos para la localidad de Pucon, para un a˜ no completo para una inclinaci´on de 30o en direcci´on norte [39]. ENE 5,66
FEB 4,7
MAR 4,4
ABR 3,22
MAY 1,8
JUN 1,5
JUL 1,51
AGO 2,45
SEP 3,07
OCT 4,39
NOV 5,12
DIC 5,33
Cuadro 10.3: promedio diario de irradiaci´on global mensual en kW h/m2 para la ciudad de Pucon,
39,27o Sur.
Un concepto importante necesario para realizar el dimensionamiento de la cantidad de paneles necesarios en la instalaci´on es el n´ umero de horas pico solares, HP S, que se refiere al n´ umero de horas diarias de luz solar equivalentes, referidas a una irradiaci´on constante
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
128
I = 1 kW h/m2 , a la cual se mide siempre los paneles. Esto se utiliza para estandarizar la curva de irradiaci´on solar diaria en s´olo una parte del d´ıa, medida en horas, pero a un valor constante. Se puede ver esta idea en forma gr´afica en la figura 10.21.
Figura 10.21: Definici´on de las horas pico solares. La irradiancia H es igual al producto entre la irradiancia de referencia I y las horas pico solares HP S, por lo tanto los valores de irradiaci´on y HPS son iguales. Los valores de la tabla 10.3 son v´alidos como tabla de HPS de acuerdo a la ecuaci´on 10.13, donde : H(kW h/m2 ) = I(1kW/m2 ) ∗ HSP(h) ⇒ H(valor) = HSP(valor)
(10.13)
El numero de paneles necesarios (Np ) se calcula empleando el numero de horas pico solares del peor mes del periodo de trabajo del sistema y la potencia pico del panel escogido, que en este caso corresponde al SP − 10 de la marca Campbell Scientifics de potencia m´axima o nominal Wp =10 W , que se puede ver en la figura 10.22. Np =
E 0, 9 ∗ Wp ∗ HP S
(10.14)
Se puede as´ı, calcular la cantidad de paneles necesarios para las dos estaciones que son
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
129
Figura 10.22: SP-10, panel solar de 10 W. parte del sistema de adquisici´on de datos. Se debe mencionar que este sistema se utiliza entre los meses de noviembre y abril, por esta raz´on se toma como valor de HPS, el correspondiente al mes de abril, ya que es el que tiene el valor de HPS m´as bajo de todo el periodo. Para la estaci´on meteorol´ogica ser´ıa de la siguiente forma: Np(AW S) =
20, 12 E = = 0, 69 0, 9 ∗ Wp ∗ HP S 0, 9 ∗ 10 ∗ 3, 22
(10.15)
Para la estaci´on repetidora: Np(repetidora) =
6, 2 E = = 0, 21 0, 9 ∗ Wp ∗ HP S 0, 9 ∗ 10 ∗ 3, 22
(10.16)
Los resultados obtenidos se deben aproximar al n´ umero entero m´as cercano que en este caso es 1 en ambas situaciones. De lo anterior, se concluye que es suficiente con 1 panel por cada estaci´on del sistema.
10.7.2.
Dimensionamiento de los bancos de bater´ıas
El sistema de almacenamiento en un sistema fotovoltaico est´a formado por un conjunto de bater´ıas que por lo general son de plomo-´acido, que almacena energ´ıa el´ectrica generada durante las horas de radiaci´on, para su utilizaci´on posterior en los momentos de baja o nula insolaci´on.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
130
La primera etapa en el dimensionamiento de las bater´ıas consiste en asegurar que la producci´on de energ´ıa exceder´a la demanda de energ´ıa durante el peor mes. Para lograr esto, la capacidad u ´til de la bater´ıa (capacidad nominal multiplicada por la profundidad de descarga) debe permitir entre 3 y 5 d´ıas de autonom´ıa (d´ıas que el sistema puede suministrar energ´ıa en ausencia de radiaci´on solar usando bater´ıas). La ecuaci´on 10.17 permite calcular la capacidad del banco de bater´ıas C (Ah), a partir del consumo energ´etico real E, calculado en las ecuaciones 10.11 y 10.12, los d´ıas de autonom´ıa N, la tensi´on nominal del acumulador V (12 V) y la profundidad de descarga permitida Pd (30 %). C=
E∗N V ∗ Pd
(10.17)
Con este dato se puede calcular el n´ umero de bater´ıas que se requieren (Nb ) en base a la capacidad de la bater´ıa elegida (Cbat ) en Ah. Nb =
C Cbat
(10.18)
Entonces, se calcula el banco de bater´ıas para la estaci´on meteorol´ogica y la estaci´on repetidora. Estaci´ on Meteorol´ ogica La capacidad del banco de bater´ıas para la estaci´on meteorol´ogica utilizando E(AW S) obtenida en la ecuaci´on 10.11, N = 3, V = 12V y Pd = 30 %: CAW S =
E∗N 20, 12 ∗ 3 = 16, 76 Ah = V ∗ Pd 12 ∗ 0, 3
(10.19)
Al utilizar bater´ıas de plomo de 7 Ah, se calcula entonces el n´ umero de unidades necesarias de acuerdo a la ecuaci´on 10.18: Nb(AW S) =
C 16, 76 = 2, 4 = Cbat 7
(10.20)
Del c´alculo anterior se concluye que para la estaci´on meteorol´ogica se necesitan 3 bater´ıas
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
131
de 7 Ah, en compa˜ n´ıa de un panel solar de 10 W , como se demostr´o en el c´alculo realizado en 10.15. Estaci´ on repetidora La capacidad del banco de bater´ıas para la estaci´on repetidora utilizando E(repetidora) obtenida en la ecuaci´on 10.12, N = 3, V = 12V y Pd = 30 %: C=
6, 2 ∗ 3 E∗N = 5, 16 Ah = V ∗ Pd 12 ∗ 0, 3
(10.21)
Al utilizar bater´ıas de plomo de 7 Ah, se calcula entonces el n´ umero de unidades necesarias de acuerdo a la ecuaci´on 10.18: Nb(AW S) =
C 5, 16 = 0, 73 = Cbat 7
(10.22)
Del calculo anterior se concluye que para la estaci´on repetidora, basta s´olo con una bater´ıa de 7 Ah, en compa˜ n´ıa de un panel solar de 10 W , como se demostr´o en el c´alculo realizado en 10.16. En la figura 10.23 se puede ver una fuente de 12 V de la marca Campbell Scientifics que en su interior posee una bater´ıa de 7 Ah y que incluye un regulador de voltaje que permite conectar el panel solar mostrado en la figura 10.22.
Figura 10.23: PS100. Fuente de 12 V 7 A/h con regulador de voltaje de marca Campbell Scientifics.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
10.8.
132
Programaci´ on
En esta parte del dise˜ no se explicar´a la programaci´on que funcionar´a en cada una de las ”CPU” de las estaciones del sistema, como se explico antes estas CPUs son tarjetas Armadeus APF27 que funcionan con Linux empotrado.
10.8.1.
Programaci´ on estaci´ on meteorol´ ogica
La programaci´on de la estaci´on meteorol´ogica debe preocuparse de ciertas funciones especificas b´asicas que son: 1. Obtener tablas de datos desde el datalogger de la AWS. 2. Obtener los datos de las tablas obtenidas y almacenarlos en un archivo. 3. Establecer conexi´on con estaci´on repetidora mediante AP v´ıa WiFi y enviar el archivo con los datos de la AWS hacia la estaci´on repetidora mediante WiFi.
Figura 10.24: Diagrama de recolecci´on de datos desde el datalogger indicando las tres funciones b´ asicas.
El diagrama que se muestra en la figura C.1 en el ap´endice C ilustra de manera m´as detallada la forma en que deber´ıa programarse la estaci´on meteorol´ogica para que se puedan obtener los datos desde el datalogger y enviarlos por medio del access point hasta la estaci´on repetidora.
10.8.2.
Programaci´ on estaci´ on repetidora
La programaci´on de la estaci´on meteorol´ogica debe preocuparse de ciertas funciones especificas que son:
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
133
1. Recibir archivo de datos desde la AWS mediante WiFi. 2. Controlar la captura de la imagen desde la c´amara fotogr´afica y obtener archivo desde la c´amara fotogr´afica mediante protocolo PTP. 3. Establecer conexi´on a Internet mediante m´odem 3G. 4. Env´ıo de archivo con datos de AWS e imagen fotogr´afica a servidor CECS.
Figura 10.25: Diagrama de recolecci´on de datos desde el datalogger. El diagrama que se muestra en la figura C.2 en el ap´endice C ilustra la forma en que deber´ıa programarse la estaci´on repetidora para que se puedan obtener los datos desde la estaci´on meteorol´ogica y c´amara fotogr´afica enviarlos por medio del m´odem 3G hasta la estaci´on base en Caburga.
10.9.
Dise˜ no final
Aqu´ı se muestran como deber´ıan conformarse las partes que componen el sistema de adquisici´on de datos remotos dise˜ nados durante este trabajo. Se muestran las dos estaciones necesarias para el sistema y cada una de sus partes.
10.9.1.
Estaci´ on Meteorol´ ogica
La estaci´on meteorol´ogica se conformar´a por la estaci´on meteorol´ogica autom´atica original completa, de marca Campbell Scientifics, a la cual se le anexar´a una CPU correspondiente a una tarjeta empotrada fabricada por Armadeus System, de modelo APF27, esta tarjeta al
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
134
estar provista por sistema Linux empotrado, se encargar´a de obtener los datos completos en forma diaria de todos los sensores de la AWS por medio del protocolo Pakbus desde el datalogger CR1000. Luego de obtener y almacenar los datos diarios de la estaci´on meteorol´ogica, la informaci´on es enviada por WiFi hacia la estaci´on repetidora ubicada a aproximadamente 3 Km de distancia. Un diagrama de la estaci´on meteorol´ogica se puede ver en la figura 10.26.
Figura 10.26: Sistema de adquisici´on de datos en AWS.
10.9.2.
Estaci´ on repetidora
La estaci´on repetidora se conformar´a como se ve en la figura 10.27. Esta estaci´on repetidora estar´a formada principalmente por la CPU correspondiente, parecida a la CPU de la estaci´on meteorol´ogica, la cual funciona bajo Linux, esta tarjeta se encontrar´a programada para la obtenci´on de la fotograf´ıa proveniente desde la c´amara digital, por medio de Gphoto2 que ser´a agregado al linux empotrado. Luego, ´esta se encargar´a de anexar los datos obtenidos desde la estaci´on meteorol´ogica para enviar el paquete completo de informaci´on por medio del m´odem 3G de marca Huawei, mediante la aplicaci´on linux Wvdial que se basa en PPP,
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
135
que ser´a agregada a linux.
Figura 10.27: Sistema de recepci´on y transmisi´on en estaci´on repetidora.
10.9.3.
Sistema completo
El sistema final y completo que se ha dise˜ nado se puede ver en la figura 10.28, en cual se puede ver el camino completo que deber´an realizar los datos desde los sensores y la fotograf´ıa hasta el lugar en el cual podremos tener acceso a ellos (Internet). Los datos obtenidos (estaci´on meteorol´ogica y fotograf´ıa) ser´an enviados a un carpeta ftp, la cual ser´a monitoreada por una aplicaci´on externa que se encuentra en desarrollo, en busca de archivos nuevos que sean recibidos para luego ser procesados.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
136
Figura 10.28: Sistema completo de adquisici´on de datos meteorol´ogicos y fotograf´ıa terrestre. El procesamiento de los archivos recibidos3 consistir´a en la obtenci´on del frame o linea de lectura de la estaci´on meteorol´ogica, cada una de estas lineas es insertada en una base de datos, como la lectura original. Una ves procesado el archivo completo y dependiendo de las opciones de configuraci´on de la aplicaci´on externa, el archivo es borrado o copiado a una carpeta de backups, este proceso se repite cada ves que la aplicaci´on que monitorea la carpeta ftp encuentra un nuevo archivo. Al mismo tiempo existe otra aplicaci´on que se encarga de desfragmentar los nuevos frames originales que se introducen a la base de datos y separar las variables que se encuentran dentro del mismo, ingresando cada medici´on desfragmentada a la base de datos. Finalmente, existir´a una pagina web que se encarga de desplegar la informaci´on meteorol´ogica y de imagen fotogr´afica, gracias a todos los procesos antes comentados.
3
´ Esta aplicaci´ on corresponde al trabajo de t´ıtulo de Sebasti´an Ignacio Donoso Alvarez, bajo el nombre de “Sistema de monitoreo remoto en tiempo real para AWS” en la Escuela Ingenier´ıa en Computaci´ on de la Universidad Austral de Chile con sede en Pto. Montt.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
10.10.
137
Costos estimados
A continuaci´on se presentan algunas tablas donde se pueden apreciar lo costos involucrados en el desarrollo del sistema completo. En la tabla 10.4, se pueden ver los costos que involucra la estaci´on meteorol´ogica autom´atica con sistema de adquisici´on de datos y comunicaci´on WiFi, mientras que en la tabla 10.5 se pueden ver el valor que representa la implementaci´on de la estaci´on repetidora con adquisici´on de fotograf´ıa y comunicaci´on WiFi y 3G. Estaci´ on Meteorol´ ogica Autom´ atica Modelo Precio USD Sensores Temperatura y humedad Bar´ometro Anem´ometro Radi´ometro Piran´ometro Altura de nieve Almacenamiento Datalogger Caja Protectora Fuente 12V Panel solar 10W Tr´ıpode 3 mts Transmisi´ on Tarjeta Empotrada Tarjeta de desarrollo Router D-LINK Antena TP-LINK Bater´ıa extra X2
Precio CLP
HMP45C-L11 CS106 8500 NR LITE CMP3 SR50A
1.225 947 1.831 3.376 1.771 1.539
634.550 490.546 948.458 1.748.768 917.378 797.202
CR1000 NEMA-4 PS100 SP10 CM110
2.238 795 357 367 2.268
1.159.284 411.810 184.926 184.926 1.174.824
Armadeus APF27 Armadeus APF27DEV DL-524 ANT2414A 12V7Ah
180 239
94.234 124.524 19.990 58.990 40.000 8.990.410
Total
Cuadro 10.4: Costo estimado para implementaci´on de Estaci´on Meteorol´ogica autom´atica.
La tabla 10.6 muestra el costo total del sistema completo. Cabe destacar que la mayor´ıa de los materiales se encuentran disponibles actualmente en el LGCC-CECS, como la estaci´on meteorol´ogica completa y los tr´ıpodes que son de alto costo.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
Caja Protectora Fuente 12V Panel solar 10W Tr´ıpode 3 mts Tarjeta Empotrada Tarjeta de desarrollo AP TP-LINK Antena TP-Link M´odem 3G Antena yagi C´amara fotogr´afica
138
Estaci´ on Repetidora Modelo Precio USD Precio CLP NEMA-4 795 411.810 PS100 357 184.926 SP10 367 184.926 CM110 2.268 1.174.824 Armadeus APF27 180 94.234 Armadeus APF27DEV 239 124.524 WA501G 22.200 ANT2414A 58.990 Huawei E176 29.990 Hyperlink HG19 59.990 PowerShot A640 150.000 Total 2.346.414
Cuadro 10.5: Costo estimado para implementaci´on de Estaci´on Repetidora. Costo Total Estaci´on Meteorol´ogica Autom´atica Estaci´on Repetidora Total
8.990.410 2.346.414 11.169.824
Cuadro 10.6: Costo total estimado para implementaci´on del sistema.
El valor total que involucra s´olo la adici´on del sistema de telecomunicaci´on y adquisici´on de datos junto con la c´amara se muestran el la tabla 10.7. Existe un costo adicional correspondiente a CLP 20,000 mensuales que se debe pagar por el servicio de Internet.
˜ DEL SISTEMA CAP´ITULO 10. DISENO
Sistema de Transmisi´ on Modelo Cantidad Caja Protectora NEMA-4 1 Fuente 12V PS100 1 Panel solar 10W SP10 1 Tarjeta Empotrada Armadeus APF27 2 Tarjeta de desarrollo Armadeus APF27DEV 2 Router D-LINK DL-524 1 AP TP-LINK WA501G 1 Antena TP-Link ANT2414A 2 M´odem 3G Huawei E176 1 Antena yagi Hyperlink HG19 1 C´amara fotogr´afica PowerShot A640 1 Bater´ıa extra 12V7Ah 2 Total CLP Total USD
139
Precio CLP 411.810 18.4926 184.926 188.468 249.048 19.990 22.200 117.980 29.990 59.990 150.000 40.000 1.659.328 3.102
Cuadro 10.7: Costo total estimado para complementaci´on solo del sistema de adquisici´on y transmisi´ on de datos y fotograf´ıa.
Cap´ıtulo 11 Conclusiones En la actualidad existe un sistema de transmisi´on fabricado por Campbell Scientifics que es compatible con las estaciones meteorol´ogicas y que transmite de forma satelital por medio del sistema GOES. Este transmisor GOES tiene un valor comercial de aproximadamente USD 7000, lo cual corresponde al doble de lo que costar´ıa la implementaci´on del sistema de transmisi´on dise˜ nado en este trabajo, adem´as el transmisor GOES de Campbell s´olo puede transmitir los datos entregados por la estaci´on meteorol´ogica autom´atica, a diferencia del dise˜ no propuesto, ´el cual agrega la fotograf´ıa terrestre a la transmisi´on. Otra alternativa de comunicaci´on satelital es la que ofrece Iridium, el problema con el servicio que ofrece este sistema se encuentra en el elevado costo de uso que significa la transmisi´on de datos a trav´es de los sat´elites de la constelaci´on y a su considerablemente baja velocidad de transmisi´on. C´alculos preliminares mostraron que el uso de Iridium para las necesidades del sistema tendr´ıa un costo de no menos de USD 2000 al mes, lo cual es imposible de mantener.
140
CAP´ITULO 11. CONCLUSIONES
141
Las caracter´ısticas propias del terreno donde se requiere instalar el sistema exige que la estaci´on repetidora se emplace espec´ıficamente en el lugar mencionado en el estudio previo ya que cualquier cambio en la posici´on de dicha estaci´on en pocos metros en cualquier direcci´on imposibilitar´ıa la conexi´on con el ISP y/o con la estaci´on meteorol´ogica (dependiendo de la direcci´on del desplazamiento). En cambio la estaci´on meteorol´ogica si puede ser desplazada de acuerdo a las necesidades, siempre y cuando se encuentre dentro del alcance que permite la conexi´on WiFi, as´ı la posici´on de la AWS igualmente se encuentra limitada a un a´rea relativamente extensa, pero a´ un as´ı espec´ıfica sobre el glaciar. Una de las limitantes en el despliegue de este sistema es el protocolo de comunicaci´on que utilizan los componentes Campbell. Con respecto a dicho protocolo, la documentaci´on es suficiente pero extensa, lo cual exige el desarrollo de al menos una librer´ıa b´asica para la programaci´on de la funci´on necesaria en la recolecci´on de las tablas con los registros de los diferentes sensores. En el anterior dise˜ no se utilizaron componentes altamente vers´atiles que son f´acilmente reemplazables y reconfigurables como lo son el router y el acces point, de los cuales los modelos y marcas propuestas pueden variar sin afectar el funcionamiento del sistema siempre y cuando sean adecuadamente configurados. Lo ideal en el caso de la conexi´on WiFi hubiera sido la utilizaci´on de antenas de mayor ganancia para garantizar la conexi´on y para poder aumentar el ´area de alcance. Es aqu´ı donde se analizar el uso de antenas del tipo parab´olicas. Es importante mencionar que el uso de antenas del tipo Patch en este dise˜ no se realiz´o en base a la disponibilidad de ´estas en el laboratorio de glaciolog´ıa y cambio clim´atico del CECS y que el uso de dichas antenas es suficiente para lograr el prop´osito seg´ un los c´alculos realizados, pero se recomienda utilizar antenas parab´olicas grilladas a causa de su mayor ganancia y menor resistencia al viento.
CAP´ITULO 11. CONCLUSIONES
142
La elecci´on de la c´amara Canon PowerShot A640 se realiz´o en base a la experimentaci´on con diferentes c´amaras de distintas marcas y modelos que se encontraron a disposici´on eventualmente. Cabe destacar que la PowerShot A640 funciona bien para las necesidades b´asicas de este dise˜ no, pero que podr´ıa no corresponder a la c´amara ideal para la funci´on que se le asigna. Actualmente la aplicaci´on Linux Gphoto2 soporta comunicaci´on con m´as de 1200 distintas c´amaras fotogr´aficas, de las cuales se experiment´o con no m´as de 10 diferentes en el estudio de este dise˜ no, lo cual significa en la posibilidad y sugerencia de probar otros tipos de dispositivos fotogr´aficos que probablemente se desempe˜ nen mejor para este trabajo. Con respecto a la alimentaci´on del sistema, el hecho de que el sistema se encuentre aislado y en un lugar de dif´ıcil acceso sugiere en todo momento el uso de alg´ un sistema de generaci´on de energ´ıa, cualquier tipo de energ´ıa renovable es aplicable. El uso de bater´ıas de plomo en conjunto a paneles solares es lo que se utiliz´o en este dise˜ no, pero requiere ciertas consideraciones con las bater´ıas, ya que ´estas se comportan de manera distinta en la altura y a la temperatura requeridas en el sistema, por ´esto se sugiere el uso de alg´ un medio de aislamiento t´ermico para los bancos de bater´ıas en ambas estaciones. La programaci´on del las distintas CPUs de este sistema no es f´acil pero tiene la ventaja de que se puede desarrollar en el lenguaje de programaci´on que m´as adecue al desarrollador como C, C++, Pearl o Java, ya que Linux Empotrado en su distribuci´on Armadeus 3 entrega soporte para ´estos lenguajes a libre elecci´on, s´olo es necesario agregarlos en el Buildroot. La tarjeta de proceso Armadeus APF27 se muestra en este caso como un sistema de control, pero de forma limitada a tareas espec´ıficas, la Armadeus es f´acil de usar, vers´atil y con una gran cantidad de posibilidades de conexi´on, adem´as de brindar la posibilidad de desarrollar en Linux. Se puede concluir de todo lo anterior que este tipo de tarjetas empotradas pueden ser utilizadas en aplicaciones que s´olo la imaginaci´on del desarrollador puede limitar.
CAP´ITULO 11. CONCLUSIONES
143
El uso de una estaci´on repetidora y tecnolog´ıa de comunicaci´on WiFi sobre el glaciar proporciona la posibilidad de ampliar el sistema en un futuro de acuerdo a las posibilidades que la geograf´ıa permita. En este caso las posibilidades de ampliaci´on del sistema puede ser b´asicas como la adici´on de una segunda estaci´on meteorol´ogica o visionario como la posibilidad de brindar se˜ nal telef´onica sobre el glaciar. Aunque el dise˜ no de este sistema de comunicaci´on es u ´til para una zona espec´ıfica del volc´an Villarrica, la idea b´asica del dise˜ no puede ser aplicada a otras locaciones de acuerdo a la disponibilidad de se˜ nal telef´onica y la geograf´ıa del lugar.
Ap´ endice A Comandos gPhoto2 Aqui se muestran todos los comandos posibles para gPhoto2. gphoto2 [--debug] [--debug-logfile FILENAME] [[-q] [--quiet]] [[-v] | [--verbose]] [[-h] | [--help]] [--hook-script FILENAME] [--list-cameras] [--list-ports] [--stdout] [--stdout-size] [--auto-detect] [--port PATH] [--speed SPEED] [--camera MODEL] [--filename FILENAME] [--usbid USBIDS] [[-a] | [--abilities]] [[--folder FOLDER] | [-f FOLDER]] [[[-R] | [--recurse]] | [--no-recurse]] [[-l] | [--list-folders]] [[-L] | [--list-files]] [[-m NAME] | [--mkdir NAME]] [[-r NAME] | [--rmdir NAME]] [[-n] | [--num-files]] [[-p RANGE] | [--get-file RANGE]] [[-P] | [--get-all-files]] [[-t RANGE] | [--get-thumbnail RANGE]] [[-T] | [--get-all-thumbnails]] [--get-raw-data RANGE] [--get-all-raw-data] [--get-audio-data RANGE] [--get-all-audio-data] [--force-overwrite] 144
´ APENDICE A. COMANDOS GPHOTO2
145
[--new] [[-d RANGE] | [--delete-file RANGE]] [[-D] | [--delete-all-files]] [[-u FILENAME] | [--upload-file FILENAME]] [--config] [--list-config] [--get-config CONFIGENTRY] [--set-config CONFIGENTRY=CONFIGVALUE] [--set-config-index CONFIGENTRY=CONFIGINDEX] [--set-config-value CONFIGENTRY=CONFIGVALUE] [--capture-preview] [[-F COUNT] | [--frames COUNT]] [[-I SECONDS] | [--interval SECONDS]] [--reset-interval] [--capture-image] [--capture-movie] [--capture-sound] [--capture-tethered SECONDS or COUNT] [--wait-event SECONDS or COUNT] [--wait-event-and-download SECONDS or COUNT] [--show-info RANGE] [--show-exif RANGE] [--storage-info] [--summary] [--manual] [--about] [--shell] Ejemplo: Tomar una fotograf´ıa y descargar todas los archivos desde la c´amara. $ gphoto2 --capture-image $ gphoto2 --get-all-files
Ap´ endice B Configuraci´ on 3G con Huawei E176 para entelpcs A continuaci´on se muestra la forma de configurar la conexi´on a internet 3G con el modem Huawei E176. Las instrucciones est´an escritas para realizarlas como si se estuviera trabajando en Ubuntu. 1. instalar WvDial 2. Crear archivo de configuraci´on (gedit). $ sudo gedit /etc/wvdial.conf 3. Llenar el archivo de configuraci´on de la siguiente manera: [Dialer Default] Carrier Check = off Init1 = ATZ Init2 = ATQ V1 E1 S0=0 &C1 &C2 +FCLASS=0 Init5 = ATZ+cgdcont=1, "IP", "imovil.entelpcs.cl" Password = 0 Check Def Route = 1 Phone = *99# 146
´ ´ 3G CON HUAWEI E176 PARA ENTELPCS APENDICE B. CONFIGURACION Idle Seconds = 0 Modem Type = Analog Modem Stupid Mode = 1 Compuserve = 0 Baud = 460800 Auto DNS = off Dial Command = ATDT Modem = /dev/ttyUSB0 ISDN = 0 Username = entelpcs [Dialer entelpcs] Stupid Mode = on Password = entelpcs Auto Reconnect = off Username = entelpcs Phone = *99# 4. Para networking actualmente en funcionamiento. $ sudo /etc/inet.d/networking stop 5. Ejecutar programa para entelpcs: $ sudo wvdial entelpcs &
147
Ap´ endice C Diagramas de Programaci´ on
148
´ ´ APENDICE C. DIAGRAMAS DE PROGRAMACION
149
Figura C.1: Diagrama de programaci´on de la CPU en la estaci´on meteorol´ogica indicando tres funciones b´asicas en detalle.
´ ´ APENDICE C. DIAGRAMAS DE PROGRAMACION
150
Figura C.2: Diagrama de programaci´on de la CPU en la estaci´on repetidora indicando cuatro funciones b´asicas en detalle.
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