Sistema de Navegación Terrestre para Móviles

Sistema de Navegación Terrestre
para Móviles
Laura Méndez Segundo1
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Cómputo
Resumen
En este trabajo se desarrollo un sistema auxiliar
para el manejo de automóviles, a través de un
dispositivo móvil que cuente con el sistema
operativo Windows Phone 7. El dispositivo debe de
contar con un GPS (Sistema de Posicionamiento
Global), acelerómetros, conexión de datos por
medio de GPRS (Servicio General de Paquetes Vía
Radio) y conexión WIFI. El sistema proporciona al
conductor información como: las posibles rutas a
seguir, problemas de tráfico y consumo de gasolina,
entre otros.
Introducción
El sistema operativo y el hardware del dispositivo
móvil, nos brindan un buen entorno y soporte para
desarrollar un trabajo con alta calidad, tanto en
diseño como en funcionalidad.
En la actualidad existen vehículos que cuentan con
un dispositivo auxiliar integrado en el tablero. Sin
embargo, esta característica únicamente se
encuentra en automóviles de gama alta, de precios
muy elevados, por lo cual no están al alcance de
todas las personas. Por otro lado los dispositivos
móviles son accesibles por lo que este proyecto
resulta ser muy viable y útil.
El la Figura 1, se muestra el principio del sistema y
sus componentes.
1
Laura Méndez Segundo, Av. Miguel Othón de
Mendizabal, S/N, Col. Torres Lindavista, C.P. 07738,
Del. Gustavo A. Madero, México, D.F., Tel. 57-2960-00 Ext. 52028, lmendezs@ipn.mx
Figura 1: Componentes del sistema.
Justificación
En la actualidad uno de los mayores problemas en la
ciudad de México es el tránsito vehicular, la
condición cambiante de los flujos ocasionados por
obras, manifestaciones, accidentes, etcétera, se ha
vuelto un reto a resolver por las autoridades de
tránsito. Su impacto social se ve reflejado en los
excesivos tiempos de traslado, lo cual ocasiona
contaminación atmosférica, ruido ambiental,
problemas de salud, estrés, entre otros problemas.
La construcción de más vialidades, resuelve el
problema de forma temporal, pues el espacio para
ello es finito, aun cuando se trate de vialidades
multinivel. La solución que se vislumbra con mayor
robustez es la administración adecuada del flujo
vehicular, mediante sistemas de control de tránsito
eficientes e inteligentes.
Los sistemas de control de tránsito terrestre no han
evolucionado en la práctica, como lo han hecho los
sistemas de control de tránsito aéreo. Estos últimos
incorporan sistemas de comunicación eficientes que
se integran con equipos de navegación basados en
GPS de precisión militar (1cm-50cm). Los actuales
equipos de navegación terrestre basados en GPS
tienen precisión civil (5-50 m) y no se han
desarrollado con interfaces de comunicación para
transmisión de datos y mucho menos toma medidas
de tránsito vehicular. Estas deficiencias y su
aplicación a los sistemas de control de tránsito
terrestre representan el nicho de oportunidad de
nuestra propuesta. [1]
Estado del arte
Los Sistemas de Navegación Terrestre que generan
rutas por medio del Sistema de Posicionamiento
Global; han sido aplicaciones muy solicitadas, en los
últimos años se han desarrollado varios trabajos de
investigación y se han realizado algunos desarrollos
tecnológicos para la reducción del tiempo, que
invierte un vehículo o persona en viajar de un lugar
a otro dentro de una ciudad o país.
punto de la superficie terrestre. Los satélites GPS
orbitan la Tierra a una altitud de unos 20,200 km y
recorren dos órbitas completas cada día.
Un GPS obtiene su posición espacial por medio de
una triangulación con señales de los satélites que
está viendo. [12] Para triangular, el receptor GPS
mide la distancia usando el tiempo de viaje de la
radio señal enviada desde los satélites (Figura 3). La
forma en que realiza la triangulación es la siguiente:
Desde el punto de vista comercial existen varios
sistemas que ofrecen el servicio de localización y
rastreo por GPS, capaces de generar rutas, pero
ninguno toma en cuenta la importancia de la
minimización del tiempo invertido en ese viaje, sino
que sólo ofrecen una solución general en donde
solamente se despliega la ruta a seguir, un tiempo
estimado de viaje que está en función de la
distancia a recorrer.
Conociendo la ubicación de 4 satélites (S1, S2, S3, S4)
y las respectivas distancias (d1, d2, d3, d4) de los
satélites al punto buscado (P0).
Sistema de posicionamiento global (GPS)
2. Luego el receptor GPS recibe una segunda señal
de radio de un segundo satélite y este traza una
segunda esfera con centro en S2 (x2, y2, z2) y radio d2
y determina que el punto se encuentra dentro de la
intersección de las esferas S1 y S2.
Un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una
constelación de 24 satélites artificiales no
estacionarios, con 3 de respaldo, uniformemente
distribuidos en un total de 6 órbitas, de forma que
por cada órbita existen 4 satélites (Figura 2). [11]
1. El receptor GPS recibe una señal de radio al
primer satélite y este a su vez traza
imaginariamente una esfera con centro en las
coordenadas de S1 (x1, y1, z1) y radio d1, y supone
que el punto se encuentra dentro de esa esfera.
3. Luego el receptor GPS recibe una tercera señal de
un tercer satélite y este traza una tercera esfera con
centro en S3 (x3, y3, z3) y radio d3 y determina que el
punto se encuentra dentro de la intersección de las
esferas S1, S2 y S3.
4. Por último el receptor GPS recibe una última
señal al cuarto satélite el cual trazará una cuarta
esfera desde S4 (x4, y4, z4) y radio d4 de donde se
hallará el punto P0 de coordenadas (x0, y0, z0) con lo
cual se encontrara el punto buscado.
Sistema de información geográfica
Figura 2. Constelación de satélites del Sistema de
Posicionamiento Global.
Esta configuración asegura que siempre se tenga
acceso al menos a 4 satélites desde casi cualquier
En los últimos años se ha observado el desarrollo
creciente de sistemas de información, que además,
incorporan información geográfica. A éstos sistemas
se les ha clasificado como Sistema de Información
Geográfica (GIS), a los cuales se les ha definido
como:
Conjunto de herramientas para recolectar,
almacenar, obtener, transformar y desplegar datos
espaciales del mundo real para propósitos
específicos [11].
O por otro lado, también se les puede definir como:
Sistemas diseñados para almacenar y manipular
datos relacionados con locaciones de la superficie
de la tierra [11].
De tal forma podemos definir a los GIS como:
Sistemas de información que permiten además:
almacenar, analizar y desplegar información
geográficamente referenciada.
Actualmente en nuestro entorno observamos una
amplia gama de aplicaciones clasificadas como GIS.
Existen aplicaciones GIS destinas a los siguientes
sectores, por mencionar los más comunes:
• Minería Subterránea.
• Estrategias militares.
• Navegación.
• Prevención y mitigación de desastres naturales.
• Sistemas de Localización y posicionamiento, etc.
El sistema operativo Windows Phone 7
Windows Phone 7 es un sistema operativo móvil
desarrollado por Microsoft, como sucesor de la
plataforma Windows Mobile. Está pensado para el
mercado de consumo generalista en lugar del
mercado empresarial3 por lo que carece de muchas
funcionalidades que proporciona la versión
anterior. Microsoft ha decidido no hacer compatible
Windows Phone 7 con Windows Mobile 6 por lo que
las aplicaciones existentes no funcionan en
Windows Phone 7 haciendo necesario desarrollar
nuevas aplicaciones. Con Windows Phone 7
Microsoft ofrece una nueva interfaz de usuario,
integra varios servicios en el sistema operativo y
planea un estricto control del hardware que
implementará el sistema operativo, evitando la
fragmentación con la evolución del sistema.
Microsoft planea una importante actualización para
finales de 2011 que incluirá Internet Explorer 9 y
algunas mejoras que según Microsoft lo harán
competitivo con sistemas operativos de móviles
actuales como iOS de Apple o Android de Google.
[4]
Los primeros dispositivos dotados con Windows
Phone cuentan con pantallas capacitivas de hasta
cuatro puntos con una resolución de 800x480
puntos. No se descarta que en un futuro se lancen
nuevas resoluciones al igual que ocurrió con
Windows Mobile, aunque se tendera a mantener el
ratio por lo que no nos tendremos que preocupar
en exceso de este punto.
El poder contar con pantallas capacitivas nos
ayudara a poder dotar a nuestras aplicaciones de
una rica forma de interactuar con el usuario
mediante el uso de gestos compuestos.
El soporte de aceleración por hardware de DirectX
dota al dispositivo de un gran potencial a la hora de
reproducir animaciones y efectos de sonido. Esto es
de especial interés para utilizarlo a la hora del
diseño de videojuegos, y esta soportado por el
marco de desarrollo de XNA.
El conjunto de sensores puede ser enriquecido por
los fabricantes. No obstante esto no afectara a la
hora de hacer los desarrollos ya que estos sensores
son manejados desde las APIs de Windows Phone 7.
De este modo el desarrollador no deberá
preocuparse sobre el dispositivo sobre el que se
realizara el despliegue, ya que todos los terminales
con Windows Phone 7 soportaran, como mínimo,
los sensores nombrados en las especificaciones
mínimas. [14]
Descripción del sistema
La aplicación desarrollada da al usuario la
posibilidad de consultar una ruta en el momento en
que él desee, ofreciendo con esto la ventaja de
ahorrar combustible, tiempo y desgaste físico y
mental.
El usuario introduce el destino dentro de la interfaz,
el sistema lo toma y junto a la lectura de la posición
global calcula la ruta. Esta ruta obtenida es
desplegada en el mapa, ubicado en la pantalla del
dispositivo móvil.
Ya que la ruta es desplegada el usuario podrá
navegar por el mapa con la ruta desplegada en él. El
sistema también tendrá le ventaja de guardar las
rutas que se vayan generando en una pequeña base
de datos.
Además el sistema proporcionará algunos datos
útiles sobre la ruta, puntos de interés, información
del tráfico, datos relacionados al tiempo, distancia y
consumo de combustible (Figura 3).
Planteamiento del problema
Actualmente en la ciudad de México uno de los
mayores problemas que existen es la gran cantidad
de tiempo que se invierte para realizar un viaje por
vía terrestre, ya que existen muchos factores que
afectan el flujo vehicular en las vías de
comunicación, sobre todo en las vialidades más
importantes, tales como el Circuito Interior,
Periférico, Viaducto, Reforma, Insurgentes, Eje
Central, etc. Muchos de estos factores son obras de
construcción, accidentes, manifestaciones, entre
otros.
El desconocimiento por parte de los conductores a
cerca de las vialidades bloqueadas o congestionadas
provoca amotinamientos difíciles de deshacer sobre
todo en las vialidades sin salidas laterales como
viaducto, circuito interior, anillo periférico o las
autopistas de entrada y salida a la ciudad. El
desconocimiento de posibles rutas alternas
utilizando las calles de las colonias y barrios de
ciudad, no da a los automovilistas confianza para
buscar otras alternativas obligándolos a permanecer
en la ruta conocida.
Figura 3: Vista del sistema
Se decidió crear una aplicación para plataforma
Windows Phone 7 por la facilidad de desarrollo, ya
que ofrece una amplia gama de bibliotecas para el
desarrollo de aplicaciones. Por otro lado, Windows
Phone 7 explota las características de los
dispositivos móviles al máximo ofreciendo una
plataforma robusta. [14]
Otra ventaja es el lenguaje de programación,
utilizaremos C # (Sharp), es un lenguaje orientado a
objetos, apoyado por el software Visual Studio 2010
se vuelve aún más fácil la programación, además el
diseño se puede hacer por separado con XAML
(Lenguaje Extensible de Formato para Aplicaciones)
o con el software Expression Blend.
Por otro lado aunque ya existen sistemas que
pretenden resolver este problema, como TRAFICAM
[8] de la secretaría de seguridad pública que ofrece
imágenes de 50 diferentes cruceros en la ciudad,
RADIORED [9]
que ofrece el estado de las
principales vialidades y reporte vial de la ciudad de
México. Un sistema de reporte vial desarrollado
para los dispositivos iPhone. Las rutas posibles que
ofrecen son muy pocas y no son óptimas.
El objetivo de nuestro sistema es reducir el costo
invertido
(tiempo,
gasolina,
emisión
de
contaminantes [5]) en un viaje. El sistema entrega
una mejor solución que la que ofrecen los sistemas
actuales de su tipo. Se puede obtener la ruta óptima
que ayuda a los automovilistas a llegar a su destino
con la menor inversión posible, esto se pretende
lograr tomando en cuenta la densidad vehicular al
momento que se realiza la consulta.
Forma de operación
El sistema se basa en una interfaz de usuario
sencilla en donde podrá encontrar una caja de
inserción de texto para que pueda insertar la
dirección de su destino. El sistema basa su
funcionamiento en la generación de rutas por
medio de algoritmos conocidos de manejo de grafos
para el descubrimiento del camino más corto entre
un vértice al otro. Una vez que el sistema obtuvo la
geo referencia del móvil por medio del GPS y se
generó la ruta por medio del algoritmo de
enrutamiento, despliega la ruta dibujada sobre el
mapa que se muestra al usuario.
más corta del punto en el que se encuentra, al
punto al que desea llegar. Guiando así, al usuario
con mayor rapidez y eficiencia, ahorrando tiempo
en el viaje.
Propuesta de la Solución
El proyecto mejorará la fluidez al viajar, ya que no
solo determinará cuál es la ruta a seguir para llegar
de un punto “A” (origen) a un punto “B” (destino)
sino que se obtendrá la ruta más corta en cuanto a
tiempo para poder así desplazarnos con mayor
rapidez al lugar deseado. Se espera que se cubra la
principal necesidad con la que cuentan los
automovilistas que es el ahorrar tiempo de viaje.
Requerimientos Técnicos
Los requerimientos de software para el proyecto
son:
• Microsoft Visual Studio 2010
• SDK de Windows Phone 7.1
• Microsoft SQL Server 2008
Figura 4. Ruta generada por el sistema.
Además se podrá acceder a información extra como
reportes de tráfico, puntos de importancia cercanos
a la ruta, datos de tiempo, distancia y consumo de
combustible. La Figura 4 nos muestra un ejemplo de
cálculo de una ruta que va desde Ciudad Azteca en
Ecatepec hasta la colonia Lindavista en la
delegación Gustavo A Madero, apoyado en los
mapas de Bing. Este proyecto mejorará la fluidez al
viajar, ya que no solo determinará cuál es la ruta a
seguir para llegar de un punto “A” (origen) a un
punto “B” (destino) sino que se obtendrá la ruta
más corta en cuanto a tiempo para poder así
desplazarnos con mayor rapidez al lugar deseado.
Se espera que el proyecto cubra la principal
necesidad con la que cuentan los automovilistas
que es el ahorrar tiempo de viaje.
Requerimientos
El proyecto tiene como objetivo principal mejorar la
fluidez al viajar, ya que entrega al usuario la ruta
A continuación se citan los requerimientos de
hardware para el desarrollo:
•
•
Servidor o Computadora con al menos 1 GB
de RAM, capacidad de almacenamiento
mínimo de 30 GB, para que el sistema no
esté limitado.
Procesador de doble núcleo, para tener un
óptimo desempeño.
Conclusiones
A lo largo del desarrollo de este proyecto se
exploraron herramientas y tecnologías nuevas cuyo
aprendizaje y manejo fue un reto. Desde aprender a
usar el lenguaje C# de Visual Studio, pasando por la
comunicación entre éste y la computadora, el
cálculo de la ruta óptima, y terminando con el
diseño de interfaces. La creación del proyecto fue
un gran reto, pues requirió de la integración de los
conocimientos obtenidos en la especialidad de la
carrera de Ingeniería en Sistemas Automotrices y de
nuevos conocimientos adquiridos durante el
desarrollo de este Trabajo Terminal.
Se obtuvo una aplicación de navegación terrestre
que funciona en dispositivos móviles con Windows
Phone 7, la cual se basa principalmente en el uso de
un GPS para la localización del celular en un mapa y
el trazado de una ruta a un lugar deseado.
En el transcurso del desarrollo del proyecto se
hicieron algunas mejoras que no se tenían
contempladas al principio del proyecto. Una de ellas
es que para el trazado de la ruta se puede agregar
un punto medio indicado por el usuario, esto es por
si el usuario desea pasar a un lugar antes del
destino o que la ruta se trace por un lugar ya
conocido por el usuario.
Otra de las mejoras que se agregaron al proyecto es
el cálculo aproximado del consumo de combustible,
esto lo hace tomando en cuenta la distancia
recorrida en una ruta y la hora; para saber si hay
tráfico o no. Además se puede calcular el tiempo de
trayecto aproximado y la velocidad promedio a la
que se puede viajar.
La otra aplicación que se integro al sistema, fue la
de sitios de interés, en donde el usuario puede
ingresar un sitio de interés, el cual puede ser
hospitales, gasolineras o estaciones de bomberos y
la aplicación devuelve la dirección en donde se
encuentran estos sitios dependiendo de la colonia o
delegación ingresada.
Con esto se creo un sistema de navegación
utilizando un dispositivo móvil con sistema
operativo Windows Phone 7, que sirve para guiar al
conductor de un automóvil, proporcionándole
información útil para elegir la ruta más óptima. Que
además de las mejoras antes mencionadas cual
cumplió con los objetivos propuestos inicialmente.
Referencias
[1] RFC
GPRS
http://www.apps.ietf.org/rfc/rfc3574.html
[2] 3G. http://www.3gpp.org/Specifications
[3] Wireless.
http://standards.ieee.org/getieee802/down
load/802.11-2007.pdf
[4] Windows
Phone
7.
http://www.microsoft.com/windowsphone
/es-mx/default.aspx
[5] Secretaria
del
Medio
Ambiente.
http://www.sma.df.gob.mx/sma/index.php
[6] Secretaria
de
salud.
http://www.salud.gob.mx/
[7] Instituto Nacional de Enfermedades
Respiratorias.
http://www.iner.salud.gob.mx/
[8] Traficam.
http://www.traficam.com/home.jsp?lang=e
s
[9] Radiored.http://radiocentro.com.mx/grc/ho
mepage.nsf/main?readform&url=/grc/reda
m.nsf/vwportada/portada
[10]
Lethman, Lawrence, “GPS Fácil: Uso
del Sistema de Posicionamiento Global”,
EDITORIAL PAIDOTRIBO
[11]
Gutiérrez Puebla, Javier; Gould,
Michael, “SIG: Sistemas de Información
Geográfica”, Editorial Síntesis, S.A.
[12]
Dante
Alcántara
García,
“Topografía”, Mc Graw Hill.
[13]
http://www.chw.net/2010/04/filtra
n-arquitectura-de-windows-phone-7/
[14]
https://www.microsoft.com/windo
wsphone/es
Autores
M. en C. Laura Méndez Segundo
Maestría en Ingeniería Eléctrica,
CINVESTAV-IPN
Licenciatura
en
Informática
Universidad Veracruzana
Profesora Titular de la Escuela
Superior de Cómputo del IPN
desde 2000 a la fecha.
Áreas de Interés: Bases de Datos,
Ingeniería de Software, Sistemas
Automotrices, Cómputo Educativo,
TICS