Telemetría inalámbrica por red celular GSM

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Encuentro de Investigación en IE, 13 — 14 de Marzo, 2008
Telemetría inalámbrica
por red celular GSM
Sonia Casillas, Roberto Herrera, Luis González, F. Córdoba.
Instituto Politécnico Nacional
Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital
Ave. del Parque 1310 Mesa de Otay, Tijuana B. C. 22510
TEL: +(664)6231344,
correo-e: casillas@citedi.mx, charles@citedi.mx, lgonzal@citedi.mx,
fcordoba@citedi.mx
Resumen — El presente trabajo expone el desarrollo de
un sistema de telemetría que usa como medios de
transmisión las redes GPRS (General Packet Radio
Service) e Internet. El sistema tiene dos versiones en la
parte correspondiente a la transmisión de las señales:
una con la tarjeta Starlert ST-1 y la otra con un teléfono
celular. Ambos casos consideran el uso de una
computadora para el procesado y/o generación de los
datos. Lo que también difiere es la comunicación entre
dicha unidad y el transmisor: la primera por medio del
puerto serie (RS232) y la segunda por la tecnología
Bluetooth. Se expone también una aplicación en un
sistema de ambulancia para la medición de señales ECG,
de presión sanguínea y de temperatura corporal y su
posterior transmisión por GSM y recepción en el
hospital de destino. A la par de telemetría, el sistema
también permite la localización por medio de la red GPS
(Global Position System), cuya aplicación se muestra
con el rastreo de la ambulancia vía Internet.
Abstract — This paper shows the development of a
telemetry system that uses GPRS (General Packet Radio
Service) and Internet networks for data transmission.
This system has two versions for the signal transmission
part: one with Starlert ST-1 module and other with a
cellular phone. Both cases use a computer for data
processing and generation. A difference lies on the
communication between said unit and the transmitter:
the first one through serial port (RS232) and the second
one through Bluetooth technology. It’s also shown an
application on an ambulance system for measuring
ECG, blood pressure and body temperature signals and
their following transmission through GSM and
reception at the desired hospital. Besides of telemetry,
the system also allows to locate using the GPS (Global
Position System) network, whose application is shown as
the tracking of the ambulance using Internet.
Descriptores — GSM, GPRS, GPS, Telemetría.
I. INTRODUCCIÓN
E
N esta era de la información la telemetría ha
adquirido una gran importancia y se ha adaptado
a los significativos avances tecnológicos, sobre todo
aquellos relacionados con las telecomunicaciones.
Según Boquete [1], telemetría se define como “la
capacidad de capturar y procesar y enviar información
del sistema” (donde el sistema tener señales físicas,
químicas o simplemente información) y desde sus
inicios con el telégrafo ha sido parte importante en la
obtención de información de distintos sistemas a
medir.
Por otro lado la tecnología GSM (Global System for
Mobile Communications) ha cobrado gran
importancia en todo el mundo en el área de las
telecomunicaciones y cada vez hay más gente que lo
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Encuentro de Investigación en IE, 13 — 14 de Marzo, 2008
emplea, generando mayor cobertura y haciéndola más
atractiva para diversos sistemas de transmisión de
datos como lo es la telemetría. Algunos han hecho uso
de la capacidad de transmisión de mensajes cortos
(SMS), tanto para la transmisión de los datos como
para mandar comandos (como Boquete y Spadoni [1]
y [2]) o distintas partes del funcionamiento de los
teléfonos celulares, como lo es el manos libres (por
ejemplo el caso de Salas [3].
Las aplicaciones existentes de sistemas de transmisión
con GSM parecen inclinarse por el área de las
mediciones de señales biomédicas, tanto para
animales como para humanos. Las señales más
favorecidas al respecto son las del ECG, el pulso, la
presión sanguínea, entre otras. Ejemplo de esto es el
trabajo de Kyriacou [4], que considera a la red GSM
como una parte del sistema de emergencia.
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El proceso básico de un sistema de telemetría, como
se puede apreciar en la Figura 1, consiste
primariamente en la transmisión y recepción de los
datos, cualquiera que sea su naturaleza. Sin embargo
este trabajo está más enfocado para los casos donde
las señales son magnitudes físicas (como presión,
temperatura, intensidad de luz, etc.).
Figura 1. Proceso general de telemetría.
Después de ser tratadas, las señales serán transmitidas
por medio de la tarjeta Starlert ST-1 [5], mostrada en
la Figura 2. Esta tarjeta cuenta con antenas internas
GSM/GPRS y GSP, que permitirá la transmisión de
las señales medias dentro del área de cobertura donde
el servicio de telefonía celular está disponible.
Figura 2. Tarjeta Starlert ST-1 [6]
El sistema de telemetría con la tarjeta ST-1, que se
puede ver en la Figura 3, considera la recepción de
señales provenientes de una computadora por medio
del puerto serie (RS232) a la tarjeta. De ahí la ST-1
(que maneja tanto GSM como GPS) las transmite
hacia la red celular GSM/GPRS para, posteriormente
acceder al Internet.
Figura 3. Sistema de Telemetría con la ST-1
El proceso de transmisión por medio de la ST-1
requerirá el puerto serie como la entrada para las
señales que se desean transmitir. Primero se leerá el
puerto serie (un código ASCII) y posteriormente se
transmitirá por medio de mensajes UDP (user
datagram protocol) por la red GSM/GPRS.
Con el fin de llevar a cabo este proceso, se ha
configurado la tarjeta ST-1 (por medio del puerto
serie) y se han realizado algunas pruebas. Se
manipularon las macros para detectar una entrada al
puerto de entradas/salidas, para enviar salidas por
medio de timers y mandar mensajes UDP activados
por timers.
También se efectuaron pruebas con diversos
comandos GP+<COMANDO> (que Starlert [9] define
cada uno como “un comando que puede ser enviado a
la unidad ST-1 para configurar la aplicación AVL
para las necesidades específicas”), incluyendo el
comando GP+GPSSER=9, que permite leer una
cadena de caracteres ASCII del puerto serie y lo
transmite como mensaje UDP. Se debe tener en
cuenta que se debe mandar el comando
GP+GPSSER=0 cuando se termine de transmitir una
cierta información porque es cuando la tarjeta podrá
mandar los datos del GPS.
Los apéndices contienen los despliegues generados
por la ST-1 al momento de confirmar la configuración
necesaria para la transmisión de los mensajes UDP, en
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la operación de registro y conexión de las redes GSM
y GPRS y, finalmente, la operación y transmisión de
los datos generados por el GPS.
Otra opción que se considera es el sistema de
telemetría con teléfono celular mostrado en la Figura
4. La computadora transmitirá las señales deseadas
por medio de Bluetooth hacia un teléfono celular. El
teléfono transmitirá la información por medio de la
red celular GSM/GPRS y de ahí hacia la red de
Internet. Por otro lado este método no tiene red GPS a
considerar y requiere establecer la conexión
previamente con el receptor.
Figura 5. Sistema de ambulancia.
Los pasos del proceso son: medición de las señales
biomédicas; tratamiento de señales; transmisión de
señales vía GSM; recepción de señales; filtrado de
señales; almacenamiento de señales; desplegado de
señales.
Para la medición de las tres señales biomédicas de
interés (electrocardiograma o ECG, presión arterial y
temperatura corporal) se requerirá de un módulo de
adquisición de datos, usando un sensor por parámetro.
Figura 4. Sistema de telemetría con teléfono celular
III. APLICACIÓN
La aplicación propuesta consiste básicamente en
medir las señales biomédicas de interés de un paciente
(ubicado dentro de una ambulancia), filtrarlas y
transmitirlas por medio del ST-1 mediante periodos
de muestreo. Empleando la cobertura celular, la
información posteriormente llega al receptor que se
encuentra en el hospital de destino. Al recibir la
información se filtra, trata y graba en la base de datos
SQL. Las señales deben ser presentadas para que los
médicos puedan diagnosticar la condición del
paciente y tomar las medidas necesarias. La Figura 5
muestra la gráfica del funcionamiento del sistema
desde que el paciente es atendido en la ambulancia
hasta la recepción de datos en el hospital, incluyendo
su despliegue y posterior almacenamiento en la base
de datos SQL.
Con respecto a la señal biomédica ECG, Hernández
[7] ha trabajado con este tipo de señales y se toman
como base algunos resultados; donde se empleó un
sensor óptico de reflexión con salida a transistor
CNY70 de la compañía Vishay [8]. No es un sensor
especializado en señales biomédicas sin embargo se
emplea como tal para una señal de ECG muy similar
al tipo I. En la figura 6 se muestra el resultado
generado por el sensor CNY70 (el arreglo se puede
ver en la figura 7) antes de ser tratada. Se puede
apreciar que es un tanto ruidosa y de que se encuentra
en el orden de los mV. El ruido es ocasionado en este
caso por el circuito mismo y por la luz ambiental que
afecta a un sensor óptico como el CNY70. Esta señal
se conectará al sistema de telemetría que se está
actualmente desarrollando para la transmisión.
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Figura 8. Localización de vehículos.
Figura 6. Señal del pulso medida del pulgar
IV. CONCLUSIONES
Figura 7. Arreglo del circuito con el CNY70
Las pruebas realizadas hasta el momento con la tarjeta
ST-1 confirman la posibilidad de usarla en un sistema
de telemetría, con una ventaja adicional del
seguimiento de móviles. Su función principal es el
GPS, que se opera correctamente para la localización
de lo que porte la tarjeta, que utiliza las redes GSM y
GPRS para transmitir la información. Otros
experimentos demuestran que es posible la
introducción de datos por los puertos de la tarjeta. El
siguiente paso será enviar las señales del puerto por
medio de los mensajes UDP. Por otro lado las pruebas
en un teléfono celular con el chip comprueban que
hay comunicación con el servidor del sistema en
cuanto a la lectura de páginas en formato WAP. La
acción a seguir es probar comunicación vía Bluetooth
con una computadora y programar el celular para
enviar la información recibida. Esto es posible y
aplicable en un sistema de telemetría.
Entre las cosas que la ST-1 (en el caso donde se
emplee como sistema de telemetría) permite realizar,
se encuentra el uso de su antena interna GPS. En esta
aplicación la localización de la ambulancia se hará a
partir del trabajo de Herrera [6] en el área del rastreo
de móviles con GSM/GPRS y GPS. Se empleará la
misma tarjeta GSM para la transmisión de la
ubicación, velocidad y dirección del vehículo, en este
caso la ambulancia. Esto se puede verificar en Internet
(como se ve en la Figura 8) en http://movil.citedi.mx
con variedad de opciones para facilitar el rastreo. El
GPS no es la función principal del sistema y
meramente opera fuera de los edificios, a diferencia
de la red GSM/GPRS que puede operar
independientemente del GPS con la cobertura como
única condición.
APÉNDICES
I. APÉNDICE: DESPLIEGUE DEL
ESTABLECIMIENTO DE DIRECCIÓN PARA
MENSAJES UDP DE LA ST-1
<AVL> Setting SUPL IP And Port 192.168.0.18:2001 Allowed = 1 Mode = 1
<AVL> GPRS Event (00000001 00000000) <AVL> Defining connection for UDP packet server ...
<AVL> Defining - 200.38.6.141:9200
II. APÉNDICE: DESPLIEGUE DE LA
CONEXIÓN GSM/GPRS DE LA ST-1
<AVL> GSM Registration 1 (was 1)
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<AVL> GPRS Event (00000000
<AVL> GPRS Registration 0
<AVL> GPRS Event (00000000
<AVL> APN is now setup
<AVL> GPRS Event (00000001
<AVL> GPRS Registration 1
<AVL> GPRS Event (00000001
<AVL> GPRS Registration 1
<AVL> GPRS Event (00000001
<AVL> GSM Registration 1 (was 1)
<AVL> GPRS Event (00000000
<AVL> APN is now setup
<AVL> GPRS Event (81001424
<AVL> Connection defined
<AVL> GPRS Event (81001424
<AVL> Socket Opened
00000000) 00000000) -
<AVL> Sending ... Length - 83 Buffer - 100000
$GPRMC,001930.78,A,3232.336159,N,11656.57814
3,W,000.0,000.0,050208,,*28
00000000) -
Done
<AVL> UDP Message Sent - Waiting For Write
Complete
00000000) -
RECONOCIMIENTOS
00000000) -
Este proyecto se realizó con el apoyo de la
Secretaria Académica de Posgrado del Instituto
Politécnico Nacional con el registro SIP-20071264
00000000) -
81001424) REFERENCIAS
81001424) -
III. APÉNDICE: DESPLIEGUE DE LA
OPERACIÓN DEL GPS
<OnPeriodicPositions> - VALID FIX. Sats:7
<AVL> Distance = 0.000004
<AVL> Lat = 32.538936, Lon = -116.942969, Alt =
120.253962, Estimated error = 30 meters - Time
00:19:30
<AVL> GPS Interval = 60 - Unit ID = 0 Archetype Saga Proto - No Fixes 320 - No Sent 8 Speed 0.000000
<AVL> Number Of Sats. = 7
<AVL> GPS Event Is Enabled - Unit Moving?
<OnPeriodicPositions> - VALID FIX. Sats:7
<AVL> Distance = 0.000002
<AVL> GPS TIME - TIMEOUT
<AVL>
GPS
NMEA:
100000
$GPRMC,001930.78,A,3232.336159,N,11656.57814
3,W,000.0,000.0,050208,,*28
<AVL>
Loading
Buffer
100000
$GPRMC,001930.78,A,3232.336159,N,11656.57814
3,W,000.0,000.0,050208,,*28
<AVL> GPS Buffer End = 8
<AVL> 1 Fix's In GPS Buffer
<AVL> Start of getgps Just read Buffer 100000
$GPRMC,001930.78,A,3232.336159,N,11656.57814
3,W,000.0,000.0,050208,,*28
<AVL> 0 Fix's In GPS Buffer
<AVL> Formatted Fix In Pending Buffer
[1] Boquete, L, “Telemetry and control system with GSM
communicatios”, Microprocessors and Microsystems,
Elsevier, Alcalá de Henares, España, 1, 2003
[2] Spadoni, A, “Interfaz GSM para estación
meteorológica”, Electrónica Práctica, Resistor,
Asociación Española de Editoriales de Publicaciones
Periódicas, Madrid, España, 2006
[3] Salas, S, “Sistema Inalámbrico de Transmisión de
Señales Biomédicas. Telemedicina Inalámbrica”,
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas, Perú
[4] Kyriacou, E, “Multi-purpose HealthCare Telemedicina
System with mobile communication link support”,
Biomedical Engineering Online, BioMed Central,
Atenas, Grecia, 2003
[5] Starlert, “Starlert ST-1: GSM/GPRS, GPS & M2M
Modem”, Starlert, www.starlert.com
[6] Herrera, R, “Seguimiento de móviles”, Proyecto de
investigación SIP-20071264 del IPN, CITEDI, Tijuana,
Baja California, 2007
[7] Hernández, C, “Procesamiento Digital de la Señal
Cardiaca para la Predicción y Corrección Temprana de
Patologías”, ITT, XXII Concurso Nacional de
Creatividad (Fase local), 2007
[8] Vishay, “CNY70: Reflective Optical Sensor with
Transistor Output”, Vishay
[9] Starlert, “Starlert. Getting Starter Guide”, Archetype
Inc, 2006