Estado del Arte de Proyecto de Titulación

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Estado del Arte de Proyecto de Titulación
“Unidad repetidora inalámbrica de señales de
audio, conexión wifi y carga de dispositivos
móviles”
Presentado por:
ROL USM:
Profesor guía:
Fecha:
Felipe Díaz Flores
2421062-6
Sr. Alejandro Suárez Sotomayor
12/10/2014
Proyecto de Titulación
INTRODUCCIÓN
Vivimos en una época especialmente buena para desarrollar productos, sistemas
propios, en realidad cualquier clase de idea que uno tenga. El área de la electrónica no es la
excepción, cada vez se observan más módulos accesibles a cualquier persona y cada vez más
completos y versátiles, esto, sumado a la capacidad que se tiene de compartir información de
todo el mundo gracias al internet, hace que cualquier persona con cierta cantidad de
conocimientos y ganas de hacer algo, pueda crear “cualquier cosa” que se imagine.
TRABAJOS RELACIONADOS
- En el trabajo del Alumno Jorge Williams Guibert [REF 1], propone desarrollar una red de
sensores inalámbricos destinado a la industria, de los diversos instrumentos y sensores a sala de
control. La importancia de este trabajo en relación al propio radica en examinar la manera en
que se planea adquirir los datos, y que se ocupa para luego transmitirlos.
Se utiliza un módulo XBee de la serie 2 Wire Antenna por la relación entre su alcance y precio,
que según él, son ideales para el desarrollo de su proyecto, además de tener un consumo y
requiriendo alimentación mínima, y a la vez permite el transporte confiable de datos entre
dispositivos remotos.
Luego, para enviar los ‘comandos AT’ al módulo XBee, el Alumno utiliza una tarjeta Arduino,
específicamente la Arduino modelo UNO. La escoge debido a su bajo costo y porque dispone de
salidas de 3.3[V] reguladas, que es la tensión que requiere XBee para trabajar, por lo que se
puede energizar directamente la XBee desde la placa Arduino. Además de ofrecer ventajas en el
alambrado y por su fácil programación.
Una de las dificultades durante el desarrollo (del prototipo) fue la incompatibilidad de los pines
de conexión del XBee, que tienen una separación de 2[mm], con las ranuras de los protoboard
que son de unos 25[mm], por lo que fue necesario la adquisición de una tarjeta adaptadora.
Otra dificultad, se hizo presente al conectar los pines de comunicación entre la placa Arduino y
el XBee, dado que el primero usa 5[v] en sus pines de entrada/salida y el segundo 3.3[v], por lo
que fue necesario otra placa adaptadora para acondicionar la señal.
La interfaz gráfica para la medición de sensores en PC, está hecha en Processing, que es un
software libre creado por Casey Reas y Ben Fry. El programa está basado en Java, por lo cual
hereda todas sus funcionalidades. Está pensado para electrónicos, artistas, diseñadores y
programadores que quieran expresarse con el lenguaje digital, enfocado por supuesto a las
creaciones artísticas visuales o instalaciones multimedia. Al ser un lenguaje en código libre es
una herramienta alternativa al software propietario, como photoshop o Illustrator.
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Proyecto de Titulación
Finalmente, el autor destaca al final de la experiencia la evolución de la electrónica que hoy
permite implementar este tipo de redes de sensores en el área industrial de manera sencilla; el
potencial de las distintas aplicaciones que tiene esta tecnología; y el ahorro en licencias para
software, dado que los programas necesarios para realizar el proyecto son todos de libre
disposición.
En el trabajo de Felipe Andrés Serra Almonacid [REF 2], se dispone a crear un afinador
digital de guitarra eléctrica. Se examina este proyecto, con el fin de verificar que se utiliza para
el manejo de señales análogas en entornos digitales, que es uno de los temas a tratar en el
propio trabajo de título, y por supuesto, aprender de su experiencia y dificultades.
El escrito plantea la solución del problema paso a paso partiendo por los diagramas de bloques
básicos y termina desarrollando en detalle los principios enunciados en su primer capítulo.
Incluye también pruebas con software de edición de audio, una introducción al filtrado digital y
su aplicación directa a este proyecto, junto con el desarrollo de la parte de hardware explicada
paso a paso. Por último, se dedica un capítulo a los resultados de la prueba final.
Se parte definiendo específicamente que micro-controlador se utilizará para llevar a cabo el
trabajo, siendo este el PIC18F2550. Y lo escoge porque estima que sus características de clock
de 48[MHz], 2048 bytes de memoria SRAM y 32KBytes de memoria FLASH son las adecuadas
para llevar a cabo su proyecto.
Además, agrega como interfaz de salida un display LCD compatible con este micro-controlador
‘HITACHI HD44780’ y comenta como ventaja, que es un display de propósito general, y que se
suele encontrar fácilmente en el comercio.
Como dificultad, en el transcurso del desarrollo se percata de lo sensible a los trancientes, y a
otras fuentes de ruido, que son los conversores Analogo/Digital del PIC18F2550. Además que la
señal de la guitarra es demasiado tenue para dicha entrada, y que esta requiere una diferencia
de al menos 2[V] entre el mínimo y máximo de la señal analógica, por lo que es necesaria una
etapa de amplificación previa al conversor, lo que conlleva un nuevo set de dificultades, dado
que estos amplificadores operacionales agregan ruido y pueden sufrir de saturación de la señal,
lo que agregaría aún más armónicos. En un comienzo se utilizó conversor A/D de 8 bits de
resolución, pero se estimó que no era suficiente y se aumentó a 10 bits de resolución. Sin
embargo, aquí se difiere un poco este proyecto del mío, dado que el afinador requiere
muchísima más precisión para aislar los armónicos correctamente, en cambio en el propio
trabajo no es necesaria tanta precisión, si se rescata el hecho de que es posible necesitar de una
etapa de amplificación previa al conversor A/D.
Finalmente el autor concluye que si bien el prototipo funciona, no está 100% conforme con la
precisión del mismo, y esto se debe en parte a que pudo haber utilizar filtros de mayor orden
(para aislar las fundamentales), si el micro-controlador hubiese tenido más velocidad de
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Proyecto de Titulación
procesamiento, además de los problemas de precisión del conversor A/D (es de 10 bits máximo)
del mismo. Por lo que la elección del PIC18F2550 no fue necesariamente la mejor.
- En el trabajo de Juan Gerardo Torres Mayorga [REF 3], se dispone a realizar un estudio
acabado de un prototipo que le permita realizar mediciones y el control necesario para un
estanque de agua potable, de manera inalámbrica. El tema es parecido al primer trabajo
mencionado en este informe, pero se quiere tener cierta variedad a la hora de examinar cómo
se resolvieron problemas que tengan que ver con comunicación inalámbrica, los cuales guardan
relación al presente trabajo de título.
El Alumno Juan Torres, escoge un módulo bluetooth llamado Analogblue, y lo elige por su
distancia de transmisión, que no abarca mucho en comparación con otras tecnologías unos 10 a
20 [m], ampliable hasta 100 [m] mediante el uso de antenas, pero que según los requerimientos
de su projecto, dice ser suficiente. Además, el autor agrega como ventaja, que es una tecnología
perfecta para ser utilizada en el ámbito industrial debido a que posee una comunicación que
anula cualquier interferencia, completando así fielmente cualquier transferencia de datos. Y
finalmente, destaca sus puntos fuertes: bajo consumo, mínimo costo, gran seguridad, fiabilidad,
facilidad de uso, entre otros.
Para interactuar con el módulo bluetooth, elige un micro-controlador PIC18F452,
principalmente por sus entradas análogas, que menciona, son fundamentales para su proyecto,
además de otras características técnicas que no vale la pena mencionar en estas instancias.
El proyecto de Juan Torres es más bien un estudio acabado de un prototipo, y por lo mismo no
se puede concluir mucho sobre dificultades técnicas que pudo haber enfrentado, puesto que
todo es muy teórico, pero él concluye que: “El correcto desarrollo de este dispositivo puede
crear innumerables soluciones para todo tipo de procesos logrando así aumentar el mercado
con productos pequeños pero inmensamente potentes y confiables capaces de transmitir datos
inalámbricamente sin mayores limitaciones”, lo cual se comparte.
- En un trabajo conjunto realizado en la Universidad Autónoma Indígena de México [REF 4] se
dispone a realizar el diseño y construcción de una unidad de control con capacidad de
comunicación en múltiples protocolos, en red inalámbrica y cableada, con la finalidad de
desarrollar una unidad de control de procesos poderosa, fácil de utilizar, flexible y bajo costo, a
través de la cual, sea posible el implementar sistemas de control distribuidos inalámbricos y
cableados basados en topologías de red avanzadas como estrella, árbol y malla.
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Proyecto de Titulación
Para dotar al sistema de un puerto WiFi se utilizó el módulo WIZ610wi de la empresa coreana
Wiznet, este módulo proporciona un puente entre comunicación UART a inalámbrica IEEE
802.11 b/g. Este módulo posee el Stack de TCP/IP implementado en hardware y cuenta con un
conector U.FL para conectar una antena externa. Fue necesario hacer un acondicionamiento de
señales para este módulo, puesto que trabaja a 3.3[v], siendo que el módulo central trabaja a
5[v].
Para agregar la interfaz de comunicación ZigBee, se agrega un módulo Xbee de Digi, en su modo
de trabajo más simple (modo Transparente), que actúa como un transceptor de comunicaciones
seriales UART TTL a inalámbricas Zigbee. Esté módulo comparte la entrada UART con el
WIZ610wi mencionado anteriormente, y para hacer esto posible el sistema electrónico cuenta
con un selector de puerto de comunicación inalámbrica, el cual es un switch entre uno u otro
controlador según se requiera.
Como módulo central, se utiliza un micro-controlador ATMEGA328. Una de las razones es que
provee de las entradas análogas y digitales que se estimaron convenientes. Otra razón y quizás
la más importante, es que es compatible con el driver de comunicación. El driver de
comunicación es el segundo componente del sistema de adquisición de datos, este driver, a su
vez está dividido en dos partes, una de ellas opera a bajo nivel y se incluye en el programa del
microcontrolador Arduino desarrollado por el usuario como una librería de software, el cual
integra un gran número de funciones que hacen posible el manejo de la comunicación a través
de los controladores o módulos de comunicación WiFi, Zigbee o Ethernet.
- En el trabajo de José Salvador Montesinos Navarro, de España [REF 5], se dispone a realizar el
diseño e implementación de una red inalámbrica de sensores de temperatura y luz capaz de
reconfigurarse automáticamente al variar la disposición y/o disponibilidad de los nodos que la
componen, además del monitoreo de estas mediciones mediante aplicación en Android. Con
fines escencialmente didácticos.
Utiliza una placa Arduino UNO para los nodos, y adopta esta opción por contar con una buena
relación entre precio y sus características técticas, además de ser un hardware/software libre (lo
que entrega otro grado de libertad al agregar la capacidad de personalizar las placas) con un
entorno de desarrollo fácil de usar.
ZigBee como protocolo de comunicación, luego de realizar un cuadro comparativo [ANEXO 1],
descartando otras 2 opciones (WIFI y Bluetooth), principalmente por su bajo consumo de
energía y su estabilidad. Luego, entre los distintos XBee, que se pueden clasificar en la Serie 1 y
la Serie 2 de Xbee, escoge la Serie 2 por poseer un mayor alcance y menor consumo que la
Serie1. Características críticas en una red de sensores inalámbrica.
Por último, la aplicación Android fue una elección con el único fin de dar énfasis al potencial de
esta plataforma en el monitoreo de señales, y el módulo bluetooth (JY-MCU) que utiliza para
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Proyecto de Titulación
comunicar el Arduino con un dispositivo Android parece ser arbitrario, ya que no justifica
porque lo elige, solamente agrega un link al datasheet del mismo.
Las principales dificultades en el proyecto, se debieron por un lado a la elección de las
tecnologías empleadas, limitaciones de las mismas e incompatibilidad. Por ejemplo.
Debido a las limitaciones de los módulos XBee no es posible conocer la identidad del nodo
padre de una radio configurada como router. Esto hace imposible determinar la ruta seguida
por los mensajes enviados por un router en el caso de existir más de dos posibles caminos hasta
el nodo coordinador. Este problema se solventó estableciendo una disposición fija de los nodos
de la red de forma que todos los routers pudieran comunicarse directamente con el
coordinador y desplegando los terminales en la periferia de la red. Los terminales sí disponen de
mecanismos para conocer cuál de los routers es su nodo padre, por lo que de esta forma se
puede conocer la ruta seguida por todos los mensajes que se transmiten por la red.
Por otro lado, en un principio se pensó en utilizar el modelo de placas Arduino Fio, que ofrece la
posibilidad de ser reprogramado inalámbricamente mediante una comunicación ZigBee, lo cual
suponía una gran ventaja a la hora de añadir prestaciones adicionales a la red. Sin embargo
dicha reprogramación inalámbrica requería necesariamente del uso de módulos XBee de la serie
1, que únicamente soportan comunicaciones punto a punto. Puesto que el objetivo del proyecto
era implementar una red mallada (o mesh) para la que es necesario el uso de módulos XBee de
la serie 2 y siendo del todo imposible cualquier tipo de interactuación entre ambas series, se
optó por renunciar a la reprogramación inalámbrica y descartar las placas Arduino Fio en favor
de las Uno.
COMENTARIOS
Finalmente, luego de ver todos estos trabajos, y varios otros que finalmente no fueron muy
relevantes para el desarrollo del propio proyecto, y que por lo tanto no fueron mencionados en
el presente informe, vale la pena mencionar que en realidad no se encontraron trabajos que
utilicen Raspberry Pi como alternativa seleccionada de solución, probablemente debido a lo
nuevo que es este elemento (Tiene poco más de 1 o 2 años desde que se ha vuelto masivo), lo
que lo hace atractivo como alternativa de solución.
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TECNOLOGÍAS
 Micro-controladores.
En cuanto a micro-controladores, tenemos la conocida línea PIC de la marca Microchip.
Existe una gran cantidad de PICs distintos, con una amplia gama de funciones, por ejemplo la
familia PIC32MX5XX/6XX/7XX es por lo visto de las más completas, siendo sus características
que más interesan las siguientes:
Soporta comunicación: I2C, SPI, CAN, UART, USB,
ETHERNET.
-
85 Input/Output PINs, 16 A/D channels.
Max speed 80 [MHz].
Tensión de operación 2.3 a 3.6 [V]
Desde la perspectiva de este proyecto, lo más destacable son los distintos tipos de
comunicación que estos micro-controladores soportan, junto con la gran cantidad de puertos de
entrada y salida analógica y digital. Además, son ideales en términos de potencia, puesto que el
consumo de estos es del orden de los [mW] [REF 6].
Microchip ofrece no solamente sus micro-controladores “sueltos”, sino que también con
varios kits de desarrollo, destinados a distintas funciones, para desarrollar por ejemplo
proyectos wifi, Ethernet, Módulos display, etcétera. Estos kits traen lo necesario para llevar a
cabo ciertas experiencias básicas, junto con los elementos electrónicos necesarios, previamente
soldados en sus respectivos PCB, lo cual puede llegar a ser un gran ahorro de tiempo, y
obtenerse un resultado un poco más profesional frente a la alternativa de ocupar protoboards.
Además, microchip dispone en su página oficial una cantidad importante de material instructivo
para ayudar al desarrollo usando sus productos.
Finalmente, vale la pena mencionar que microchip no es la única marca que fabrica esta
clase de micro-controladores. La competencia más directa es probablemente Atmel, quien
provee de productos de similares características a los nombrados anteriormente [REF 7].
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 Arduino.
Arduino es una marca italiana de plataformas electrónicas tipo “open source” bastante
conocida y popular. La diferencia con los micro-controladores, es que estas son placas más
elaboradas, que constan de un micro-controlador programable como núcleo. Esta es una gran
ventaja ya que vienen con protecciones, reguladores de tensión, pineras para fácil acceso a
todas las entradas del micro-controlador, etcétera.
Pero eso no es todo, otra ventaja importante de estas placas, es que los mismos
fabricantes proveen de distintos “shields”, que no son más que placas extensoras que agregan
distintas funcionalidades al Arduino. Existe una gran variedad de “shields” para prácticamente
todo lo que a uno se le pueda ocurrir [REF 8], WiFi, Ethernet, Bluetooth, GSM, SD cards,
pantallas LCD, en fin, una gran variedad y dado que son todos del mismo fabricante, dan cierto
grado de confiabilidad y garantía de las cosas funcionarán bien.
Uno de los últimos modelos de la familia Arduino (Arduino Yún) resulta ser bastante
interesante en términos de los requerimientos del proyecto, dadas sus características:
Fig.2. Modelo Arduino Yún.
Incluye soporte para Linux basado en OpenWrt llamado OpenWrt-Yun gracias al
procesador Atheros9331 que tiene incorporado. Además, la tarjeta incluye soporte para
Ethernet, Wifi, un puerto USB-A, un slot para tarjeta micro-SD, 20 entradas/salidas digitales y 12
canales digitales.
Otra cosa que vale la pena destacar, es la cantidad de soporte y tutoriales disponible en
internet, pero no solo de blogs aficionados, sino que disponible gratis y de fácil acceso en la
página oficial de Arduino (www.arduino.cc sección “Learning”), en donde se encuentran bien
definidas las funciones de las distintas librerías para la programación, y ejemplos funcionales,
todo bien documentado.
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 Módulos de comunicación.
Existen distintos medios para transmitir datos de forma inalámbrica, y por lo mismo,
existen distintos módulos que se pueden utilizar. Por ejemplo:
-
Radio Frecuencia (RF).
En la figura 3 se aprecia un módulo transmisor y receptor de
radiofrecuencia. Esta trabaja a 433[MHz], el tipo de
modulación es ASK (Amplitude Shift Keying) y es apta desde
los 40 metros en interiores y hasta 100 metros en exterior,
con alimentación de 3 a 12[V] de tensión.
-
Bluetooth.
En la figura 4, el módulo RN42-XV con Antena PCB posee las
siguientes características. Velocidad de transmisión de hasta
3Mbps a distancias de hasta 20 metros; bajo consumo, de
26[uA] en modo ‘Sleep’, 3[mA] conectado y 30[mA]
transmitiendo; Interfaces de conexión de datos UART (SPP o
HCI) y USB (HCI solamente).
- WiFi.
En la figura 5 se ve “Wibee”, el cual lleva este nombre dado que es un
módulo WiFi, pero montado en un PCB tal que mantenga el formato de
las conocidas tarjetas XBee. Operación a 3.3[V] de tensión; Velocidad de
datos de 11, 5.5, 2, 1 Mbps (IEEE 802.11b); Usa la bande de 2.4 – 2.497
[GHz]; Protocolos de la red: UDP, TCP/IP (IPv4), DHCP, ARP, DNS;
Protocolo de seguridad: WEP, WPA/WPA2–PSK; Interfaz de
comunicación UART.
-
ZigBee.
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Existe la serie 1 y serie 2 de Xbee, siendo la principal
diferencia que la serie 2 permite crear redes mesh
complejas usando el firmware mesh de ZigBee [REF 9]. En la
figura 6 se puede apreciar el XBee Serie 2 con antena PCB,
el cual trabaja a 3.3[V] a 40[mA], su taza de transmisión es
de 250 kbps, tiene un alcance de hasta 120 metros, 6
canales ADC de 10 bits de resolución y 8 Entradas/Salidas
digitales.

Raspberry Pi.
El Raspberry Pi es lo último en electrónica para el desarrollo tipo DIY (do it yourself), es
literalmente una computadora del tamaño de una tarjeta de crédito. Consta de un sistema
operativo basado en Linux, y puede hacer prácticamente todo lo que se puede hacer con una
computadora tradicional, desde navegar por internet, ver videos en alta calidad, ejecución de
programas “tipo Word”, juegos, etcétera. Pero eso no es todo, también tiene la capacidad de
interactuar con el entorno de manera sencilla, mediante la ejecución de scripts programados en
Python y su GPIO (General Purpose Input Output) que son un conjuntos de pines, el cual consta
de varias entradas y salidas digitales, no consta de canales analógicos lo cual puede ser una
desventaja. Además, tiene fácil acceso a WiFi y comunicación UART mediante la GPIO, por lo
que es una buena opción a la hora de realizar proyectos más complejos.
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Se consideran hasta el momento, las siguientes configuraciones para el desarrollo del proyecto
haciendo uso de los componentes recién mencionados:
- Raspberry Pi como centro neurálgico (parte transmisora del sistema), comunicación con
módulos receptores mediante módulo wifi/bluetooth/ZigBee/RF, puede que sea necesario
conectar directamente con un Arduino o micro-controlador por ejemplo si fuese necesario
agregar capacidad para interactuar con canales analógicos, dado que Raspberry Pi carece de
este de estos, y usar un conversor de los convencionales utilizaría muchos, sino todos los
pines de Entrada/Salida digital del GPIO, aunque tampoco se descarta esa posibilidad.
- Los módulos receptores pueden ser construidos empleando un micro-controlador, Arduino,
o si fuera necesario una combinación de ambos como cerebro para soportar: La
comunicación inalámbrica, el control del canal analógico para salida de audio y una clase de
periférico visual, posiblemente un display monocromático para desplegar mensajes.
- Se piensa en primera instancia utilizar Raspberry Pi como componente principal de la parte
transmisora, pero no se descarta la opción de que este módulo pueda ser construido
utilizando un único micro-controlador, Arduino, o una combinación de ambos. No obstante,
la gran ventaja de Raspberry Pi, es que se puede conectar a cualquier monitor, un teclado,
un mouse fácilmente, “plug and play”, para hacer una verdadera estación con una interfaz
de usuario muchísimo más completa y amigable para el usuario de lo que se podría hacer sin
Raspberry.
- Topologías de red, se considera, dada las características del proyecto que consta de un
transmisor que trabaja como una especia de maestro sobre los demás módulos receptores,
y que un transmisor puede ocuparse de varios receptores a la vez, probablemente la más
apropiada sería una configuración tipo estrella. No obstante, es posible que se necesite una
configuración tipo Estrella, Árbol, o incluso una Mesh a medida que el proyecto avanza y se
tienen más detalles.
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REFERENCIAS
1. MONITOREO DE VARIABLES INDUSTRIALES USANDO COMUNICACIÓN INALAMBRICA
INDUSTRIAL”ZIGBEE”. Trabajo de título UTFSM. Autor: Jorge Williams Guibert.
2. AFINADOR DE GUITARRA ELÉCTRICA BASADO EN MICROCONTROLADOR PIC. Trabajo de
título UTFSM. Autor: Andrés Serra Almonacid.
3. DISPOSITIVO DE ENVÍO DE DATOS DE CONTROL MEDIANTE COMUNICACIÓN
INALÁMBRICA BLUETOOTH. Trabajo de título UTFSM. Autor: Juan Gerardo Torres
Mayorga.
4. http://revistas.unam.mx/index.php/rxm/article/viewFile/48224/43556
SISTEMA DE CONTROL INALÁMBRICO: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y APLICACIÓN EN
CALDERA INDUSTRIAL. Gerardo Cázarez - Ayala; Jesús Sallas - Armenta; Hugo Castillo Meza; Antonio Rodríguez - Beltrán; Sócrates Lugo – Zavala y Miguel Ramírez –
Montenegro.
5. http://repositorio.bib.upct.es:8080/dspace/bitstream/10317/3678/1/tfg176.pdf
RED DE SENSORES AUTO-CONFIGURABLE MEDIANTE TECNOLOGÍAS ZIGBEE Y ARDUINO
CON MONITORIZACIÓN POR APLICACIÓN ANDROID. Proyecto fin de carrera en ETSIT,
España. Autor: Felipe García Sánchez.
6. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/61156H.pdf --- Hoja de datos
Familia PIC32MX5XX/6XX/7XX.
7. http://www.atmel.com/products/microcontrollers/default.aspx
los productos Atmel, microcontroladores.
---
Página official de
8. http://arduino.cc/en/Main/Products --- Productos Arduino, página oficial.
9. http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1109&product__name=XBee_2m
W_PCB_Antenna_Series_2_%28ZigBee_Mesh%29 .
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ANEXOS
1. Cuadro comparativo tecnologías inalámbricas.
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