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Proyecto Final de Carrera ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UN NODO INALÁMBRICO CON IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO GSM/GPRS UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS Tutor: Antonio Jesús Torralba Silgado Autor: Alfonso Grande Navarro CONTENIDO 1. Introducción y alcance. ……………………………………………………………………………………………. 1 2. Descripción de la tecnología ………………………………………………………………………………………. 2.1 GSM …………………………………………………………………………………………………………….. 2.1.1 Introducción. ………………………………………………………………………………. 2.1.2 Arquitectura de una red GSM. …………………………………………………………… 2.1.3 Transmisión en GSM. ………………………………………………………………………… 2.1.4 Servicio SMS de la red GSM. ……………………………………………………………… 2.1.5 Limitaciones de GSM para transmisión de datos. ……………………………… 3 4 4 4 6 8 8 2.2 GPRS. ………………………………………………………………………………………………………… 9 2.2.1 Introducción. ……………………………………………………………………………………. 9 2.2.2 Clases de dispositivos GPRS ……………………………………………………………… 10 2.2.3 Contexto de Protocolo de Paquete de Datos (PDP) …………………………. 11 2.2.4 Enrutamiento de Datos …………………………………………………………………… 11 2.2.5 Transferencia de Datos …………………………………………………………………… 11 2.2.6 Codificación …………………………………………………………………………………… 12 2.2.7 Clases Multislots GPRS …………………………………………………………………….. 12 2.2.8 Servicios y aplicaciones de GPRS ……………………………………………………… 13 2.2.9 Resumen GPRS ………………………………………………………………………………… 14 2.3 Comandos AT. ……………………………………………………………………………………………….. 15 2.3.1 Introducción …………………………………………………………………………………… 15 2.3.2 Protocolo de funcionamiento …………………………………………………………. 16 2.3.3 Línea de comandos AT …………………………………………………………………… 17 2.3.4 Estructura de comandos ………………………………………………………………. 17 2.3.4.1 Formato ………………………………………………………………………… 18 2.3.4.2 Modo ………………………………………………………………………………. 18 2.3.4.3 Argumento ……………………………………………………………………. 18 2.3.5 Estructura de códigos de resultados ……………………………………………. 19 2.3.6 Estructura de respuestas e indicadores …………………………………………… 19 2.4 PPP y TCP/IP. ………………………………………………………………………………………………. 20 2.4.1 Protocolo punto a punto (PPP) ………………………………………………………. 20 2.4.2 Pila de protocolos TCP/IP ……………………………………………………………….. 21 2.5 Resumen de la comunicación completa del nodo en estudio. ………………………….. 22 3. Descripción Hardware utilizado ………………………………………………………………………………….. 24 3.1 Modulo GSM/GPRS HiLoNC Sagem. …………………………………………………………….. 25 3.1.1 Introducción. …………………………………………………………………………………. 25 3.1.2 Características técnicas del dispositivo ………………………………………….. 25 3.1.3 Diagrama de bloques ……………………………………………………………………… 27 3.1.4 Interfaz de comunicación UART: V24. ………………………………………………. 27 3.1.5 Multiplexación modo Comandos/Datos ……………………………………………. 28 3.1.6 Modos de bajo consumo (SLEEP) ……………………………………………………… 29 3.1.6.1 Modo OFF ………………………………………………………………………. 29 3.1.6.2 Modo espera (Stand-by) ………………………………………………….. 29 3.1.7 Alimentación …………………………………………………………………………………… 30 3.1.8 Arrancando el módulo ……………………………………………………………………. 30 3.2 Microcontrolador. …………………………………………………………………………………………. 31 3.2.1 Introducción. …………………………………………………………………………………… 31 3.2.2 Características y especificaciones técnicas. …………………………………… 33 3.2.3 Modos de bajo consumo ………………………………………………………………… 35 3.2.4 Reloj de tiempo real (RTC) ……………………………………………………………… 36 4. Viabilidad técnica ………………………………………………………………………………………………… 37 4.1 Diseño del nodo. …………………………………………………………………………………………… 38 4.1.1 Esquema básico de conexión entre componentes del nodo. ….………. 38 4.2 Consumo del nodo. ………………………………………………………………………………………… 40 4.2.1 Microcontrolador …………………………………………………………………………… 41 4.2.2 Módulo HiloNC Sagem ……………………………………………………………………. 42 4.2.2.1 Consideraciones generales ……………………………………………… 46 4.2.2.2 Red GSM …………………………………………………………………………… 47 4.2.2.3 Red GPRS …………………………………………………………………………. 48 4.2.3 Dispositivos adicionales ……………………………………………………………… 49 4.2.3.1 Sistema interfaz con los contadores de agua ………………… 49 4.2.4 Diferentes casos. ………………………………………………………………………… 52 4.2.5 Tabla resumen consumos. ……………………………………………………………… 58 4.3 Baterías .Aspectos a tener en cuenta …………………………………………………………… 59 4.3.1 Tipos y características de las baterías. ………………………………………… 59 4.3.2 Sistema con panel fotovoltaico. ………………………………………………… 62 4.3.2.1 Paneles fotovoltaicos ……………………………………………………… 62 4.3.2.2 Reguladores …………………………………………………………………… 64 4.3.2.3 Baterías recargables ………………………………………………………… 64 4.4 Resumen autonomía nodo. ………………………………………………………………………… 67 4.4.1 Caso 1 ……………………………………………………………………………………………. 67 4.4.2 Caso 2 …………………………………………………………………………………………… 68 5. Viabilidad económica. ………………………………………………………………………………………………. 69 5.1 Coste inicial nodo. …………………………………………………………………………………………. 70 5.2 Análisis de costes. …………………………………………………………………………………………. 71 6. Bibliografía …………………………………………………………………………………………………………………. 74 AGRADECIMIENTOS Agradezco todo el apoyo recibido por mi familia en todos estos años cursados en Sevilla, tanto a mi madre, la principal, como todos mis hermanos María Teresa, Miguel, María José y Juan Antonio. Sin ellos, no hubiese sido posible realizar esta titulación. Tampoco puedo olvidarme de mi cuñado José y cuñada María, y de todos mis compañeros de universidad y amigos especiales como Joaquín, Andrés y José. A todos, de corazón, muchas gracias. Proyecto Final de Carrera 1. Introducción y alcance 1 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Este trabajo se enmarca dentro de la línea de investigación del proyecto AMICO, en el cual se desarrolla un sistema de telemedida de contadores de agua. En este sistema de telemedida, se opta por la colocación de un nodo inalámbrico en cada conjunto de contadores de agua, alimentado por batería y dotado de tecnología 802.15.4, a través de la cual, poder forma una red inalámbrica. Esta red queda formada por un nodo coordinador (o concentrador) donde se reciben todos los datos de las lecturas de los contadores de cada nodo unido a su red. Una vez recibidos todas las lecturas, a través de una pasarela con módulo GSM/GPRS, se transfiere toda la información de su red (lecturas de contadores, estado de los nodos, etc.) hacía un servidor conectado a Internet. El presente documento desarrolla un estudio de viabilidad, tanto técnicamente como económicamente, sobre la realización de un nodo inalámbrico, dotado de conectividad a Internet (a través de incorporar un módulo GSM/GPRS), para la obtención de datos del nodo remotamente. Para el sistema del proyecto AMICO, será la lectura de los contadores de agua conectados al nodo. Usar esta tecnología (GSM/GPRS), a priori, parece ser una solución eficaz, ya que otorga muchas ventajas en la transmisión de datos y a un coste razonable. Dota al nodo de una alta capacidad de independencia. El objetivo que se pretende con este proyecto es analizar y estimar el consumo de los nodos inalámbricos, ya que van alimentados por batería, y obtener su autonomía para compararla con otros sistemas que se utilicen para aplicaciones similares. El proyecto se estructura en 4 apartados. En el primero se describen la tecnología utilizada y protocolos de comunicación que se aplicarían en el desarrollo de este tipo de nodo en estudio, tanto comunicación entre microcontrolador y módulo GSM/GPRS, como protocolos de conexión a Internet. A continuación, el apartado segundo, se comentan las especificaciones técnicas y características principales del hardware utilizado. Y en los dos últimos apartados, se realiza el estudio de viabilidad técnica y económica con diferentes posibles situaciones o casos para aplicación del nodo en la lectura de contadores de agua. 2 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2. Descripción de la tecnología. 3 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.1 GSM 2.1.1 Introducción. GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) es el sistema de comunicación móvil digital denominado de “2ª generación” basado en células de radio. Apareció para dar respuestas a los problemas de los sistemas analógicos. El estándar GSM fue desarrollado a partir de 1982. Fue diseñado para la transmisión de voz por lo que se basa en la conmutación de circuitos, aspecto del que se diferencia del sistema GPRS. Al realizar la transmisión mediante conmutación de circuitos los recursos quedan ocupados durante toda la comunicación y la tarificación, que las operadoras de telefonía móvil realizan, es por tiempo. El interfaz de radio de GSM se ha implementado en diferentes bandas de frecuencia. En Europa, opera en las bandas de 900 MHz y 1800 MHz. GSM permite un rendimiento máximo de 9,6 Kbps, que permite transmisiones de voz y de datos digitales de bajo volumen, por ejemplo, mensajes de texto (SMS, Servicio de mensajes cortos). 2.1.2 Arquitectura de una red GSM. Todas las redes GSM se pueden dividir en cuatro partes fundamentales y bien diferenciadas: 1.- La Estación Móvil (MS): Consta a su vez de dos elementos básicos que debemos conocer, por un lado el terminal o equipo móvil y por otro lado el SIM o Subscriber Identity Module. 2.- La Estación Base (BSS): Sirve para conectar a las estaciones móviles con los NSS, además de ser los encargados de la transmisión y recepción. Como los MS, también constan de dos elementos diferenciados: La Base Transceiver Station (BTS) o Base Station y la Base Station Controller (BSC). La BTS consta de transceivers y antenas usadas en cada célula de la red y que suelen estar situadas en el centro de la célula, generalmente su potencia de transmisión determinan el tamaño de la célula. Los BSC se utilizan como controladores de los BTS y tienen como funciones principales las de estar al cargo de los handovers, los frequency hopping y los controles de las frecuencias de radio de los BTS. 4 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 3.- El Subsistema de Conmutación y Red (NSS): Este sistema se encarga de administrar las comunicaciones que se realizan entre los diferentes usuarios de la red; para poder hacer este trabajo la NSS se divide en siete sistemas diferentes, cada uno con una misión dentro de la red: -Mobile Services Switching Center (MSC): Es el componente central del NSS y se encarga de realizar las labores de conmutación dentro de la red, así como de proporcionar conexión con otras redes. -Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC): Un gateway es un dispositivo traductor (puede ser software o hardware que se encarga de interconectar dos redes haciendo que los protocolos de comunicaciones que existen en ambas redes se entiendan). La función del GMSC es de mediador entre las redes de telefonía fijas y la red GSM. -Home Location Registrer (HLR): El HLR es una base de datos que contiene información sobre los usuarios conectados a un determinado MSC. Entre la información que almacena el HLR tenemos fundamentalmente la localización del usuario y los servicios a los que tiene acceso. El HRL funciona en unión con en VLR que vemos a continuación. -Visitor Location Registrer (VLR): contiene toda la información sobre un usuario necesaria para que dicho usuario acceda a los servicios de red. Forma parte del HLR con quien comparte funcionalidad. -Authentication Center (AuC): Proporciona los parámetros necesarios para la autentificación de usuarios dentro de la red; también se encarga de soportar funciones de encriptación. -Equipment Identy Registrer (EIR): También se utiliza para proporcionar seguridad en las redes GSM pero a nivel de equipos. La EIR contiene una base de datos con todos los terminales que son válidos para ser usados en la red. Esta base de datos contiene los International Mobile Equipment Identy o IMEI de cada terminal, de manera que si un determinado móvil trata de hacer uso de la red y su IMEI no se encuentra localizado en la base de datos del EIR no puede hacer uso de la red. -GSM Interworking Unit (GIWU): sirve como interfaz de comunicación entre diferentes redes para comunicación de datos. 4. Los Subsistemas de soporte y Operación (OSS): Los OSS se conectan a diferentes NSS y BSC para controlar y monitorizar toda la red GSM. La tendencia actual en estos sistemas es que, dado que el número de BSS se está incrementando se pretende delegar funciones que actualmente se encarga de hacerlas el subsistema OSS en los BTS de modo que se reduzcan los costes de mantenimiento del sistema. En la figura se muestra un pequeño esquema de la estructura de una red GSM. 5 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Figura 1: Arquitectura de red GSM 2.1.3 Transmisión en GSM Para la comunicación entre la estación base y una estación móvil se utilizan canales físicos, caracterizados por un número de slots y una portadora. Dentro de cada portadora se multiplexan en el tiempo 8 ranuras o slot, formando una trama TDMA. Figura 2: Trama TDMA de GSM En cada slot asignado al terminal móvil, éste puede enviar una trama GSM. Esas tramas o ráfagas, a nivel físico, pueden ser de 5 tipos: Ráfaga normal: 6 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Ráfaga de acceso: Ráfaga de sincronización: Ráfaga de corrección de frecuencia: Ráfaga de relleno: En GSM las tramas suelen agruparse en unidades mayores llamadas multitramas. Existen dos tipos de multitramas: las que están formadas por 26 tramas y las que están formadas por 51 tramas. A su vez las multitramas se agrupan formando hipertramas. A un nivel superior, en lugar de tramas o ráfagas GSM, se habla de canales. Estos canales se dividen en: -Canales de tráfico: Llevan la voz y/o los datos -Canales de Control: señalización y señales de control. Los canales de tráfico pueden ser de 2.4, 4.8 ó 9.6Kb/s. Para el servicio SMS se utilizan canales de control. 7 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.1.4 Servicio SMS de la red GSM Uno de los principales servicios que la red GSM ofrece es la posibilidad de enviar y recibir mensajes cortos de texto (SMS). El servicio SMS permite transferir un mensaje de texto entre una estación móvil (MT) y otra entidad y viceversa. Para la correcta gestión de los mensajes SMS se hace necesario introducir en el sistema GSM el centro de mensajes cortos o SMSC (Short Message Service Center). A continuación describimos una estructura típica de una PDU para servicio de SMS, desde un terminal móvil hasta el centro de servicio. 1-12 1 7-26 Nº Destino Tipo PDU Otros datos 0-140 (bytes) Datos Usuario Figura 3: Trama PDU para servicio GSM. El tamaño máximo de datos de usuario permitido es de 140 bytes o equivalentemente, 160 caracteres de texto ASCII (7 bytes por carácter). El servicio final ofrecido es una comunicación extremo-extremo entre la estación móvil (MT) y la entidad. La entidad puede ser otra estación móvil o puede estar situado en una red fija. Las tramas a enviar por cada PDU-SMS, al no ser un servicio prioritario en la red, se envía por canales de señalización y control. Esto hace que el tiempo medio en la transmisión de un SMS puede ser en torno a 2,4 segundos. 2.1.5 Limitaciones de GSM para la transmisión de datos A partir de las características que la red GSM nos ofrece: -velocidad de transferencia de 9,6 Kbps, -tiempo de establecimiento de conexión, de 15 a 30 segundos (además las aplicaciones deben ser reinicializadas en cada sesión), -pago por tiempo de conexión, -problemas para mantener la conectividad en itinerancia (Roaming), hacen que GSM sea una tecnología mayoritariamente utilizada para la voz y no para los datos. 8 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Las tradicionales redes GSM no se adaptan adecuadamente a las necesidades de transmisión de datos con terminales móviles. Por ello surge una nueva tecnología portadora denominada GPRS (General Packet Radio Service) que unifica el mundo IP con el mundo de la telefonía móvil, creándose toda una red paralela a la red GSM y orientada exclusivamente a la transmisión de datos. Al sistema GPRS se le conoce también como GSM-IP ya que usa la tecnología IP (Protocolo Internet) para acceder directamente a los proveedores de contenidos de Internet. 2.2 GPRS 2.2.1 Introducción. GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnología que comparte el rango de frecuencias de la red GSM utilizando una transmisión de datos por medio de 'paquetes'. La conmutación de paquetes es un procedimiento más adecuado para la transmisión de datos. Permite una tasa de datos teóricos alrededor de 171,2 Kbits/s (hasta 114 Kbits/s en la práctica). El sistema GPRS actualiza los servicios de datos GSM para hacerlos compatibles con Redes de área local (LANs, Local Area Network), Redes de área extendida (WANs, Workwide Area Network), e Internet. Mientras el sistema GSM fue originariamente diseñado con un especial énfasis en las sesiones de voz, el principal objetivo de GPRS es ofrecer un acceso a redes de datos estándar, como TCP/IP. Estas redes consideran a GPRS como una subred normal. Cuando un usuario transmite datos, éstos son encapsulados en paquetes cortos en cuya cabecera se indica las direcciones origen y destino, cada uno de estos paquetes puede seguir rutas diferentes a través de la red hasta llegar a su destino, así mismo los paquetes originados por distintos usuarios pueden ser intercalados, de esta forma se comparte la capacidad de transmisión. Los paquetes, no son enviados a intervalos de tiempo, sino que cuando se necesita se asigna la capacidad de la red siendo liberada cuando no es necesaria. GPRS utiliza los recursos de radio solamente cuando hay datos que enviar o recibir, adaptándose así a las aplicaciones de datos. Permite a los operadores ofrecer un servicio a mejor precio, ya que la facturación se puede basar en la cantidad de datos enviados o recibidos. El sistema GPRS, además de las entidades GSM, requiere una serie de elementos extras como: - El nodo de acceso GPRS (GGSN, Gateway GPRS Support Node) que actúa como interfaz entre la red GPRS y la red pública de datos como IP y X.25, conectándose también con otras redes GPRS. 9 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera - El nodo de soporte de servicios GPRS (SGSN, Service GPRS Support Node). - La estructura principal o red troncal GPRS (backbone). Figura 4: Arquitectura de la red GPRS 2.2.2 Clases de dispositivos GPRS. En GPRS, la MS (estación móvil) se clasifica según la capacidad que tenga para soportar diferentes modos de operación (GSM y GPRS) simultáneamente. Dentro de estos modos tenemos: -Clase A. Pueden estar conectados simultáneamente tanto a GPRS como a GSM sin que haya degradación de la calidad de ninguno de los servicios. -Clase B. Pueden estar conectados a GPRS y GSM, pero sólo puede utilizarse un servicio. Es decir, si tenemos una llamada de voz, el servicio de GPRS se suspenderá. Una vez finalizada la llamada de voz el servicio de GPRS se restablecerá automáticamente tal y como estaba. GSM tiene la prioridad, por lo que la calidad de servicio GPRS se ve reducida. La mayor parte de móviles GPRS son de clase B. -Clase C. Pueden conectarse tanto a servicios GPRS como GSM, pero el usuario debe seleccionar entre uno y otro. 10 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.2.3 Contexto de Protocolo de Paquete de Datos (PDP) PDP (por ejemplo IP, X.25, Frame Relay) es una estructura de datos existente tanto en nodo GGSN como en nodo SGSN, que contiene información del abonado mientras permanece una conexión activa. Contiene la dirección IP asignada a la MS, nivel de calidad de servicio (QoS) y dirección del GGSN, que es la puerta de enlace de la red de datos. Esta información mencionada consta de: -Dirección PDP (IPv4, IPv6, X.25). -Dirección del GGSN (APN, Nombre del Punto de Acceso) -Calidad de Servicio (QoS) solicitada. 2.2.4 Enrutamiento de Datos El GGSN actúa como puerta de enlace entre la red GPRS y redes externas de conmutación de paquetes. Se distinguen tres tipos de enrutamientos: -Mensajes generados en la MS (estación móvil). -Mensajes generados en la red cuando la MS está en la red local. -Mensajes generados en la red cuando la MS se encuentra en una red GPRS de otro operador. 2.2.5 Transferencia de Datos Cuando una estación móvil se ha registrado a un SGSN y ha activado un contexto PDP, se puede iniciar el proceso de transferencia de datos con otros terminales. Esta información puede ser enviada desde la MS o hacia la MS. -Transferencia de datos desde la MS: La MS envía información hacia las redes de paquetes de datos externas, generando paquetes IPs con una dirección origen, una dirección destino y los datos a transferir. Para esto se crea un enlace lógico entre la MS y el SGSN, el cual a su vez envía la información al GGSN para finalmente enrutar los paquetes de datos a su destino. -Transferencia de datos hacia la MS: Un terminal que desee enviar paquetes hacia la MS sigue el proceso inverso de transmisión de datos generados desde la MS. Así, los paquetes de la red externa llegan al GGSN, el cual encapsula un paquete IP con la dirección del GGSN como dirección origen y con la dirección del SGSN como dirección destino, para finalmente enviar estos datos a la MS. 11 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.2.6 Codificación Se codifican los canales de radio para prevenir posibles errores de los paquetes que se transmiten. En GPRS existen cuatro tipos de codificación que varían sus velocidades de acuerdo a la calidad del canal. -CS-1: Usa codificación convolucional con una tasa ½, dando como resultado una velocidad de la carga útil de 9,05 Kbps o 181 bits en 20 ms. -CS-2: Usa codificación convolucional con una tasa 2/3, dando como resultado una velocidad de la carga útil de 13,4 Kbps o 269 bits en 20 ms. -CS-3: Usa codificación convolucional con una tasa 3/4, dando como resultado una velocidad de la carga útil de 15,6 Kbps o 312 bits en 20 ms. -CS-4: Este tipo de codificación se usa solo cuando la relación señal a ruido(S/R) es óptima, en esta codificación no se usa la relación 1/1. CS-4 da como resultado una velocidad de la carga útil de 21,4 Kbps o 428 bits en 20 ms. La siguiente tabla muestra la velocidad por slot en función del esquema de codificación: Método de codificación CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Rendimiento (Kbps) 9.05 13.4 15.6 21.4 Protección Normal (señalización) Ligeramente menor Reducida Sin error de conexión 2.2.7 Clases Multislots GPRS Dentro de cada portadora se multiplexan en el tiempo 8 ranuras o slots, formando una trama TDMA. La velocidad de transmisión en GPRS va en función del número de slots temporales TDMA asignados. Este número dependerá tanto de la estación a la cual nos conectemos como de la capacidad de nuestro dispositivo GPRS. Multislot Class 1 2 3 4 5 6 7 8 12 Downlink Slots 1 2 2 3 2 3 3 4 Uplink Slots 1 1 2 1 2 2 3 1 Active Slots 2 3 3 4 4 4 4 5 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 9 10 11 12 3 3 4 4 2 2 3 4 5 5 5 5 La transmisión puede ser asimétrica entre el enlace ascendente y descendente y además estas se gestionan de forma independiente. El modo de transmisión está adaptado al tiempo de navegación. Un terminal GPRS 4+1 tendrá cuatro veces mayor capacidad de transmisión de bajada que de subida. Por último, una pequeña tabla comparativa entre las velocidades de la comunicación mediante CSD (conmutación de circuitos) y mediante GPRS, con las clases comúnmente más utilizadas, clase 8 y 10. Tecnología Download (Kbps) Upload (Kbps) Configuración CSD 9.6 9.6 1+1 GPRS (Clase8 y 10 80.0 20.0 4+1 con CS-4) GPRS (Clase 10 60.0 40.0 3+2 con CS-4) 2.2.8 Servicios y aplicaciones de GPRS El conjunto de servicios soportados por GPRS se corresponde con los servicios de datos en modo paquete. Por su importancia en la sociedad actual, destacan los servicios basados sobre protocolo IP (Internet). Principalmente, los servicios ofrecidos destacan por: -Movilidad -Tiempo bajo de establecimiento -Always-on: Servicio que permite al dispositivo móvil estar siempre conectado a Internet o a una red en particular. - Facturación en base a tráfico cursado - Nº de Time Slots asignados según servicio Dentro de las aplicaciones que ofrece el servicio GPRS están las aplicaciones que en GSM son imposibles por sus limitaciones de velocidad y longitud de mensajes, como pueden ser: e-mail, servicios de chat, información visual y textual, SMS optimizado, envío de MMS, navegación web, etc. 13 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera En definitiva, servicio GPRS está dirigido a aplicaciones que tienen las siguientes características: -Transmisión poco frecuente de pequeñas o grandes cantidades de datos (por ejemplo, aplicaciones interactivas). -Transmisión intermitente de tráfico de datos “bursty” (por ejemplo, aplicaciones en las que el tiempo medio entre dos transacciones consecutivas es de duración superior a la duración media de una única transacción.) A continuación, hacemos un especial interés en el servicio MMS (sistema de mensajería multimedia) en GPRS. Para proporcionar este servicio, la red GPRS se facilita del MMSC (Centro de servicio de mensajes multimedia), que es similar en función a un centro de mensajes cortos SMSC. El límite de cada mensaje multimedia suele ser de 100 o 300 KB, dependiendo de cada terminal móvil, si bien ese límite lo definen el operador o las características del terminal y no el protocolo. El transporte de los MMS entre el usuario y el MMSC se realiza mediante una conexión WAP GPRS. Así, normalmente los operadores especifican un perfil WAP gratuito para transportar los MMS. La tarificación la realiza el MMSC y no se hace en la red núcleo de GPRS. 2.2.8 Resumen GPRS El protocolo GPRS es un protocolo de nivel tres, transparente para todas las entidades de red comprendidas entre el terminal móvil MT y el nodo GSN al que el Hilo está, lógicamente, conectado; las entidades entre las que se establece una conexión a este nivel están, de hecho, localizadas en el terminal móvil MT y en el nodo GSN. Este protocolo soporta tanto el intercambio de informaciones de control como de paquetes PDP-PDU (Packet Data Protocol - Protocol Data Unit) entre el móvil y el nodo al que éste está conectado (los PDP-PDU son, de hecho, encapsulados en las tramas GPRS). El formato de una trama GPRS prevé los siguientes campos: identificador del protocolo GPRS, identificador del protocolo de los PDU (identificador de PDP) y mensaje GPRS. El identificador del protocolo GPRS es una información numérica cuyo objetivo es el de distinguir las ráfagas que contienen paquetes GPRS, de las ráfagas que contienen informaciones GSM. El identificador del protocolo de los PDU encapsulados en las tramas GPRS es necesario para direccionar éstos en cuanto son desencapsulados, hacia el correcto SAP (Service Access Point), para distinguir entre paquetes X25, paquetes IP, ect. Las tramas GPRS son utilizadas tanto para el transporte de mensaje de control como para el transporte de paquetes de datos, por lo tanto, se hace necesario el uso de un indicador 14 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera que permita distinguir a cuál de las dos categorías posibles pertenece el mensaje GPRS. Los mensajes GPRS de control son definidos por un valor preestablecido del identificador de PDP. En GPRS, en un servicio punto a punto orientado a conexión se establece una relación lógica entre la fuente y el destinatario de los paquetes, relación que permanece activa durante el tiempo total de la conexión; el servicio es, por lo tanto, un circuito virtual, es decir, en la fase de set-up de la conexión se establece un recorrido para el routing de los paquetes, con la diferencia de que, respecto a una conexión por conmutación del circuito, los recursos físicos se liberan en cuanto el paquete genérico se ha transmitido, manteniendo la conexión lógica. 2.3 Comandos AT 2.3.1 Introducción. Para hacer uso de los servicios que ofrecen las tecnologías (GSM/GPRS) existe un lenguaje que permite controlar el modem. Este lenguaje se conoce como comandos AT o comandos Hayes, definidos en el estándar ETSI GSM 07.07. En las especificaciones, se divide el MT en adaptador de terminal (TA) y equipo móvil (ME). El TA es el elemento del MT que recibe e interpreta los comando AT y el ME es la parte que se conecta a la red. Figura 5: Resumen comunicaciones 15 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.3.2 Protocolo de funcionamiento En este apartado se explica cómo funciona el intercambio de mensajes entre los dispositivos que se quieren comunicar. El modulo se activa por medio de la recepción de instrucciones AT, cuyo valor subsiguiente modifica la ejecución del as mismas. Los mensajes enviados por el DCE proporcionan información sobre la ejecución de las instrucciones. La comunicación casi siempre la inicia el DTE, lo que significa que la petición de todos los servicios debe realizarlas el terminal mediante el envío de comandos AT. Cada comando deber ser respondido con un “código de resultados”, que será enviado por el modulo al DTE. Los mensajes “indicador” son enviados asíncronamente y son generados debido a que algunos comandos inician un modo en el que se generan eventos específicos en el DCE. Algunos comandos pueden incluir varias peticiones “respuesta”, para enviar datos desde el modulo hacia el terminal. El DCE también puede repetir los comandos recibidos y enviarlos de vuelta hacia el DTE. Figura 6: Protocolo de comandos AT 16 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.3.3 Línea de comandos AT Cada línea de instrucción debe iniciar con el código de atención “AT”, y a continuación se escribe la instrucción que el DCE debe interpretar. Tanto el código de atención como los comandos pueden ser introducidos en mayúsculas o minúsculas. Además, en cada línea de instrucción se pueden concatenar varios comandos, uno detrás del otro sin necesidad de usar separadores, siempre que se trate de comandos básicos, pero es necesario escribir punto y coma entre dos comandos, si estos son extendidos. Los comandos extendidos son los que tienen el prefijo “+”. La longitud máxima de una línea de instrucciones es de 391 caracteres y viene determinada por la capacidad de memoria intermedia. Si se sobrepasa este número, no se ejecutara ninguno de los comandos de la línea y el TA devolverá un mensaje de error. Para poder ejecutar una línea de comandos, se debe añadir al final de la misma los caracteres <CR><LF>. De no ser así, la línea de comandos permanecerá almacenada en la memoria intermedia de instrucciones hasta que reciba la correspondiente secuencia <CR><LF> o hasta que sea cancelada. Tras la recepción de <CR><LF> el DCE ejecuta las órdenes de la línea y responde con un mensaje adecuado. Figura 7: Estructura de una línea de comandos AT. 2.3.4 Estructura de comandos Cada comando individual está compuesto de tres partes: formato, modo y argumento. El formato indica si se trata de una comando básico, de un registro S o de un comando extendido. El modo nos informa si se trata de un comando de lectura, de escritura, de prueba o de ejecución. El argumento puede ser un parámetro o conjunto de parámetros separados por coma “,”. Figura 8: estructura de comandos 17 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.3.4.1 Formato El formato de un comando básico, excepto para los comandos D y S, es: “comando [<numero>]”. El comando puede ser tanto un carácter individual como el carácter “&” seguido de un carácter individual (que será un carácter alfabético). El número representa un valor entero decimal y puede ser una cadena de uno o más caracteres de “0” a “9”. Los registros S son localizaciones de memoria en el DCE donde se almacena la configuración activa. Para modificar y comprobar determinados valores de estos registros, se emplean un grupo especial de comandos, que empiezan con la letra “S”. Estos se diferencian de otros comandos en que el número que se encuentra a continuación de la “S” indica el número de registro que está siendo referenciado. A continuación de este número puede aparecer un “=”, que se usa para darle un nuevo valor al parámetro S; o un “.”, que sirve para leer el valor actual del registro indicado. Los comandos extendidos con los que comienzan con el carácter “+”. 2.3.4.2 Modo Existen cuanto tipo de comandos AT extendidos. Los comandos de lectura, tienen la estructura “AT+COMANDO?” y retoman el valor actual de los parámetros. Para establecer los valores de los parámetros relacionados con el usuario se usan los comandos de escritura, “AT+COMANDO=<...>”. Por su parte, los comandos de prueba, “AT+COMANDO=?”, hacen que el equipo devuelva la lista de parámetros y rangos de valores establecidos con el correspondiente comando de escritura o por procesos internos. Por último, los comandos de ejecución, “AT+COMANDO”, leen los parámetros no variables afectados por procesos internos del equipo. 2.3.4.3 Argumento Un parámetro es un valor adicional que se debe introducir junto con el comando y que puede ser tanto una constante numérica, como una secuencia de caracteres constante (debe iniciar y finalizar con comillas). El argumento de un comando AT puede ser un parámetro o un conjunto de parámetros separados por coma: <parámetro> <parametro1>,<parametro2>,...,<parámetroN> 18 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Si un parámetro es una cadena de caracteres debe ir entre comillas (““). Los parámetros opcionales o subparametros pueden ser omitidos a no ser que tengan otros parámetros a continuación. Un parámetro puede ser sustituido por una coma si se encuentra en medio de una cadena de caracteres. 2.3.5 Estructura de códigos de resultados Cuando el terminal emite un comando, el modulo responde con un mensaje llamado“código de resultados”, el cual proporciona información sobre el estado de ejecución de las instrucciones (es decir, el resultado del comando AT solicitado) o sobre el estado de una conexión. Estos códigos se pueden presentar tanto en formato de código numérico como en respuestas verbales. Figura 9: Estructura código resultado 2.3.6 Estructura de respuestas e indicadores Tanto la estructura de la respuestas como la de los indicadores es muy similar a la de los comandos, pero se diferencia en que entre el formato y el argumento hay un carácter que actúa como separador, “:”. Figura 10: Estructura de respuesta e indicadores. 19 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.4 Protocolo TCP/IP y PPP La comunicación entre aplicaciones software de dos dispositivos aislados, se realiza mediante la utilización de ciertos protocolos y modelos de interconexión. Un modelo común de interconexión entre sistemas es mediante la utilización de capas predefinidas. La idea fundamental de estos modelos, es que cada capa ofrece sus servicios a la capa inmediatamente superior y utiliza los servicios aportados por las capas inferiores. Existen varios modelos de capas, como por ejemplo el modelo OSI (Open System Interconnection) que define 7 capas. En nuestro caso, se utilizara una comunicación a través de Internet, que es un modelo de capas denominado TCP/IP, y que a continuación se detalla. 2.4.1 Protocolo punto a punto (PPP) PPP (Point-to-point Protocol) es un protocolo de nivel de enlace estandarizado en el documento RFC 1661. Se trata de un protocolo asociado a la pila TCP/IP que se utiliza para establecer la conexión a Internet de un dispositivo con su ISP (proveedor de servicio Internet). Proporciona un método estándar para el transporte de datagramas multiprotocolo sobre enlaces punto a punto. Sus tres principales características son: 1. Es un método para encapsular datagramas multiprotocolo, es decir, permite multiplexación de diferentes protocolos de red de forma simultánea por el mismo enlace. 2. Permite un Protocolo de Control de Enlace (LCP) para establecer, configurar, probar la conexión de enlace de datos, desconexión del enlace cuando ya no es necesario y detección de errores en la configuración. Otra de las funciones del LCP es el proceso de autenticación en el enlace. 3. Proporciona una familia de Protocolos de Control de Red (NCP) para establecer y configurar los diferentes parámetros de la capa de red con independencia del protocolo de red utilizado (un NCP para cada protocolo). Una de las funciones de estos protocolos es, por ejemplo, la gestión y asignación de direcciones IP. El NCP del TCP/IP es el IPCP (Internet Protocol Control Protocol). Protocolo Datagrama IP Protocolo: Identificador del protocolo IP encapsulado Figura 11: Trama PPP 20 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 2.4.2 Pila de protocolos TCP/IP Las siglas TCP/IP se refieren a un conjunto de protocolos para comunicaciones de datos. Este conjunto toma su nombre de dos de sus protocolos más importantes, el protocolo TCP (Transmission Control Protocol) y el protocolo IP (Internet Protocol). Desde el punto de visto de un modelo estructurado mediante capas, consta de 4 capas software (aplicación, transporte, internet y acceso a red) más una capa física. En cada una de estas capas hay variedad de protocolos que se pueden utilizar en una comunicación a través de Internet. En nuestro caso, la comunicación entre el DCE y GGSN a través de TCP/IP, se utilizarán estos protocolos en cada capa (ver figura): Aplicación FTP, DNS, HTTP,… Transporte TCP Internet (Red) Acceso a red (Enlace) Física IP PPP HARDWARE Figura 12: Modelo de capas de la pila de protocolos TCP/IP Los datos que son enviados a la red recorren la pila del protocolo TCP/IP desde la capa más alta de aplicación hasta la más baja de acceso a red. Cuando son recibidos, recorren la pila de protocolo en el sentido contrario. Durante estos recorridos, cada capa añade o sustrae cierta información de control a los datos para garantizar su correcta transmisión. Este proceso se denomina encapsulación o desencapsulación de mensajes, según se añade o sustrae información. La información añadida en el paso descendente de capas, se denominan cabeceras, que son usadas para la gestión de los servicios que cada capa ofrece a su capa inmediatamente superior. Por ejemplo, el protocolo TCP de la capa de transporte, ofrece a la capa de aplicación, un transporte fiable de datos. La capa de red, a su vez, ofrece un encaminamiento de los datos a su destino. La información que trata la capa de transporte al añadirle la cabecera, se le denominan paquetes. De igual manera, la información que la capa de red pasa a su inferior, se le 21 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera denominan datagramas. Y la información que se envía al medio físico es denominada trama. En nuestro caso, serán paquetes TCP, datagramas IP y tramas PPP. 2.5 Resumen de la comunicación completa del nodo en estudio A continuación, se detalla un resumen de cómo será la comunicación desde el dispositivo o nodo en estudio, hasta otro dispositivo modem o servidor conectado a la red Internet, en donde sea procesada y tratada toda la información recibida desde el nodo colocado en una situación aislada. Como ya se detalló en los primeros apartados, el nodo está formado básicamente por un microcontrolador y un modem GSM/GPRS, en cuanto a dispositivos intermediarios en la comunicación. Si representamos estos componentes mediante bloques genéricos en una comunicación, el microcontrolador actuará como un DTE (equipo terminal de datos) y el modem GSM/GPRS como un DCE (equipo terminal de circuitos de datos). En nuestro sistema, se define un DCE, ya que hay varias interfaces físicas en la comunicación. Según estas interfaces, el esquema de comunicación quedaría de esta manera: Enlace Puerto Serie RS232 DTE Micro DCE Modem Enlace GPRS GGSN Internet Dispositivo destino (Servidor o modem GPRS) Nodo Inalámbrico Figura 13: Esquema de comunicación Nodo inalámbrico - Servidor La comunicación entre el DTE y el DCE será mediante comandos AT. Físicamente, la conexión es un enlace serie RS232 entre la UART del microcontrolador con la UART del modem GSM/GPRS. Por otro lado, el modem GSM/GPRS puede comunicarse a Internet usando una conexión TCP/IP a través de enlace inalámbrico. 22 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera En la siguiente figura, podemos ver la torre de protocolos, en cuanto al modem GSM/GPRS. Tiene dos interfaces físicas, por un lado una interfaz serie RS232 y por otro lado una interfaz inalámbrica GSM/GPRS. TCP IP Comandos AT PPP RED GPRS RS232 Figura 14: Torre de protocolos de comunicación en modem GSM/GPRS 23 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 3. Descripción Hardware utilizado. 24 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 3.1 Módulo GSM/GPRS Hilo Sagem. En este apartado se describen las características hardware del modulo HiloNC de Sagem y su interfaz de conexión a un TE. 3.1.1 Introducción. El HiloNC es el modulo GSM/GPRS de cuatro bandas más pequeño del mercado. Está orientado a aplicaciones M2M (Machine-to-Machine), incluyendo automóvil, gestión de medidas automática, sistema de seguimiento, alarmas, seguridad, etc. Además de su reducido tamaño y coste, tiene un conjunto completo de servicios GSM/GPRS. El dispositivo incluye una pila TCP/IP embebida. Dispone de comandos AT especialmente mejorados para que un microprocesador se pueda comunicar con el HiloNC. La comunicación entre los dos dispositivos se realiza a través del puerto serie. Las bandas de frecuencia en las que trabaja son 900/1800/1900 MHz (Europa y Asia) o 850/900/1900 MHz (América del Norte), garantizando así la operabilidad en todas las redes GSM. El módulo funciona con un consumo de corriente de <1,5 mA en modo de espera y está diseñado para ofrecer un alto nivel de sensibilidad y duración de la batería. Figura 15: HiloNC de Sagem 3.1.2 Características técnicas del dispositivo Rango de Temperatura Normal: -20 a +80 Extendido: -40 a -20 y +80 a +85 Almacenamiento: -40 a +85 Peso <3g MSL Nivel 3 25 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera ESD Protección ESD < 2 kV Dimensiones 24x24x2.5 mm Conexión 51 pads alrededor del modulo Tensión de alimentación 3.2V a 4.5V, 3.7V nominal Consumo de potencia Modo off: 56 μA Modo Stand-by: 1.25 mA Modo comunicación: 220mA GSM850, EGSM900, DCS1800, PCS1900 Bandas de frecuencia Códec de voz Potencia de transmisión Tarjeta SIM soportada PWM Enlace de subida de audio Enlace de bajada de audio Interfaz UART con control de flujo Multiplexión de datos/comandos Servicios de datos Servicios suplementarios Tasa mitad, Tasa completa, Tasa completa mejorada, Tasa multiadaptativa Clase 4 (2W) para GSM850/EGSM900 Clase 1 (1W) para DCS1800/PCS1900 Tarjetas SIM de 3V y 1.8V Señales para LED y gestión de dispositivo vibrador y zumbador. Una sola entrada para el micrófono Una salida diferencial para auricular no estero Hasta 115200 bps con autodetección Control de flujo completo con las señales de control (+2.8V) Software de gestión de datos/comandos en el enlace serie de la UART GPRS, CSD, Fax Pin de alimentación Identificador de llamante, llamada en espera, retención de llamada, reenvío de llamada, multiconferencia, prohibición de llamada, aviso de carga, USSD, CPHS. Disponible Pin de reset Disponible Pines de entrada/salida de propósito general Versión GSM 5 GPIO y un ADC GPRS SMG 31bis, clase 10 multislot, terminal clase B V3.29.0 Certificación GSM/DCS GCF-CC 26 R99 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Certificación PCS NAPRD03 (V3.13.0) 3.1.3 Diagrama de bloques A continuación, se muestra el diagrama de bloques del módulo en estudio. Figura 16: Diagrama de bloques HiloNC 3.1.4 Interfaz de comunicación UART: V24. El HiloNC ofrece una interfaz V24 para comunicarse con el Host (μC) mediante comandos AT o para actualizar el firmware. Soporta una velocidad máxima de 115.2 Kbps. En la siguiente figura, se indican los pines del módulo usados para esta interfaz. Señal UART_DSR UART_DCD UART_TX UART_RTS UART_RX UART_CTS UART_RI UART_DTR 27 Número de pin 33 34 39 37 38 40 35 36 Descripción UART Data Set Ready UART Data Carrier Detect UART Transmit UART Request To Send UART Receive UART Clear To Send UART Ring Indicator UART Data Terminal Ready Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera A continuación, mostramos un esquema de conexión, mediante UART, entre un microcontrolador y el HiloNC. El fabricante recomienda que se utilice el enlace completo: Figura 17: Comunicación serie. Para el manejo de las comunicaciones serie, el dispositivo incluye comandos AT y paquetes de datos PPP. El enlace puede funcionar en dos modos diferentes: -Modo Comando: el enlace está reservado exclusivamente para los comandos AT. -Modo Datos: el enlace está reservado para el flujo de datos. Como el enlace no puede estar ocupado por los dos modos al mismo tiempo, se necesita un procedimiento que cambie de uno a otro dependiendo de qué tipo de información tenga que transmitir el Hilo. 3.1.5 Multiplexación modo Comandos/Datos Como ya se ha explicado, hay dos tipos de datos que se pueden enviar por el enlace serie: los comandos AT y los paquetes de datos PPP. Debido a limitaciones en el ancho de banda, el enlace serie no puede ser utilizado por ambos flujos de datos a la vez y por eso existen los dos modos exclusivos de funcionamiento del enlace. Puede ocurrir que durante una conexión de datos, el microprocesador tenga que comunicarle algo urgente al Hilo mediante comandos AT y aquí entra la necesidad de tener un sistema que pueda cambiar de un modo a otro automáticamente. 28 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera • La primera solución proporcionada por V25 es usar + + + y ATO. Es muy sencilla de implementar, pero tiene el inconveniente de permitir que sólo los DTE puedan controlar el cambio entre los dos modos, así, que por lo general, sólo se utiliza para colgar una llamada de datos. Hay otra opción para esta solución que es mediante el comando AT & D. Esta opción permite cambiar de modo datos a modo comando cambiando el DTR de '1 'a '0'. • La segunda solución consiste en aplicar la norma GSM 07.10, que está disponible (pero el usuario tiene que desarrollar su propio controlador para el DTE). Sagem recomienda usar esta solución. 3.1.6 Modos de bajo consumo (SLEEP) El HiloNC dispone de dos modos SLEEP disponibles, modo “off” y modo “stand-by”. Estos modos permiten un ahorro de energía cuando ciertas partes del módulo se encuentren desconectadas (no se están utilizan). 3.1.6.1. Modo OFF Cuando el módulo se encuentra en este modo (apagado), no puede recibir ninguna llamada (por red GSM), y tampoco puede recibir ningún comando AT (por enlace serie). Para salir de este modo, es decir, “despertarlo”, hay dos maneras: - Usando un reloj interno, - Mediante la activación de la señal de entrada al hilo POK_IN. 3.1.6.2. Modo espera (Stand-by) Hay dos modos en espera: • AT +KSLEEP = 0 En este caso, se controla el estado SLEEP a través del DTR (Data Terminal Ready [DTE -> DCE]) y por firmware. - DTR = 1 - El módulo nunca se duerme. - DTR = 0 - El módulo va a dormirse cuando esté preparado y no puede despertarse con comandos AT. Para activar el módulo, el DTE debe cambiar DTR a 1. 29 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera • AT +KSLEEP = 1 En este modo el estado SLEEP es controlado únicamente por firmware. El módulo va a dormirse cuando esté preparado. Se despertará con cualquier carácter recibido por la UART. Sin embargo, para asegurarnos de que el módulo ha despertado, el carácter a enviar será el "0x00". El principal interés del modo AT +KSLEEP = 0 es para poder prohibir el modo de standby. 3.1.7 Alimentación El nivel de señal VBAT debe estar en el rango de 3,2V a 4,5V, con un valor nominal de 3,7V. Nunca debe ser menor que 3,2V porque entonces se corre el riesgo de que se produzca un RESET del sistema. La corriente máxima que va a tener que soportar es de 2 A en picos muy concretos y que se producirán en raras ocasiones. Este nivel de corriente máximo será determinante a la hora de elegir ciertos componentes para el nodo en estudio. El pin VGPIO proporciona una tensión de salida de 2,8V con la que se podrían alimentar otros dispositivos (50mA de corriente en modo activo). El pin VBACKUP sirve para conectar una batería de reserva por si falla la principal. Si no se utiliza debe conectarse directamente a VBAT. 3.1.8 Arrancando el módulo Primero debe alimentarse el pin VBAT entre 3.2V y 4.5V, y debe poder ofrecer en torno a 2 A durante las ráfagas de transmisión. Para arrancar el modulo debe darse un pulso a nivel bajo en la señal POK_IN como mínimo durante un 1s. Después de unos segundos, el modulo pone la señal CTS activa cuando está preparado para recibir comandos AT. Para resetear el módulo, debe darse un pulso a nivel bajo en pad RESET durante 10 ms. 30 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 3.2 Microcontrolador Renesas H8/300H. 3.2.1 Introducción. Renesas Electronics es el mayor fabricante a nivel mundial de microcontroladores (MCU) y de otros dispositivos electrónicos. De entre todas las familias de microcontroladores, la serie H8/300H Ultra Bajo Consumo está diseñada para proporcionar una solución altamente integrada, de altas prestaciones, y con un consumo de energía extremadamente bajo. En la siguiente figura, se observa la evolución de la familia de MCU H8/300 Super Low Power, en cuanto a prestaciones y consumo de energía. Figura 18: Evolución Familia H8 Super Low Power 31 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Dentro de la familia H8/300, hay muchos modelos se MCU, que varían en cuanto al número de pines a utilizar, módulos integrados, cantidad de memoria de programa ROM y memoria volátil RAM, nivel de alimentación en rango de operación, etc. Figura 19: MCU Renesas Familia H8/300 Para el nodo en estudio, se va a escoger el serie H8/38099. Tiene buenas prestaciones en cuanto a bajo consumo se refiere, y alta capacidad tanto de memoria de programa como memoria RAM. Tiene 128 Kbytes de Flash on-chip y 4 Kbytes de SRAM. También existen versiones con ROM de 128K y 96 Kbyte para aplicaciones sensibles al coste. La serie H8/38099 ofrece arranque rápido de oscilador, donde el oscilador principal puede ‘despertar’ en unos 20 µs usando un resonador externo. Esta característica es muy 32 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera apropiada para aquellas aplicaciones que suelen pasar la mayor parte del tiempo en modo ‘sleep’ con mínima potencia. El reloj en tiempo real (RTC) integrado en chip del MCU dota de una magnífica alternativa para aplicaciones de control de tiempo, y el convertidor A/D de 10 bit de elevada resolución con un amplio rango de muestreo hace que el modelo H38099 sea ideal para una amplia variedad de tareas de medición. El H8/38099F posee un controlador de display LCD on-chip con su propio repetidor de tensión y generador de voltaje constante, que se puede programar por el usuario para crear una tensión constante para el display LCD sin preocuparse del voltaje de entrada al microcontrolador. El dispositivo también soporta control de contraste digital. Y lo principal de este MCU es que ofrece soporte para operación de baja potencia: 1.1mA a 2 MHz en modo activo, 9 µA en modo sub-activo, 0.5 µA en modo ‘watch’ con operación RTC, y 0.1 µA en modo standby. Las aplicaciones para el H8/38099 son muchas y variadas. Es una solución ideal para aplicaciones de medición, como medidores de agua y gas, así como controladores de calor como resultado de la combinación de bajo coste, mínimo consumo de potencia y magníficas características. Este bajo coste también es idóneo para muchos tipos de medidores de electricidad. El arranque de oscilador rápido es muy adecuado para aplicaciones que “duermen” en estados de potencia extremadamente baja y “despiertan” para realizar lecturas o comunicaciones. El temporizador asíncrono del H8/38099F es idóneo para aplicaciones alimentadas por batería que cuentan pulsos, ya que es capaz de contabilizar los impulsos externos y mantener una función de reloj en tiempo real con un consumo de potencia promediado de 0.5 µA. 3.2.2 Características y especificaciones técnicas. A continuación detallamos las principales características técnicas de esta familia de MCU. CPU Interrupciones 33 -CPU de alta velocidad H8/300H con una arquitectura interna de 16-bit -16 registros generales de 16-bit -62 instrucciones básicas -8 modos de direccionamiento Fuentes de 14 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera interrupción externa Fuentes de interrupción externa 27 Sistema reloj por oscilador de cristal (de 2 a 10 MHz) 32.768 kHz (oscilador de cristal) 38.4 kHz (oscilador de cristal) Frecuencia Tensión Reloj principal Pulsos generadores de reloj Sub-reloj Tensión de alimentación y frecuencia de operación Reloj principal Modos de bajo consumo -Sleep (high-speed) mode -Sleep (medium-speed) mode -Standby mode -Watch mode -Subsleep mode -Subactive mode -Active (medium-speed) mode -Modo activo: 11 mA de max (a 3 V y 10 MHz) -Modo activo: 1,1 mA (a 1,8 V y 2 MHz) -Modo subactivo: 9 uA -Modo standby: 0,1 uA -Modo watch con RTC funcionando: 0,5 uA Consumo de potencia Memoria 2 a 4.2MHz 1.8 a 3.6V 2 a 10MHz 2.7 a 3.6V Sub-reloj 32.768kHz 1.8 a 3.6V 38.4kHz Soporta 7modos bajo consumo, modo módulos standby y sistema en función de pulsos reloj. ROM Modelo Flash Memory Mask ROM H8/38099F Puertos E/S ROM RAM (byte) (byte) 128K 4K H8/38099 128K H8/38098 96K 75 pines 4K 2K Puertos E/S Puertos entrada Contadores 34 8 pines Contine: - Timer C, F y G (de 8 y 16 bits) - RTC -AEC (contador de eventos asíncronos) - TPU (contador de pulsos unitarios) -Watchdog -PWM Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Interfaces de comunicación serie - 3 canales de SCI (interfaz de comunicación serie) - 1 canal de bus I2C. Convertidor A/D -8 canales con resolución de 10 bits. Circuito reset al alimentarse Usa una capacidad externa, para generar una señal de reset interno cuando se alimenta. 3.2.3 Modos de bajo consumo Esta familia de microcontroladores, son diseñados para aplicaciones de muy bajo consumo. Para ello, nos permiten 7 modos para ahorro de consumo, cada uno dependerá de los módulos externos que se requieran que permanezcan activos mientras la CPU está inactiva. - Modo Activo (medium-speed): La CPU y todos los módulos periféricos del chip operan con el sistema reloj principal. Mediante una selección de parámetros, podemos obtener frecuencias divisibles del oscilador (φOSC/8, φOSC/16, φOSC/32, y φOSC/64). - Modo Subactivo: La CPU y todos los módulos periféricos del chip operan con el sistema subreloj. Podemos obtener frecuencias divisibles (φW/2, φW/4, y φW/8). - Modo Sleep (high-speed): La CPU se para. Los periféricos continúan operando con el reloj principal. - Modo Sleep (medium-speed): La CPU se para. Los periféricos continúan operando con el reloj principal. Mediante una selección de parámetros, podemos obtener frecuencias divisibles del oscilador (φOSC/8, φOSC/16, φOSC/32, y φOSC/64). - Modo Subsleep: La CPU se para. Los periféricos continúan operando con el sistema sub-reloj. Podemos obtener frecuencias divisibles (φW/2, φW/4, y φW/8). - Modo Watch: La CPU se para. Los periféricos continúan operando con el sistema sub-reloj. - Modo Standby: La CPU y todos los módulos periféricos del chip se paran. - Función Módulos standby: Independientemente del modo, el consumo de corriente puede reducirse parando los módulos periféricos que no se usan. 35 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 3.2.4 Reloj de tiempo real (RTC) El reloj de tiempo real (RTC) es un contador de tiempo usado para contar períodos que van desde segundos hasta semanas. Es una buena opción para provocar interrupciones en intervalos que van de 0,25 segundos hasta una semana. La siguiente figura nos muestra el diagrama de bloques de un RTC. Figura 20: Diagrama de bloques del RTC Características del RTC: • Cuenta segundos, minutos, horas, y días de semana. • Función Iniciar / detener y reset. • Contador lectura / escritura de segundos, minutos, horas, y días de semana. • Provoca interrupciones periódicas (0,25 segundos, 0,5 segundos, un segundo, minuto, hora, día y semana). • Contador libre de 8-bit. • Selección de la fuente de reloj. • Cuando se pasa el micro a modo standby, si el RTC no está en uso, también entra en este modo de ahorro de corriente. 36 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4. Viabilidad técnica. 37 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Como ya se ha comentado en apartados anteriores, los nodos inalámbricos están alimentados mediante batería. Por lo tanto, en cuanto al estudio de viabilidad técnica del nodo, es de gran importancia calcular el consumo para poder estimar la autonomía del dispositivo. Dependerá de la aplicación a la que se ajuste el nodo, el indicar si es viable o no técnicamente. En los siguientes apartados, todos los datos referidos al consumo de los dispositivos, están obtenidos de las hojas técnicas que el fabricante de cada dispositivo nos proporciona. 4.1 Diseño del nodo. El nodo inalámbrico básicamente estará constituido por un módulo GSM/GPRS, HiloNC del fabricante Sagem, y por un microcontrolador H8/300H de Renesas. También se instalaran ciertos dispositivos adicionales que dependerán de la aplicación para la que se ajuste. Esos dispositivos adicionales pueden ser memorias EPROM (si tenemos que salvaguardar cierta cantidad de datos), interfaces con otros sistemas (sensores, contadores de agua, etc.), ajustes de niveles de tensión, etc. En cuanto a la parte de alimentación, debe de incluirse una batería que pueda cumplir con todos los requisitos, tanto de tensión como de amperaje, que exige el nodo, y más en particular el HiloNC. Se estudiará también la opción de incluir un panel fotovoltaico, capaz de alimentar y recargar la batería, consiguiendo de esta manera un nodo autosuficiente. El diseño de este nodo al realizarse a batería, tiene especial interés, los modos de funcionamiento de los dispositivos en bajo consumo. En este modo el consumo es mínimo (en torno a microamperios) y eso hace que la autonomía aumente considerablemente. Para aplicaciones que la mayor parte del tiempo el dispositivo está inactivo (en modo de bajo consumo), el consumo en este modo será el valor más importante a tener en cuenta. 4.1.1 Esquema básico de conexión entre componentes del nodo. A continuación se va a detallar de manera resumida, las conexiones entre componentes para conseguir que el sistema actúe (lectura de datos y envío a través del módulo GSM/GPRS) y pase a modo de ahorro de energía cíclicamente. 38 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Interfaz Contadores CPU POK_IN Transceptor RF INT_RTC Enlace Serie HiloNC GSM/GPRS RTC H8/300 NODO INALÁMBRICO Figura 21: Esquema conexionado nodo. El funcionamiento del nodo, podemos dividirlo en cuatro fases: -Primera fase (Lectura de datos): Una vez alimentado el nodo y estabilizado, el microcontrolador realizará un proceso de lectura de los contadores de agua o la función que tenga programada. -Segunda fase (Envío de datos): el microcontrolador activa el Hilo que permanece en modo apagado, mediante la señal de entrada al Hilo POK_IN. Una vez se ha iniciado, el microcontrolador ya puede enviar los datos que obtenidos en la primera fase, a través de la red GSM o GPRS. - Tercera fase (Paso a modo de bajo consumo): El microcontrolador indica al Hilo, su paso a modo OFF, y manteniendo el módulo RTC del microcontrolador bien configurado y activo, ya puede el microcontrolador dejar de actuar y pasar a modo Standby. - Cuarta fase (Activar el sistema): una vez se cumplan las condiciones de interrupción provocada por el RTC (según el tiempo configurado), el microcontrolador se activaría nuevamente y procede a realizar el primer paso. 39 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.2 Consumo nodo inalámbrico. En este apartado se pretende estimar el consumo del nodo inalámbrico. Para ello, la mejor opción es dividir el nodo o sistema en subsistemas o dispositivos más importantes y calcular su consumo independientemente según sus modos de funcionamiento. El nodo lo podemos dividir en: 1. Microcontrolador Renesas: Es el encargado de controlar la aplicación, tanto de gestionar el HiloNC para la transmisión de datos como de interactuar con otras interfaces, como sensores, contadores de agua, etc. En cuanto a consumo dispone de dos modos de funcionamiento: a. Modo activo. b. Modo bajo consumo. 2. Módulo HiloNC GSM/GPRS: Es el encargado de las transmisiones inalámbricas de los datos que se quieren obtener del sistema. Dispone de tres modos de funcionamiento, cada uno de ellos con consumos en corriente distintos. También dependerá del tipo de red al que se conecte, GSM o GPRS. a. Modo Transmisión. b. Modo Stand-By. c. Modo bajo consumo (OFF). 3. Otros dispositivos: En este apartado, se calcula el consumo de corriente de los subsistemas adicionales que integre el nodo para las diferentes aplicaciones. En el caso de la aplicación para lectura de contadores, se debe añadir el consumo de la interfaz con los contadores de agua, y un sistema de almacenamiento para los datos proporcionados por los contadores. La actuación del nodo, podemos dividirla en tres fases o intervalos. Por tanto se puede afirmar que el consumo total del nodo será la suma de lo que consuman los dispositivos en cada intervalo: ேௗ ேௗ ேௗ ேௗ ்ܥை் = ܥை ைேௌெை + ܥா்ோ ்ைௌ + ܥாேூை ்ைௌ ேௗ ்ܥை் Consumo total del nodo. ேௗ ܥை ைேௌெை Consumo Nodo, en intervalo de bajo consumo. 40 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera ேௗ ܥா்ோ ்ைௌ Consumo Nodo, en el intervalo de ejecución de lectura o tratamiento de datos (el hilo permanece en estado de bajo consumo). ேௗ ܥாேூை ்ைௌ Consumo Nodo, durante el proceso de conexión a la red GSM/GPRS, el envío de los datos obtenidos en la fase anterior y la desconexión de red. Dependiendo de la cantidad de datos y de la red móvil seleccionada, variará el consumo de manera considerable. 4.2.1 Microcontrolador. Este dispositivo únicamente tendrá dos modos de funcionamiento, cuando está activo o cuando permanece en bajo consumo, modo standby con uso de RTC. En modo de bajo consumo permanece siempre que la aplicación esté inactiva, es decir, la mayor parte del tiempo, ya que se diseñará el nodo para aplicaciones con poca actividad, para obtener una gran autonomía. ܶை ைேௌெை = ܶை ைேௌெை Por lo contrario, el microcontrolador estará en modo activo un tiempo igual a la suma del intervalo de tiempo en despertarse y realizar la lectura de datos (contadores de agua en nuestro caso) más el tiempo que transcurra en encender el HiloNC, configurarlo para conectarse a la red adecuada y transmitir los datos obtenidos en la fase de lectura. ்ܶூை = ܶா்ோ ்ைௌ + ܶாேூை ்ைௌ Vamos a estimar que el consumo será estable en cada estado. Habrá que tener en cuenta, el consumo de las interfaces con periféricos alimentadas mediante el micro. Tal como se ha estructurado el estudio de consumo, lo tendremos en cuenta en el subapartado “otros dispositivos”. El consumo del micro Renesas en modo activo, puede tener gran variación, dependiendo de la frecuencia del oscilador de cristal y la tensión a la que esté alimentado. Suponiendo que el micro actuará con una alimentación en torno a los 3 V y una frecuencia de oscilador de 10 MHz, su consumo máximo es: ெ ܫெைை ்ூை = 11 ݉ܣ Para modo en bajo consumo, dependerá de los módulos periféricos que permanezcan activos durante el periodo de inactividad del micro. En nuestro caso, únicamente tenemos que dejar corriendo el RTC. Por tanto el consumo aproximado del microcontrolador en modo de bajo consumo “watch” con el RTC corriendo es de: ெ ܫை ைேௌெை = 0,5 µܣ 41 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.2.2 Módulo HiloNC Sagem. El HiloNC, va a ser el dispositivo que en modo de transmisión más corriente va a consumir. La transmisión de datos en GSM y GPRS, como se describió en apartados anteriores, se da mediante slots de tiempo TDMA asignados. En cada slot de tiempo asignado al terminal se transmite una ráfaga. La duración de cada slots es de aproximadamente 577 us. En este tiempo, el hilo consume picos de hasta 1.7 A. En GSM, para la transmisión de información se tiene asignado un slot de tiempo. En cambio, para GPRS, dependiendo del tipo de clase de datos, se puede tener asignado más de un slot. En nuestro caso, el HiloNC (clase 10 en GPRS) tiene una capacidad de 2 slots para transmisión y 3 slots para recepción. Con esta característica, se obtiene una tasa de datos definida en GPRS. En la siguiente tabla (proporcionada por el fabricante), se muestra el consumo de corriente del Hilo dependiendo del modo de funcionamiento. Todos los valores mostrados están reflejados a la máxima potencia de transmisión en cada instante (2W para la banda de frecuencias de 900Mhz y 1W para la banda de frecuencias de 1800Mhz). -40ºC Typ Off Mode 25ºC Typ +85ºC Max 35 uA 56 uA Typ Stand-By mode DRX2- connected to the network 1.75mA 1.90mA 2.2mA 3.6mA Stand-By mode DRX5- connected to the network Stand-By mode DRX9- connected to the network 1.15mA 1.30mA 1.6mA 3mA 0.95mA 1.10mA 1.4mA 2.8mA GSM900/850 220mA 230mA DCS/PCS 160mA 170mA GSM900/850 360mA DCS/PCS 245mA CSD mode- in communication GPRS transmitting data (2TX Slots, 3RX slots) GPRS stand-by mode- 1 o 2 PDP context are open Current consumption during a burst 42 GSM900/850 DCS/PCS The HiloNC behavior in GPRS stand-by mode is similar to GSM stand-by mode. The power consumption also depends on DRX and on other network setting (number of adjacent cells, etc.), it is between 1 and 3.4 mA. 1.7 A 1.5 A Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera A continuación se muestra un ejemplo de comunicación en GPRS (clase 10) en la banda de 900 MHz. Al ser de clase 10, hay asignados dos slots de tiempo para transmitir información. Por eso la ráfaga tiene una duración de 1.130 ms, en la que se consume en torno a 1.7 A. Figura 22: Ráfaga GPRS (clase 10) en la banda GSM900. En la siguiente gráfica, al contrario que la anterior, se muestra una comunicación GSM en la banda de 900 MHz y con un slot de tiempo (577 us). Se consume en torno a 1.7 A. 43 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Figura 23: Ráfaga GSM en la banda GSM900. En GPRS, en un servicio punto a punto orientado a conexión se establece una relación lógica entre la fuente y el destinatario de los paquetes, relación que permanece activa durante el tiempo total de la conexión; el servicio es, por lo tanto, un circuito virtual, es decir, en la fase de set-up de la conexión se establece un recorrido para el routing de los paquetes, con la diferencia de que, respecto a una conexión por conmutación del circuito, los recursos físicos se liberan en cuanto el paquete genérico se ha transmitido, manteniendo la conexión lógica. Los modos de operación en GPRS pueden ser: -Inicialización / inactivo (idle) Es el estado apagado, o no conectado a la red GSM/GPRS. Se da cuando el terminal móvil es encendido y buscando red para poder conectarse. -En espera (Stand-by) El terminal móvil está conectado a la red, pero no hay transmisión de datos. -Listo (ready) En el modo "listo" el modulo está conectado al sistema y se realiza una conexión virtual con el SGSN y GGSN. Al hacer esta conexión, la red sabe dónde encaminar los paquetes cuando son enviados y recibidos. 44 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Figura 24: Modos operación GPRS. Para realizar el estudio de consumo en cada fase para este dispositivo, vamos a tener que estimar varios tipos de datos, debido a que un módulo GSM/GPRS, dependiendo del lugar donde se encuentre y del operador que nos ofrece el servicio de conexión (cobertura con la estación base), se tendrá unos niveles diferentes de señal. El tiempo de conexión a la red, también es variante, así que para el estudio se estimará unos valores típicos. En definitiva, dependiendo de la red conectada (GSM o GPRS) tendremos un consumo, una tasa de transferencia de datos y un tiempo de conexión diferentes. En cuanto a los operadores de telefonía móvil en España, tendremos en cuanta para este estudio, los que tienen una amplia infraestructura y ofrecen cobertura en todo el territorio español. Van a ser Telefónica Móviles, Vodafone y Orange. Actualmente en España, la red GSM 900 está explotada por Telefónica Móviles y Vodafone, y la red DCS 1800, por los dos anteriores y Orange. Es un aspecto a tener en cuenta, ya que el conectarse a la red DCS 1800 para utilizar los servicios GSM/GPRS implica un menor consumo. La velocidad de transferencia no depende únicamente del nº de slots asignados sino también del método de codificación (coding scheme). El método menos robusto, y por consiguiente más rápido, es el CS-4, que estará disponible cerca de la estación base (donde la calidad de la señal será más alta y por tanto es menos propenso a errores de comunicación). Y el más robusto (y por tanto más lento) es el CS-1 que será usado cuando el dispositivo móvil esté lejos de la estación base. Las velocidades varían entre: CS-1: 9,05 Kbps (mala calidad) CS-4: 21,4 Kbps (calidad óptima, sin error de conexión) Estas velocidades son para cada slot de tiempo. El HiloNC, al ser de clase 10 (tiene 2 posibles slots para transmitir datos) podemos doblar las tasas anteriores en cada caso, si la 45 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera estación base nos ofrece dos slots para transmitir. Como resumen, las tasas de transferencia de datos que vamos a utilizar son: GSM: 9,6 Kbps GPRS (Clase 10 y CS-4): 60 Kbps de download y 40 Kbps upload. GPRS (Clase 10 y CS-1): 30 Kbps de download y 10 Kbps upload. Para ir desglosando las fases para calcular el consumo de los dispositivos, en cuanto al Hilo, el tiempo que permanece inactivo en la aplicación estudiada, será igual a la suma del tiempo que la aplicación permanezca inactiva más el tiempo que transcurra en la fase de lectura de contadores: ு ܶை ைேௌெை = ܶை ைேௌெை + ܶா்ோ ்ைௌ Por otra parte, el tiempo que el hilo estará activo, será el tiempo en conectarse a la red y transmitir los datos: ு ்ܶூை = ܶாேூை ்ைௌ Siendo ܶாேூை ்ைௌ = ܶைோூைே ோா + ்ܶோேௌெூௌூைே ்ைௌ + ܶாௌைோூைே ோா ு ு ு ܫைோூைே , ்ܫோேௌெூௌூைே , ܫாௌைோூைே Dependerán de la red a la que se conecte en cada caso. 4.2.2.1 Consideraciones generales Una vez que descritos anteriormente los aspectos a tener en cuenta en cuanto a consumo del módulo GSM/GPRS, vamos a puntualizar las consideraciones necesarias que se deben de realizar para la estimación del consumo en fases de conexión a la red. Como consideraciones conjuntas, tanto para el Hilo funcionando en modo GSM o en modo GPRS, se describen a continuación: - Se escogen los valores máximos que nos indican las especificaciones del fabricante, en cuanto al consumo de corriente del Hilo en modo transmisión y modo standby. - En cada ráfaga de transmisión, el Hilo puede llegar a consumir picos en torno a 1,7 A. Este dato sólo lo tendremos en cuanta para los requisitos de la batería que se instale en el nodo inalámbrico. Se tomará como valor de consumo del hilo, en comunicación, su media, es decir, en torno a 200- 300 mA, dependiendo del caso. 46 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera - Se supondrá que la configuración inicial del Hilo será la adecuada en cada caso. A partir de este momento, si se habla del Hilo conectado a GSM, suponemos que está bien configurado para conectarse a la red GSM automáticamente una vez se iniciado, y si hablamos de conexiones GPRS, supondremos que el Hilo está adecuadamente configurado para conectarse a la red GPRS. Cuando el Hilo permanece en modo de bajo consumo (está desconectado de cualquier red) y el microcontrolador Renesas lo despierta, automáticamente se conectará a la red adecuada en cada caso, y ese tiempo de conexión puede ser muy variable dependiendo de la cobertura de red (desde 2 o 3 segundos hasta incluso 20 segundos). Como valor medio y tiempo razonable se estima igual a, ܶைோூைே ோா = 10 ݃ݏ - El tiempo de conexión a la red, dependerá básicamente de la cobertura que tenga el nodo. Se supondrá que el nodo se colocará en un lugar con bastante cobertura, ya que si tuviese poca cobertura, además de que el tiempo de conexión aumentaría, podría tener desconexiones con frecuencia y eso provocaría perdidas de datos, desconexiones TCP establecidas anteriormente , o incluso puede ser que nunca llegue a conectarse a la red. Por tanto, la colocación del nodo será en zona con amplia cobertura de red. - El valor de consumo en modo desconectado a la red (OFF), es decir, el transceptor de RF está desactivado y el micro que posee el Hilo esta en modo de bajo consumo, que se tomará como referencia para los cálculos es: ு ܫெைை ைிி = 56 µܣ -Una vez que el hilo se ha conectado a una red, y ha enviado todos los datos correctamente a su destinatario, el micro Renesas actúa para pasar el Hilo a modo OFF. Este tiempo de desconexión de la red, lo supondremos prácticamente nulo. ܶாௌைோூைே ோா ~ 0 ݃ݏ 4.2.2.2 Red GSM A continuación se detallan las consideraciones particulares del Hilo actuando con conexión GSM. - Los consumos de corriente del Hilo en comunicación o stand by, dependiendo de la banda de frecuencias del operador será: ு ீௌெ ்ܫ ீௌெଽ = 230 ݉ܣ ு ீௌெ ்ܫ ௌଵ଼ = 170 ݉ܣ ு ீௌெ ܫௌ்ே = 1,6 ݉ܣ 47 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera - La red GSM se usará en nuestro estudio para la utilización del servicio de SMS que nos ofrece. Teniendo en cuenta, que los SMS, no es un servicio prioritario para GSM, y la red los envía a su centro de servicio SMSC aprovechando tramas de señalización y control, podemos estimar que el tiempo de envío de un SMS es aproximadamente, ܶாேூை ௌெௌ = 2,4 ݃ݏ 4.2.2.3 Red GPRS A continuación se detallan las consideraciones particulares del Hilo actuando con conexión GSM. - Los consumos de corriente del Hilo en comunicación o stand by, dependiendo de la banda de frecuencias del operador será: ு ீோௌ ்ܫ ீௌெଽ = 360 ݉ܣ ு ீோௌ ்ܫ ௌଵ଼ = 245 ݉ܣ ு ீோௌ ܫௌ்ே = 3,4 ݉ܣ - La Red GPRS se utilizará en el estudio para el envío de datos, en diferentes casos, mediante servicio de MMS o conexiones TCP a un servidor. En el servicio de MMS, el Hilo antes de la transmisión de los datos, crea una conexión WAP GPRS con el centro de servicio MMSC. Esta conexión es gratuita, y la operadora sólo tarifica el número de MMS que se envían con un precio fijo. Sin embargo, mediante conexión TCP creada, nos tarifican por la conexión realizada y por el número de datos que se transmitan. Como siempre, estos tiempos de conexión, serán variables, pero por promedio, se estiman los siguientes: ܶைோூÓே ௐିீோௌ = 2 ݃ݏ ܶைோூÓே ் = 4 ݃ݏ -Además de esta conexión a establecer en el preenvío de datos, tenemos que añadir el tiempo que transcurre en enviar la información deseada a la tasa de transferencia de datos ofrecida por GPRS. Se estima que la mejor y peor tasa ofrecida es: ܴܾ ெைோ ீோௌ = 40 ݏܾܭ ܴܾ ொேைோ ீோௌ = 10 ݏܾܭ 48 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.2.3 Otros dispositivos adicionales En este apartado, lo dejamos para tener en cuenta todos los consumos extras de periféricos que pueda resultar en el diseño del nodo. Como principalmente el estudio de viabilidad se realiza para aplicación de contadores de agua, a continuación se citan algunos aspectos a tener en cuenta en cuanto a la lectura de contadores de agua, su interfaz y protocolo utilizado. 4.2.3.1 Sistema interfaz con los contadores de agua Para realizar la lectura de contadores de agua, se hace uso del protocolo CZBUS 2.03. El objeto del protocolo CzBus es la comunicación de un sistema automático de lectura con dispositivos que envíen información y puedan interconectarse entre sí dando lugar a un bus de comunicaciones. Este protocolo de comunicaciones está especialmente indicado para dispositivos empleados en el sector de abastecimiento de agua. Es por ello que se usan muy bajos voltajes en la comunicación, pensando en la seguridad eléctrica para emplazamientos muy húmedos, incluso inundados, habituales en este sector. Es un sistema de bajo consumo previsto para la necesidad de lecturas masivas con terminales portátiles de una forma autónoma. Es completamente pasivo, sin necesidad de conexión a la red eléctrica, muchas veces no disponible en las ubicaciones de dispositivos en este sector. En este protocolo, existen 4 tramas de comunicación: Tipo A, A+, B y C. -Trama A: Cuando un dispositivo envía información utilizando una trama de formato A, envía 32 bytes asíncronos. Se envían datos útiles del contador, como su lectura, y otras especificaciones. La velocidad de transmisión es de 1200 baudios. -Trama A+: Son tramas A mejoradas, ya que permiten codificar números de serie de otros fabricantes (estandarizados en la norma “V-frame”), otras unidades de volumen y otras ventajas. El uso de una trama A o de una trama A+ así como los campos específicos usados en la trama A+ pueden configurarse a través del objeto “Control de Comunicaciones”. Las tramas se enviarán a la velocidad de 1200 bps. El tamaño de esta trama puede ser variable, de 18 a 60 bytes. -Tramas B: Las tramas de formato A o A+ transmiten la información básica del dispositivo. El protocolo para su lectura es relativamente sencillo ya que son tramas de un solo sentido: desde el dispositivo. Para acceder al resto de la información que almacena el dispositivo deben utilizarse tramas B o tramas C. Estas tramas son bidireccionales. Se usan tramas B para información firmware o para información extendida del contador. Cada trama tiene un número variable de bytes, desde 9 a 128 como máximo y la velocidad de transmisión es de 1200 baudios. 49 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera -Tramas C: Las tramas C están preparadas para enviar y recibir cualquier información del dispositivo del modo más eficiente, gracias al concepto de objeto y a la posibilidad de actuar sobre las características de la comunicación. Una trama C, en sentido genérico, ejecuta métodos sobre objetos relacionados con informaciones del dispositivo. La velocidad de transmisión puede ser variada. La longitud mínima de la trama C es de 8 bytes y la máxima es de 8+127(NID)+1023(NPayLd)=1158 bytes. Hay asociadas a los contadores de agua, dos líneas para comunicación (bus) entre el dispositivo selector y los propios contadores, la línea SEL y SDATA. Para la realización de estimación de consumo de esta interfaz, habría que ver el tiempo que cada línea permanece en cada estado (0 o 1) durante la lectura de un tipo de trama. En el proyecto AMICO se realizaron pruebas de consumo, en cuanto a la interfaz de lectura de contadores. Algunos datos obtenidos mediante pruebas experimentales, fue el consumo de cada línea para cada estado (considerando 25 contadores de agua conectados). ܫௌா = 2,46 ݉ ܣa nivel bajo ଵ ܫௌா = 172 ݉ ܣa nivel alto ܫௌ் = 7,88 ݉ ܣa nivel bajo ଵ ܫௌ் = 2,46 ݉ ܣa nivel alto Otros resultados obtenidos fue el tiempo que permanece activa la interfaz mientras se realiza la lectura de las diferentes tipos de tramas, lectura de tramas A/A+, lectura de tramas A/A+ y B, y lecturas de tramas A/A+ y C, todo esto para 25 contadores de agua. ூ௧௭ ௧ௗ௦ (ܣ/ܣ+)~ 24 ݃ݏ ூ௧௭ ௧ௗ௦ (ܣ/ܣ+, ~)ܤ58 ݃ݏ ூ௧௭ ௧ௗ௦ (ܣ/ܣ+, ~)ܥ118 ݃ݏ ்ܶூை ்ܶூை ்ܶூை Con más detalle, se describe a continuación el tiempo que cada línea (SEL y SDATA) permanece en cada estado durante la lectura de cada tipo de trama. ܶ/ା (ܵ = )ܮܧ15 ݃ݏ ܶ (ܵ = )ܮܧ15,03 ݃ݏ ܶ (ܵ = )ܮܧ50,1 ݃ݏ ଵ ܶ/ା (ܵ = )ܮܧ8,45 ݃ݏ ܶଵ (ܵ = )ܮܧ8,6 ݃ݏ ܶଵ (ܵ = )ܮܧ43,9 ݃ݏ ܶ/ା (ܵ = )ܣܶܣܦ9,2 ݃ݏ ܶ (ܵ = )ܣܶܣܦ10,1 ݃ݏ ܶ (ܵ = )ܣܶܣܦ23,2 ݃ݏ 50 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera ଵ ܶ/ା (ܵ = )ܣܶܣܦ14,2 ݃ݏ ܶଵ (ܵ = )ܣܶܣܦ13,6 ݃ݏ ܶଵ (ܵ = )ܣܶܣܦ70,7 ݃ݏ Con los datos anteriormente obtenidos, podemos concluir aproximadamente el consumo medio de corriente de la interfaz de los contadores, en función de cada tipo de trama leída. ூ௧௭ ௧ௗ௦ (ܣ/ܣ+) = 66,5 ݉ܣ ூ௧௭ ௧ௗ௦ (ܣ/ܣ+, = )ܤ55,6 ݉ܣ ூ௧௭ ௧ௗ௦ (ܣ/ܣ+, = )ܥ81,6 ݉ܣ ܫ்ூை ܫ்ூை ܫ்ூை Por otro lado, el consumo de la interfaz en modo de bajo consumo será: ூ௧௭ ௧ௗ௦ ܫை ைேௌெை = 17 µܣ Por último, en cuanto a la longitud en bytes de cada trama, que se tiene en cuenta para el cálculo de estos consumos es: ܣ ݏܽ݉ܽݎݐ: 32 ܾݏ݁ݐݕ ܣ ݏܽ݉ܽݎݐ+: 59 ܾݏ݁ݐݕ ܤ ݏܽ݉ܽݎݐ: 64 ܾݏ݁ݐݕ ܥ ݏܽ݉ܽݎݐ: 120 ܾݏ݁ݐݕ Memoria externa En el nodo diseñado en el proyecto AMICO, es necesario el uso de una memoria, en la que poder salvaguardar los datos leídos de los contadores. En este caso en estudio, con la memoria RAM que integra el microcontrolador de Renesas (4 KBytes), en principio sería suficiente. Así que este dispositivo externo, no lo tenemos en cuenta, para el cálculo de consumo. 51 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.2.4 Diferentes casos. A continuación supondremos diferentes casos de actuación del nodo inalámbrico. En cada caso se variará la cantidad de datos a tratar, lectura de los contadores y la frecuencia de transmisión, diaria o semanalmente. En cada caso, se realizará la estimación del consumo medio del nodo, estudiando cada fase o modo de funcionamiento independientemente y finalmente sumando cada término (multiplicado éste por la proporción en tiempo que el nodo permanece en cada fase). ூ௧௩ ௗ ௧ ூ௧௩ ௗ ௧ ்௧ ேௗ ܥ௨௧ = (%)ை ைேௌெை ∗ ܫை ைேௌெை + (%)ா்ோ ்ைௌ ௧௩ ௗ ௧ ூ௧௩ ௗ ௧ ேௗ ேௗ ∗ ܫா்ோ ∗ ܫாேூை ்ைௌ + (%)ாேூை ்ைௌ ்ைௌ Caso 1: (25 contadores de agua) Lectura de tramas A/A+ diarias, lecturas de tramas A/A+ y B semanales, y lecturas de tramas A/A+ y C mensuales. Para este caso particular, tenemos 25 contadores de agua, y se pretende que diariamente se lea y envíe una trama A/A+, semanalmente se lea y envíe una trama A/A+ y B, y mensualmente una trama A/A+ y C, todo ello por cada contador. Primer paso será estudiar el tiempo que el nodo permanece en cada estado de funcionamiento. 1º Fase: Nodo inactivo (bajo consumo): La corriente media que consume el nodo en este estado es: ை௧௦ ௦ ேௗ ெ ு ܫை ைேௌெை = ܫை ைேௌெை + ܫெைை ைிி + ܫை ைேௌெை ை௧௦ ௦ ܫை ைேௌெை ூ௧௭ ௧ௗ௦ = ܫை ைேௌெை ேௗ ܫை ைேௌெை = 73,5 µܣ 2º Fase: Lectura de tramas de los contadores ூ௧௭ ௧ௗ௦ ேௗ ெ ு ܫா்ோ ்ைௌ = ܫெைை ்ூை + ܫெைை ைிி + ܫ்ூை 52 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera En esta fase, el consumo de la interfaz de los contadores variará dependiendo del tipo de trama leída. Así que nos quedaría: ேௗ ܫா்ோ ்ைௌ (ܣ/ܣ+) = 77,556 ݉ܣ ேௗ ܫா்ோ ்ைௌ (ܣ/ܣ+, = )ܤ66,656 ݉ܣ ேௗ ܫா்ோ ்ைௌ (ܣ/ܣ+, = )ܥ92,656 ݉ܣ 3º Fase: Envío de los datos obtenidos mediante módulo GSM/GPRS. ை௧௦ ௦ ேௗ ெ ܫாேூை ்ைௌ = ܫெைை ்ூை + ܫை ைேௌெை ை௧௦ ௦ ܫை ைேௌெை ு + ܫெைை ்ூை ூ௧௭ ௧ௗ௦ = ܫை ைேௌெை ு ܶெைை ்ூை = ܶைோூைே ோா + ்ܶோேௌெூௌூைே ்ைௌ + ܶாௌைோூைே ோா Dependiendo del tipo de trama a leer y el número de contadores de agua, tendremos una cantidad u otra de datos a enviar. ܶܽ݉ܽñ்ாௌ ்ோெௌ /ା = 59 ∗ 25 = 1475 ܾݏ݁ݐݕ ܶܽ݉ܽñ்ாௌ ்ோெௌ /ା, = (59 + 64) ∗ 25 = 3075 ܾݏ݁ݐݕ ܶܽ݉ܽñ்ாௌ ்ோெௌ /ା, = (59 + 120) ∗ 25 = 4475 ܾݏ݁ݐݕ En esta fase, el consumo medio del hilo, dependerá de la red a la que se conecta. -Envío mediante SMS, por GSM. Una vez hallado el número de bytes a enviar por cada tipo de trama y sabiendo que por cada SMS es posible enviar 140 bytes de datos útiles, se obtiene el número de mensajes necesarios para transmitir la información de los contadores. Como se explico en su apartado correspondiente, la duración media de envío por cada SMS es de 2,4 segundos. ܵܵܯ/ା = 11 ܵܵܯ/ା, = 22 ܵܵܯ/ା, = 32 53 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera El tiempo necesario, para que el hilo envíe la información mediante SMS, es de: ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+) = 36,4 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܤ62,8 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܥ86,8 ݃ݏ El peor caso, se dará cuando se conecte a GSM a través de la banda de frecuencias GSM900, y el consumo del hilo será: ு ܫெைை ்ூை = 230 ݉ܣ El mejor caso, se dará cuando se conecte a GSM a través de la banda de frecuencias DCS1800, y el consumo del hilo será: ு ܫெைை ்ூை = 170 ݉ܣ -Envío mediante MMS, por GPRS. Para conexión mediante GPRS, hay que basarse en la tasa de transferencia de datos, para obtener el tiempo de transmisión y por tanto el intervalo de tiempo que el hilo permanece activo. Para enviar MMS, previamente el Hilo establece una conexión WAP con el centro de servicios de MMS, el MMSC, y una vez establecida, se envía todos los datos conjuntamente. ு ܶெைை ்ூை = ܶைோூைே ோா + ܶாௌ்ாூெூாே்ை ௌாௌூைே ீோௌ + ்ܶ ்ைௌ El peor caso, se dará cuando se conecte a GPRS a través de la banda de frecuencias GSM900, y la tasa de datos sea de 10 Kbps. ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+) = 13,18 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܤ14,46 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܥ15,58 ݃ݏ ு ܫெைை ்ூை = 360 ݉ܣ El mejor caso, se dará cuando se conecte a GPRS a través de la banda de frecuencias DCS1800, y la tasa de datos sea de 40 Kbps. ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+) = 12,295 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܤ12,615 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܥ12,895 ݃ݏ 54 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera ு ܫெைை ்ூை = 245 ݉ܣ -Envío mediante conexión TCP con servidor, por GPRS. Es similar al ejemplo anterior, pero en este caso, el Hilo se comunica con un servidor conectado a la red de Internet, mediante una conexión TCP. Antes de la transferencia de datos desde el Hilo al servidor, se tiene que realizar un establecimiento de conexión TCP, entre los dos puntos. ு ܶெைை ்ூை = ܶைோூைே ோா + ܶாௌ்ாூெூாே்ை ௌாௌூைே ீோௌ + ்ܶ ்ைௌ El peor caso, se dará cuando se conecte a GPRS a través de la banda de frecuencias GSM900, y la tasa de datos sea de 10 Kbps. ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+) = 15,18 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܤ16,46 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܥ17,58 ݃ݏ ு ܫெைை ்ூை = 360 ݉ܣ El mejor caso, se dará cuando se conecte a GPRS a través de la banda de frecuencias DCS1800, y la tasa de datos sea de 40 Kbps. ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+) = 14,295 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܤ14,615 ݃ݏ ு ܶெைை ்ூை (ܣ/ܣ+, = )ܥ14,895 ݃ݏ ு ܫெைை ்ூை = 245 ݉ܣ En la siguiente tabla, se recoge el consumo medio del nodo en la fase de envío de datos, según la forma utilizada para el traspaso de datos en su mejor y peor caso. SMS Peor Caso Mejor Caso Peor Caso MMS Mejor Caso Conexión TCP Peor Caso Mejor Caso = ܫ241 ݉ = ܫ ܣ181 ݉ = ܫ ܣ371 ݉ = ܫ ܣ256 ݉ = ܫ ܣ371 ݉ = ܫ ܣ256 ݉ܣ 55 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Para finalizar este caso real de lecturas de contadores, se indica el consumo medio (mAh) del nodo, diferenciando el tipo de trama leída y modo de transmisión de los datos. A partir de la siguiente fórmula, y con los valores obtenidos anteriormente se obtiene el resultado indicado en la tabla. ܫேைை (ܽ݉ܽݎݐ ݅ݐ/݉ݒ݊݁ ݀í) ேௗ = (ܶை ைேௌெை ∗ ܫை ைேௌெை )/24 + (ܶா்ோ ்ைௌ ேௗ ∗ ܫா்ோ ்ைௌ ())ܽ݉ܽݎݐ ݅ݐ/24 + (ܶாேூை ்ைௌ ேௗ ∗ ܫாேூை ்ைௌ (݉ݒ݊݁ ݀í))/24 SMS MMS Conexión TCP Peor Caso Mejor Caso Peor Caso Mejor Caso Peor Caso Mejor Caso A/A+ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ = 198,52 µ = ܣ173,24 µ = ܣ153,60 µ = ܣ133,44 µ = ܣ162,19 µ = ܣ139,36 µܣ A/A+ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ y B = 295,31 µ = ܣ251,70 µ = ܣ179,65 µ = ܣ157,56 µ = ܣ190,86 µ = ܣ163,48 µܣ A/A+ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ y C = 443,98 µ = ܣ383,70 µ = ܣ268,83 µ = ܣ240,13 µ = ܣ277,41 µ = ܣ246,06 µܣ En este caso, en un ciclo de actuación del nodo inalámbrico (30 días), se realizan 24 ciclos de lectura de tramas A/A+, 4 ciclos de lecturas de tramas A/A+ y B, y 1 ciclo de lectura de tramas A/A+ y C. Por consiguiente, el consumo medio de corriente del nodo (Ah), teniendo en cuenta la frecuencia de lectura y envío de cada tipo de trama, nos resulta el siguiente consumo: ܫேைை = (24/30) ∗ ܣ(ܫ/ܣ+) + (4/30) ∗ ܣ(ܫ/ܣ+, )ܤ+ (1/30) ∗ ܣ(ܫ/ܣ+, )ܥ SMS Peor Caso Mejor Caso MMS Peor Caso Mejor Caso Conexión TCP Peor Caso Mejor Caso ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ = 208,24 µ = ܣ185,94 µ = ܣ155,79 µ = ܣ135,76 µ = ܣ164,45 µ = ܣ141,49 µܣ 56 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Caso 2: (25 contadores de agua) Lecturas de tramas A/A+ y B semanales, y lecturas de tramas A/A+ y C mensuales. Para este caso particular, tenemos 25 contadores de agua, y se pretende que semanalmente se lea y envíe una trama A/A+ y B, y mensualmente una trama A/A+ y C, todo ello por cada contador. En principio, es similar al caso anterior, lo único que en lugar de realizar lectura y envío de trama A/A+ diariamente, el nodo permanecerá inactivo, en bajo consumo. Partiendo de los resultados obtenidos en el apartado anterior, podemos concluir: SMS MMS Conexión TCP Peor Caso Mejor Caso Peor Caso Mejor Caso Peor Caso Mejor Caso Sin leer = ܫ73,5 µ = ܫ ܣ73,5 µ = ܫ ܣ73,5 µ = ܫ ܣ73,5 µ = ܫ ܣ73,5 µ = ܫ ܣ73,5 µܣ trama A/A+ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ = 295,31 µܣ = 251,70 µܣ = 179,65 µܣ = 157,56 µܣ = 190,86 µܣ = 163,48 µܣ yB A/A+ yC ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ ܫ = 443,98 µ = ܣ383,70 µ = ܣ268,83 µ = ܣ240,13 µ = ܣ277,41 µ = ܣ246,06 µܣ En este caso, en un ciclo de actuación del nodo inalámbrico (30 días), se permanecen 24 días sin actividad, 4 días con ciclos de lecturas de tramas A/A+ y B, y 1 día con ciclo de lectura de tramas A/A+ y C. Por consiguiente, el consumo medio de corriente del nodo (Ah), teniendo en cuenta la frecuencia de lectura y envío de cada tipo de trama, nos resulta el siguiente consumo: ܫேைை = (24/30) ∗ )ݒ݅ݐܿܽ݊݅(ܫ+ (4/30) ∗ ܣ(ܫ/ܣ+, )ܤ+ (1/30) ∗ ܣ(ܫ/ܣ+, )ܥ SMS Peor Caso Mejor Caso MMS Peor Caso Mejor Caso ܫ ܫ ܫ = 112,97 µ = ܣ105,15 µ = ܣ91,71 µܣ 57 ܫ = 87,81 µܣ Conexión TCP Peor Caso Mejor Caso ܫ = 93,49 µܣ ܫ = 88,8 µܣ Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.2.5 Tabla resumen consumos. En la presenta tabla, se resumen los consumos de corriente media del nodo (uAh) de los casos anteriormente citados y explicados. Tipo conexión red móvil para envío de datos Red GSM (mediante SMS) Red GPRS (mediante MMS) Red GPRS (conexión TCP en modo cliente a un servidor) Mejor caso (uA) Peor caso (uA) Mejor caso (uA) Peor caso (uA) Mejor caso (uA) Peor caso (uA) 185,94 208,24 135,76 155,79 141,49 164,45 105,15 112,97 87,81 91,71 88,8 93,49 (CASO 1) Lectura de 25 contadores. - Tramas A/A+ diarias. -Tramas A/A+ y B semanal. -Tramas A/A+ y C mensual. (CASO 2) Lectura de 25 contadores. -Tramas A/A+ y B semanal. -Tramas A/A+ y C mensual. 58 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.3 Baterías. Aspectos a tener en cuenta 4.3.1 Tipos y características de las baterías. Los nodos inalámbricos en estudio van alimentados por batería. A continuación se describen los aspectos más importantes, en cuanto a la capacidad de amperaje, voltaje, y otras características de las baterías. Al tener instalado, sobre el nodo, un módulo GSM/GPRS, se complica el estudio sobre el tipo de batería a utilizar, ya que en principio, no valdría cualquier batería. El HiloNC al realizar transmisiones mediante ráfagas, necesita fuertes picos de intensidad, en torno a 1,7 A. Esta cantidad de amperaje la debe de poder suministrar la batería. Una batería que no cumpla éste requisito, al poco tiempo de suministrar este amperaje se descargaría totalmente. Lo habitual en las baterías, en que cuando sea necesario suministrar esos picos de corriente, se contrarresta eléctricamente con una pequeña bajada de tensión. Si la tensión nominal que nos ofrece una batería es de 3,6 V, debemos tener en cuenta que la bajada de tensión provocada por el suministro de 1,7 A, no sea tan elevada, ya que si en algún instante de tiempo, el nodo queda alimentado por una tensión menor de 3,2 V, se restearía el Hilo (tiene condición de alimentación mayor que 3,2 V) y la aplicación nos daría errores en la comunicación. Una opción, podría ser el escoger una batería con voltaje algo superior para no provocar el reseteo del Hilo. Hay muchos tipos de baterías, tanto recargables como no recargables. Por ejemplo, para explicar las características principales de las baterías, se escoge una no recargable de Litio, del fabricante Saft, y que cumple los requisitos para poder alimentar adecuadamente el nodo inalámbrico. Figura 25: batería modelo LSH 14, 3,6 V y capacidad de 5,8Ah Por ejemplo, el modelo LSH 14, del fabricante Saft, es una batería que nos proporciona una tensión nominal de 3,6 V y una capacidad de hasta 5,8 Ah. Para esta misma tensión nominal, Saft, oferta baterías de hasta 14 Ah. 59 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera En la hoja de especificaciones, se indica que ésta batería soporta picos (pulsos menores de 0,1 segundo) de hasta 2000mA, aunque nos recomiendan que la máxima corriente en continua sea de 1300mA. El usar una batería con corrientes mayores de lo especificado, hace que se degrade rápidamente. La capacidad que el fabricante nos indica en un primer momento, se corresponde siempre en condiciones óptimas, tanto de temperatura de funcionamiento como te corriente suministrada. Mientras menor temperatura de funcionamiento, la capacidad disminuye considerablemente. Y en cuanto a la corriente media suministrada, mientras mayor sea, menor es la capacidad total. En las siguientes gráficas se puede observar todo lo descrito en este apartado. Figura 26: Variación de la tensión frente a la corriente suministrada y temperatura de funcionamiento. Observando la gráfica anterior, se puede decir que ha +20ºC (temperatura ambiente), la tensión disminuye dependiendo de la cantidad de corriente que consuma el nodo. Sobre este aspecto, tener en cuenta, que al aplicar el pico de 1,7 A, la tensión no sea inferior a 3,2 V. 60 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Figura 27: Duración de la batería dependiendo de la corriente media suministrada. El nodo estudiado, a pesar de tener momentos puntuales, en los que el consumo en comunicación puede ser en torno a los 300 mA, la mayor parte del tiempo a estar inactivo, su consumo es del orden de microamperios. Figura 28: Capacidad nominal de la batería, dependiendo de la corriente y temperatura. 61 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera En esta última gráfica, se observa, como la capacidad nominal, puede disminuir bastante, dependiendo del amperaje que tenga que suministrar a un circuito. A amperajes altos, la capacidad disminuye considerablemente debido a su degradación. Para considerar todos los aspectos anteriormente citados, se va a suponer que la carga útil de la batería, será del 70% de la indicada por el fabricante. ்ܳூ ்ாோூ = 0,7 ∗ ்ܳாோூ 4.3.2 Sistema con panel fotovoltaico. Otra opción para alimentar el nodo inalámbrico, puede ser mediante la utilización de un sistema fotovoltaico. Un sistema fotovoltaico está formado básicamente por los siguientes componentes: paneles fotovoltaicos que transforman la energía lumínica del sol en energía eléctrica mediante las celdas solares, baterías para acumulación de la electricidad para su utilización posterior en momentos en que no existe luz solar o periodos de escasez de la misma, regulador de carga que protege a las baterías contra sobrecargas y controla las descargas, y finalmente el nodo a conectar o cargas del sistema. El consumo del nodo, es una parte determinante del equipo ya que es el que nos indicara el dimensionado del sistema. 4.3.2.1 Paneles fotovoltaicos Las celdas fotovoltaicas son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, en un proceso en el que la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produciendo una diferencia del voltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo que se pueda producir trabajo útil. El mercado ofrece numerosos tipos de celdas fotovoltaicas. Todas las celdas pertenecen a uno de los grupos mencionados a continuación: - Mono-cristalinas. - Poli-cristalinas. - Amorfas. Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de las poli-cristalinas puede alcanzar el 20% mientras que el de las amorfas puede no llegar al 10%, sin embargo su coste y peso es muy inferior. 62 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Figura 29: Panel fotovoltaico. Los paneles o módulos fotovoltaicos están formados por muchas celdas fotovoltaicas. Generalmente en las hojas de características de los módulos fotovoltaicos suelen aparecer unos datos eléctricos que vienen a determinar el comportamiento eléctrico del modulo bajo unas condiciones estándar de medida (STC) que suelen ser, por convenio internacional, de 1000w/m2 (plena luz solar) y T=25ºC. Algunas de estas especificaciones técnicas suelen ser: -La intensidad o corriente de cortocircuito (Icc o Isc) se produce a tensión cero y se mide conectando un simple amperímetro a la salida de la célula o panel. -La tensión de circuito abierto (Vca o Vsc) es realmente la tensión máxima que puede dar una célula o panel y se mide directamente entre bornes de la célula o panel con un voltímetro. -La potencia pico (Wp) es simplemente el producto real máximo de la corriente y la tensión producida. Obviamente la Wp teórica es superior a la Wp real. Hay muchos tipos de paneles que ofrecen diferentes características en cuanto a tensión y corriente se refiere. El panel de la figura anterior, proporciona salida de 6 V en DC, y una potencia de 1 W (unos 167mA). La siguiente figura, es una célula fotovoltaica que proporciona 1,5 V, y unos 300 mA en corriente. Figura 30: célula fotovoltaica 63 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Para obtener una tensión de salida o corriente de carga mayor, se agrupan estas células en serie y en paralelo. Si agrupamos dos células de este tipo en serie, se obtiene una salida de 3 V, y 300 mA. Si agrupamos dos células en paralelo, se obtiene una salida de 1,5V y 600 mA de corriente. Por tanto, agrupando tres células fotovoltaicas en serie, se obtiene una salida de 4,5 V y una corriente de unos 300 mA. 4.3.2.2 Reguladores Los reguladores son dispositivos electrónicos que se intercalan entre los paneles fotovoltaicos y las baterías, y que sirven para controlar el estado de la carga de estas últimas. Un buen regulador protegerá la batería alargando su vida útil. Sus principales funciones son las siguientes: -Limitar la descarga de las baterías de tal forma que no sobrepase un determinado valor. -Controlar el proceso de carga, evitando sobrecargas que reducen la vida útil de las baterías. Los reguladores más sencillos miden la tensión de las baterías y establecen una relación proporcional con la carga de la misma. Los más avanzados llevan un microprocesador y por medio de un algoritmo son capaces de detectar la curva característica de cada batería. 4.3.2.3 Baterías recargables La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de poca iluminación. Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. En cuanto a las características de las baterías recargables, se debe de tener en cuenta la velocidad de carga y descarga, los ciclos de carga-descarga (vida útil de la batería), tensión máxima de carga, máxima corriente de carga, etc. Someterlas a carga y descargas violentas y repetidas, descargarla hasta el agotamiento, trabajar a temperaturas extremas, provoca un considerable acorte de la vida útil de una batería. Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (número de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su 64 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera vida útil). La capacidad de acumulación de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad de una batería se mide en Amperios/hora (Ah), para un determinado tiempo de descarga. Si este tiempo es muy corto, la capacidad de la batería disminuye, mientras que si el tiempo de la descarga aumenta haciéndose ésta lenta, la capacidad de la batería aumenta. Para comprobar este tipo de características de las baterías recargables, se escoge una batería de litio-ion del fabricante Saft. Sus características son: -Tensión nominal (proporcionando 0,9 A a 20ºC): 3,7 V -Capacidad típica (proporcionando 0,9 A a 20ºC): 4,4 Ah -Tensión máxima de carga: 4,20 V -Máxima corriente de carga recomendada: 4,4 A Figura 31: Perfil de descarga a 20ºC (dependiendo de la carga) En esta figura se aprecia como varía la tensión, dependiendo de la corriente necesaria para la carga. 65 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Figura 32: Características de carga, hasta 4,2 V. En la anterior figura, se puede apreciar que con una corriente de 0,9A, tardaría entre 5 y 6 horas en cargar la batería. Conclusión sistema fotovoltaico Para el tipo de aplicación en estudio, nodo inalámbrico para lectura de contadores de agua, en la que la mayor parte del tiempo el nodo está inactivo (en bajo consumo), es decir, el consumo requerido es en torno a los 100 uA, y que en el momento de la transmisión de datos (activación del HiloNC) requiera picos altos de corriente, no parece buena idea la instalación de un panel fotovoltaico. El instalar una placa fotovoltaica nos puede proporcionar una corriente de manera continua siempre que la intensidad solar recibida sea adecuada. La energía captada apenas es aprovechada, ya que, cuando realmente el nodo necesita picos altos de corriente, son suministrados por la batería. Realmente, el consumo que se ahorraría una batería al tener un panel fotovoltaico alimentando al nodo mientras hay condiciones adecuadas de luz solar, no sería elevado en nuestra aplicación (el consumo del nodo es en torno a 100 uA). En definitiva, se desaprovecha el sistema en una aplicación de este tipo. El coste de un panel fotovoltaico, que proporcione 6 V de salida y unos 167 mA es de 6,4 €. Las baterías recargables son mucho más caras que una batería no recargable. Como se indica en el próximo apartado, la autonomía del nodo con una simple batería no recargable puede llegar a ser de varios años. Por tanto, en cuanto a tener en cuenta el coste del sistema, 66 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera es más rentable utilizar en este tipo de aplicaciones pilas no recargables que un sistema fotovoltaico con el que conseguir un aumento de autonomía con mucho mayor coste. Para aplicaciones que constantemente necesiten un consumo superior de corriente, este sistema si sería adecuado, ya que durante el día, además de alimentar el nodo, se proporciona recarga para la batería (que actuaría durante la noche). 4.4 Resumen autonomía nodo. Según los casos vistos en apartados anteriores, se describe a continuación la autonomía del nodo, para diferentes tipos de baterías. 4.4.1 Caso 1 (25 contadores de agua) Lectura de tramas A/A+ diarias, lecturas de tramas A/A+ y B semanales, y lecturas de tramas A/A+ y C mensuales. Capacidad Batería 3,6 Ah 5,8 Ah 9,3 Ah Mejor caso 13552,76 horas 1,55 años 21835 horas 2,49 años 35011,3 horas 4 años Peor caso 12101,42 horas 1,38 años 19496,73 2,22 años 31262 horas 3,57 años Mejor caso 18562,16 horas 2,12 años 29905,71 horas 3,41 años 47952,27 horas 5,47 años Peor caso 16175,62 horas 1,85 años 26060,72 horas 2,97 años 41787,02 horas 4,77 años Mejor caso 17810,45 horas 2,03 años 28694,6 horas 3,27 años 46010,32 horas 5,25 años Peor caso 15323,8 horas 1,75 años 24688,35 horas 2,82 años 39586,5 horas 4,52 años SMS MMS Conexión TCP 67 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 4.4.2 Caso 2 (25 contadores de agua) Lecturas de tramas A/A+ y B semanales, y lecturas de tramas A/A+ y C mensuales. Capacidad Batería 3,6 Ah 5,8 Ah 9,3 Ah Mejor caso 23965,76 horas 2,73 años 38611,5 horas 4,41 años 61911,55 horas 7,06 años Peor caso 22306,8 horas 2,55 años 35938,74 horas 4,1 años 57625,92 horas 6,58 años Mejor caso 28608,32 horas 3,27 años 46236,19 horas 5,28 años 74137,34 horas 8,46 años Peor caso 27477,92 horas 3,14 años 44269,98 horas 5,05 años 70984,62 horas 8,1 años Mejor caso 28378,37 horas 3,24 años 45720,72 horas 5,22 años 73310,81 horas 8,37 años Peor caso 26954,75 horas 3,08 años 43427,1 horas 4,96 años 69633,11 horas 7,95 años SMS MMS Conexión TCP 68 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 5. Viabilidad económica. 69 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera En esta parte del estudio, la viabilidad económica, el aspecto más importante a tener en cuenta es el coste de la utilización de la red GSM/GPRS. Ese coste dependerá del número de mensajes SMS, MMS o conexiones TCP a Internet para gran transferencia de datos, que la aplicación necesite. Por otro lado, también se indica un valor aproximado de los principales dispositivos que forman el nodo, para estimar un coste inicial. Comparando el nodo en estudio (tecnología GSM/GPRS) y el nodo desarrollado en proyecto AMICO (tecnología 802.15.4), y suponiendo que el coste de la PCB (placa de circuito impreso) será similar, las únicas diferencias en dispositivos sería que uno lleva un módulo GSM/GPRS y el otro un transceptor RF para tecnología 802.15.4 con su micro. Por lo demás, ambos tienen que integrar una antena (adecuada a la banda de frecuencias deseada) y se diseñarían con interfaz de lectura de contadores, y con batería. A priori, se puede equiparar al coste inicial del nodo en estudio, con el nodo inalámbrico del proyecto AMICO. Aunque el HiloNC utilizado en este nodo en estudio pueda resultar algo más costoso que el transceptor usado en AMICO, no es necesaria la utilización de nodos concentradores adicionales como ocurre en caso del proyecto AMICO. 5.1. Coste inicial nodo Como el nodo con tecnología GSM/GPRS es un nodo en estudio, y no se dispone de un diseño de placa electrónica específica, a la hora de estimar el coste, se tendrá en cuanta los principales componentes que difieren del nodo diseñado en AMICO. Componente Precio (sin IVA) Microcontrolador RENESAS H8/38099 6,04 €/unid (comprando 58 unid.) Modulo GSM/GPRS HiloNC de Sagem 31.5 €/unid (comprando 7 unid.) Batería no recargable LSH14 6Ah 10.81 €/unid (comprando 150 unid.) La parte de comunicaciones en nodo AMICO tiene un coste aproximado de 11 € (transceptor RF con tecnología 802.15.4). Mientras que en el nodo en estudio, la parte de comunicaciones (Renesas más HiloNC) tiene un coste aproximado de 38 €. Existe una diferencia importante, en torno a 27 € por nodo. 70 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 5.2. Análisis de costes Para empezar a estimar el coste que, según el tipo de servicio utilizado, puede tener la aplicación mensualmente, se indica en una tabla los precios de cada servicio y para cada operador. Los costes son indicados sin el IVA incluido. Operador Telefónica Móviles Vodafone Orange Precio SMS 0,15 € 0,15 € 0,15 € Precio MMS Hasta 1 KB 1 a 29 KB 0,3 € 1€ 30 a 300 KB 0,6 € 0,9 € 1,2 € Precio conexión GPRS No actualmente No actualmente 0,10 € Precio GPRS No actualmente No actualmente 0,01 € /KB Bonos mensuales conexión internet 10 € (sin límites) 15 €, conexión (0,01 €) hasta 150 MB/mes 19 € (sin límites de tráfico) No actualmente 100 SMS por 10 € 200 SMS por 18 € 200 SMS por 12 € 1000 SMS por 20 € Bonos mensuales SMS Aspecto importante sobre las tarifas de datos: actualmente los usuarios, a través de modem UMTS/HSUPA, tienen la posibilidad de acceder a Internet mediante red móvil y a una alta velocidad. Tanto por estos módems UMTS como los nuevos terminales móviles, que hacen uso de la red móvil para datos diariamente y con frecuencia, las operadoras llevan ya un tiempo ofreciendo tarifas planas para acceso a internet, con un precio fijo mensual. En los primeros años de explotación de la red GPRS, las operadoras tarificaban el consumo al usuario mediante el número de KB de datos transferidos. Actualmente, sólo Orange permite una opción de tarificar por número de conexiones y datos enviados y recibidos. 71 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Suponiendo los casos de los apartados anteriores, los datos que se transmiten mensualmente: Trama A/A+ (diarias) 1475 bytes por día (1,45 KB) (11 SMS al día) Trama A/A+ y B (semanal) 3075 bytes por semana (3 KB) (22 SMS semanal) Trama A/A+ y C (mensual) 4475 por mes (4,38 KB) (32 SMS mensual) TOTAL (por mes) 52175 bytes por mes (51 KB) (384 SMS al mes) Trama A/A+ y B (semanal) 3075 bytes por semana (3 KB) (22 SMS semanal) Trama A/A+ y C (mensual) 4475 por mes (4,38 KB) (32 SMS semanal) Caso 1 Caso 2 TOTAL (por mes) 16775 bytes por mes (16,4 KB) (120 SMS al mes) Como se puede observar en la tabla anterior, para aplicaciones de lectura de contadores de agua, no hay un elevado número de bytes a transmitir. A partir de las tarifas que ofrecen las diferentes operadoras y escogiendo la de menor coste, obtenemos el gasto mensual en cada caso y para cada operadora: (el precio está indicado sin IVA). 72 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Operadora SMS MMS Conexión TCP Telefónica (sin bono) 57,6 € 30 € (tarifa plana) 10 € Vodafone (con bono 200 SMS) 45,6 € 18 € (tarifa plana) 15,3 € Orange (con bono 1000 SMS) 20 € 27 € (por tráfico cursado) 3,55 € Telefónica (sin bono) 18 € 5€ (tarifa plana) 10 € Vodafone (con bono 100 SMS) 13 € 3€ (tarifa plana) 15,05 € Orange (con bono 200 SMS) 12 € 4,5 € (por tráfico cursado) 0,67 € Caso 1 Caso 2 Observando la tabla anterior, tanto en el caso 1 como en el caso 2 se obtiene el menor coste mediante conexiones TCP a Internet a través de la operadora Orange (gracias a su tarificación mediante KB enviado). La peor opción en los dos casos se da cuando se utiliza el envío de SMS mediante Telefónica. Como conclusiones, se puede decir que la utilización de un nodo inalámbrico con tecnología GSM/GPRS será rentable dependiendo de la aplicación a la que se destine. En aplicaciones en las el número de bytes a transmitir es muy bajo, y no muy frecuente, puede ser ventajoso el envío de SMS. En caso contrario, en aplicaciones con gran cantidad de datos a transmitir mensualmente, lo más rentable es usar las tarifas planas de datos para conexiones TCP. El uso de MMS, es muy ventajoso para envío de medianas cantidades de datos (hasta 300 KB), y no muy frecuentemente. 73 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 6. Bibliografía. 74 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera Documentación Proyecto AMICO Hernando Rábanos, José María [2006] “Transmisión por radio” RFC 1661 (Protocolo PPP)URL: http://www.faqs.org/rfcs/rfc1661.html Módulo GSM/GPRS HiloNC Sagem URL: http://www.alphamicro.net/resources/Sagem/HiLo/Hilo-NC-brochure1208_GB.pdf Manual Hardware Renesas URL: http://documentation.renesas.com/eng/products/mpumcu/rej09b0309_h838099hm. pdf Información Renesas Familia H8/300 URL:http://www.renesas.com/products/mpumcu/slp_microcomputer/h8300h_slp/h8 _38099/h8_38099_root.jsp Protocolo CzBUS 2.03 URL: http://czbus.com/archivos/CzBus%202.03%20rev1.pdf Fabricante baterías SAFT URL: http://www.saftbatteries.com/ Paginas oficiales de operadores de telefonía móvil URL: http://www.tarifas.movistar.es/particulares/internet URL: http://www.vodafone.es/particulares/tarifas/ahorro_control/tus-sms/bono-sms/ URL: http://www.vodafone.es/particulares/ URL: http://movil.orange.es 75 Alfonso Grande Navarro Proyecto Final de Carrera 76 Alfonso Grande Navarro
