Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco PROYECTO FINAL BALANZA INALAMBRICA Profesor Ing. MUSSO, Daniel Alumno BONINO, Darío J. VIRGLINIO, Mario F. Fecha: 07/11/2008 Índice Summary.................................................................................................................................4 Resumen.................................................................................................................................5 Introducción.............................................................................................................................6 Desarrollo Balanza Inalámbrica B-INA 60...............................................................................6 Los aspectos fundamentales..............................................................................................6 Herramientas utilizadas para el desarrollo..........................................................................6 Metodología de trabajo.......................................................................................................6 El Receptor.............................................................................................................................7 Microcontrolador.................................................................................................................7 Antena Zigbee....................................................................................................................9 LCD Gráfico......................................................................................................................11 Fuente 5V.........................................................................................................................12 Fuente 3,3V......................................................................................................................13 Teclado Matricial..............................................................................................................14 Encendido del equipo.......................................................................................................15 Banco de memorias..........................................................................................................16 Real Time Clock (RTC).....................................................................................................16 Buzzer..............................................................................................................................17 Tarjeta SD........................................................................................................................17 Puerto USB.......................................................................................................................18 Puerto Impresora – PC.....................................................................................................18 Circuito completo del Receptor.........................................................................................19 Diseño de Placa...............................................................................................................20 El Transmisor........................................................................................................................24 Microcontrolador...............................................................................................................24 Fuente de Alimentación....................................................................................................25 Antena Zigbee..................................................................................................................26 Acondicionamiento de señal.............................................................................................27 Celda de carga.................................................................................................................29 Circuito Completo.............................................................................................................29 Diseño de Placa...............................................................................................................30 Funciones del Receptor........................................................................................................32 Pantalla Presentación.......................................................................................................32 Pantalla Principal..............................................................................................................32 Pantalla Presentación Total de Acumuladores.................................................................33 Función Tarar...................................................................................................................34 Función Sumar.................................................................................................................34 Función Borrar Acumulador..............................................................................................34 Función Emitir...................................................................................................................34 Funciones no implementadas...........................................................................................34 Funciones especiales.......................................................................................................34 Basculas y Balanzas.............................................................................................................37 Historia de la Balanza.......................................................................................................39 Tipos de balanzas.................................................................................................................42 Celdas de carga....................................................................................................................53 Forma y funcionamiento de la celda de carga..................................................................53 Zigbee...................................................................................................................................55 Objetivo............................................................................................................................56 Banda de operación..........................................................................................................56 Nodos y topologia de red..................................................................................................57 Seguridad.........................................................................................................................60 Capa de aplicación................................................................................................................61 Subcapa de soporte..........................................................................................................61 Estructura de aplicación...................................................................................................62 Direccionamiento de Terminales......................................................................................63 Fundamentos de comunicación de la capa de aplicación.................................................63 Descubrimiento.................................................................................................................64 Enlace..............................................................................................................................65 Mensajes..........................................................................................................................66 Objetos de dispositivos Zigbee.........................................................................................67 Dispositivos Zigbee...........................................................................................................68 Dispositivos y Servicio de Descubrimiento.......................................................................72 Dispositivos de Gestión....................................................................................................72 Capa de Red.........................................................................................................................73 Descripción General.........................................................................................................74 Especificación del servicio................................................................................................76 Funcionalidades...............................................................................................................77 Especificación de los Servicios de Seguridad.......................................................................83 Arquitectura de Seguridad................................................................................................83 Seguridad MAC................................................................................................................84 Seguridad NWK (Red)......................................................................................................85 Seguridad en APL.............................................................................................................85 Rol Del Centro de Validación............................................................................................87 Dispositivos Zigbee...............................................................................................................88 Dispositivos de Bajo Nivel................................................................................................88 Dispositivos de Alto Nivel.................................................................................................94 Sistema Operativo.................................................................................................................96 Comparativa Bluetooth vs Zigbee.........................................................................................97 Sensores de control Zigbee..............................................................................................97 Eliminación de Cables con Bluetooth................................................................................97 Costo del prototipo................................................................................................................99 Transmisor Inalámbrico....................................................................................................99 Receptor Inalámbrico........................................................................................................99 Conclusiones.......................................................................................................................100 Agradecimientos.................................................................................................................101 Bibliografía y Referencias...................................................................................................102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Summary This project gestates initially as a consequence of the orientation to her agriculture Engineering in Electrónica instructs of the race, dictated in the Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco. The product B-INA 60 a wireless scales are that it allows weighing the contents of the hopper automatically. This scales are able to store in her memory of program to 8192 weighings. The utilization of scaleses in the charging process and unloading of a hopper, it is the form but you complete to carry a control of the aforementioned process. In this way the producer does not have to depend of other alternative methods for the weigh-in of this, obtaining an optimal performance during this procedure. The principal objective is to carry completion an user-friendly, wireless product and to a reasonable price. The great advantage of this scales, the facility is by same handling of her, because you consist of a graphic LCD where they can appreciate the present-day weight, the piece of information of the accumulator, RF's sign, etc. This way the one thing that the producer has to do is to select the show that you desire located in the keyboard membrane. Another very important advantage is the fact of being wireless, that allows having a control of several hoppers with a same recipient, that provokes a reduction of the price of a complete team. What turns out well joining all these characteristics, it is to make easy the work of the producer, that reduces only the control of the weighings to assure its correct storage himself. In addition to all what's renowned, this product not only is going to be destined for the field, if no than due to your simplicity and you will be orientated to the industry in general, like being control of gear, dynamometers, control of long-distance command, sensors' anthology of data when not having wire connections industrials, etc. Página 4 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Resumen Este proyecto se gesta inicialmente como consecuencia de la orientación a la agroindustria de la carrera Ingeniería en Electrónica, dictada en la Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco. El producto B-INA 60 es una balanza inalámbrica que permite pesar en forma automática el contenido de la tolva. Esta balanza es capaz de almacenar en su memoria de programa hasta 8192 pesadas. La utilización de balanzas en el proceso de carga y descarga de una tolva, es la forma mas completa para llevar un control de dicho proceso. De esta forma el productor no tiene que depender de otros métodos alternativos para el pesaje de esta, obteniendo un rendimiento óptimo durante este procedimiento. El objetivo principal es llevar acabo un producto de fácil manejo, inalámbrico y a un precio razonable. La gran ventaja de esta balanza, es la facilidad de manejo de la misma, pues consta de un LCD gráfico donde se pueden apreciar el peso actual, el dato del acumulador, la señal de RF, etc. De esta manera lo único que tiene que hacer el productor es seleccionar la función que desea ubicada en el teclado membrana. Otra ventaja muy importante es el hecho de ser inalámbrica, lo que permite tener un control de varias tolvas con un mismo receptor, lo que provoca una reducción del precio de un equipo completo. Lo que se logra juntando todas estas características, es facilitar el trabajo del productor, que se reduce únicamente al control de las pesadas para asegurar su correcto almacenamiento. Además de todo lo nombrado, este producto no solo va a estar destinado al campo, si no que debido a su simplicidad y al no tener conexiones alámbricas estará orientado a la industria en general, como ser control de aparejos, dinamómetros, control de mando a distancia, recolección de datos de censores industriales, etc. Página 5 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco 1 Introducción La idea de realizar este proyecto surge ante la demanda continua del campo por la automatización y modernización de los diferentes procesos existentes en este. De tantas inquietudes planteadas, nos interesó como inicio en este proceso de modernización, la del pesaje en forma inalámbrica a como ser de hacienda, tolvas, mixer, etc. A través de consultas realizadas en comercios dedicados al rubro del agro en nuestra ciudad y de información recopilada de Internet, llegamos a la conclusión de que todavía no se ha implementado un equipo de pesaje en forma inalámbrica en el campo. Lo que si existen diferentes firmas dedicadas a este tema, con conexiones alámbricas 2 Desarrollo Balanza Inalámbrica B-INA 60 Basándonos en las investigaciones y conocimientos adquiridos, el desarrollo del prototipo de balanza inalambrica se realizó siguiendo y utilizando los siguientes items. 2.1 Los aspectos fundamentales ● ● ● ● ● ● Conexión Receptor-Transmisor mediante Zigbee. Visualización gráfica con iluminación de pantalla Almacenamiento de datos. Portátil y de fácil manipulación. Salida para impresor etiquetador o PC Funciones de suma, acumulación, tara y borrado de datos. 2.2 Herramientas utilizadas para el desarrollo ● ● ● ● Altium 2006 (Programa de diseño de circuitos). Freescale CodeWarrior Development v6,2 para MCUs 68HC(S)908 (compilador) P&E's BDM (Background Debug Mode) MULTILINK interface de programación para MCUs HCS08. Kit de placas zigbee basada en un transceptor de radio frecuencia de 2.4GHz de Freescale el MC13192 (ZigBee). 2.3 Metodología de trabajo Se desarrollo el diseño de los circuitos dividiendo el sistema en dos partes, Página 6 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco receptor y transmisor. De cada uno, a su vez, se separó en circuitos que luego conforman el esquemático final. Realizado los esquemáticos se procede al ruteado de las distintas placas. Posteriormente el realizado de las misma y finalmente se programaron ambas placas para realizar las funciones estipuladas al comienzo. 3 El Receptor El receptor consta de 13 secciones las cuales se detallan a continuación. Cada una de ella fue diseñada por separado y unidas en un esquemático final para mayor ordenamiento y sistematización del trabajo. 3.1 Microcontrolador El MCU utilizado es un MC9S08JM60 de la familia Flexis JM de Freescale de 8 bits de 64 QFP con un cirstal de 12MHz trabajando internamente con un PLL enganchado a 24MHz de Bus. El mismo interaciona con todos los perifericos conectados mediantes sus puertos exteriores a detallar ● ● ● ● ● ● ● ● Antena Zigbee (8 puertos) LCD gráfico (13 puertos) Tarjeta SD (5 puertos) USB (3 puertos) Buzzer (1 puerto) Teclado (6 puertos) Banco de memoria y RTC (2 puertos) Impresora (2 puertos). Aspecto general de la disposicioón de los MCU utilizado para el proyecto Página 7 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 3.1 Disposición general de los pines. El MCU posee las siguientes características fundamentales Tabla 3.1 Caracteristicas MC9S08JM60 En la siguiente figura podremos observar el circuito esquemático que detalla la configuración utilizada en los parrafos anteriores. Página 8 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.2 Microcontrolador 3.2 Antena Zigbee La placa zigbee esta basada en un transceptor de radio frecuencia de 2.4GHz de Freescale el MC13192, el cual es manejado por el microcontrolador de Freescale el MC9S08JM60, antes mencionado, la comunicación entre el MCU y el transceiver se realiza por medio de una interface SPI (Serial Peripheral Interface) de 4 hilos. El conexionado físico se conecta mediante pines de paso estándar detallados a continuación. Página 9 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.3 Asignación de pines de la placa zigbee. A continuación se detalla el esquemático de la antena zigbee. Figura 3.4 Circuito antena zigbee Página 10 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco 3.3 LCD Gráfico El display gráfico utilizado es un WG12864A de 128x64 dots con backlight alimentado por un puerto del MCU para su control de encendido-apagado. La alimentación del LCD es por medio de la fuente de 5V del receptor. Posee una conexión de 8 bits de datos y 6 de control conectados al a los puertos del MCU. Dicha distribución de pines se puede observar en la siguiente figura. Figura 3.5 Asignación de pines del LCD Características mecánicas del display y esquemático del mismo Página 11 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Tabla 3.2 Características mecánicas. A continuación se detalla el esquemático del circuito del LCD Figura 3.6 Circuito del LCD 3.4 Fuente 5V La alimentación del circuito en general esta proporcionada por un convertidor DC - DC de 5V MC34063A de ON Semiconductor, operando con una entrada de 12V en combinación Step-Down. Las principales características se destacan a continuación ● ● ● ● ● Opera con una entrada de 3,0V a 40V. Bajo consumo de corriente en Standby. Limitación de corriente. Corriente de salida de 1.5A Voltaje de salida ajustable. Se puede observar en la figura siguiente la disposición de pines y el diagrama esquemático interno del MC34063A. Y el esquemático en configuración Step-Down utilizado en el receptor. Página 12 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.7 Diagrama esquemático interno A continuación se detalla el esquemático del convertidor Figura 3.8 Circuito del convertidor. 3.5 Fuente 3,3V La alimentación de la antena zigbee y la tarjeta SD es realizada a través de un regulador LM2937 de 3,3V Página 13 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.9 Circuito regulador de 3,3V 3.6 Teclado Matricial El teclado es a membrana de la empresa Microteclados de uso general modelo T 2669 S de 16 teclas matricial de 3x4. Sus características principales ● ● ● ● ● ● ● ● Autoadhesivado al dorso (adherir sobre superficies lisas, planas, bien limpias y desengrasadas). Frente de polyester texturado. Conector: Hembra 8 contactos en línea, para CI paso 2,54 mm. (Provisto con teclado). Resistencia Ohmica: < 200 ohms, al accionar tecla. Aislación: >200 Megohms, entre contactos. Corriente Máxima: 10 mA. Tensión Máxima: 30 V. Vida Util: >1.000.000 de operaciones, en cada tecla. Figura 3.10 Teclado membrana de 16 teclas. A continuación se detalla el esquemático del teclado matricial Página 14 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.11 Circuito teclado matricial. 3.7 Encendido del equipo El encendido se realiza por medio de una tecla del teclado matricial en circuito cerrado de alimentación por medio de un transistor FET. El mismo alimenta el MCU activando, luego de reiniciarse este, al optoaislador para mantener al circuito cebado hasta que se vuelva accionar nuevamente la tecla que proporcionará el apagado. A continuación se detalla el esquemático del encendido Figura 3.12 Circuito de encendido. Página 15 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco 3.8 Banco de memorias El banco compuesto por seis memorias de 256 Kbits cada una, del tipo E²prom genérica 24LC256 comunicadas entre ellas y el MCU por interface I²C. Sus principales características. ● ● ● ● ● ● ● ● Low power CMOS Tecnology. Interface I²C. Ciclos de 5mseg. máximo de escritura. 1,000,000 de ciclos escritura/borrado. Retención de datos > 200 años. Protección electrostática > 4000V. Protección se escritura por hardware. Máximo clock de 400KHz. A continuación se puede observar el circuito implementado para el banco de memoria completo. Figura 3.13 Circuito del banco de memoria. 3.9 Real Time Clock (RTC) El receptor posee un circuito integrado encargado de administrador de segundos, minutos, horas, días, mes, y año que entrega al MCU por comunicación I²C denominado DS1307 conectado a los mismos alambres del banco de memoria. Sus principales características Página 16 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco ● ● ● ● ● Ram de 256 bytes no volátiles mantenidas por batería externa de 3V. Interface I²C. Detección automática de sobretensión. Consumo < 500nA. Forma de onda de salida programable. A continuación se detalla el esquemático del RTC Figura 3.14 Circuito del Real time clock. 3.10 Buzzer El buzzer esta conectado a un puerto del MCU de generación de 2 frecuencias propias. A continuación se detalla el esquemático del Buzzer Figura 3.15 Circuito Buzzer. 3.11 Tarjeta SD El circuito de la tarjeta se implementó en el hardware para futura ampliación Página 17 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco del proyecto no siendo la misma implementada en el software final. A continuación se detalla el esquemático de la tarjeta SD Figura 3.16 Circuito de la tarjeta SD. 3.12 Puerto USB El circuito de la conexión USB, al igual que el item anterior, se implementó en el hardware para futura ampliación del proyecto no siendo la misma implementada en el software final. A continuación se detalla el esquemático del USB Figura 3.17 Circuito conexión USB. 3.13 Puerto Impresora – PC La conexión para adaptar un impresor etiquetador externo o conexión a PC se realiza por medio de una ficha DB-9 conectada a un MAX-232 para adaptar tensiones de protocolo. Los datos entre el MAX-232 y el MCU es realizada por medio de comunicación Sci. Los datos transmitidos por el puerto a la impresora son Página 18 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco "FECHA:_____/_____/_____" "__________________________ "CAMION:________________" "________________________" "PROCEDENCIA:___________" "_______________________" "DESTINO:________________" "_______________________" "CARGA:_________________" "_______________________" "PESO TOTAL: acumulador 1" Nota: La linea Peso Total imprime el acumulador 1 por defecto. En caso de estar en cualquiera de los otros 3, imprime el total de los 4 acumuladores. A continuación se detalla el esquemático de la impresora Figura 3.18 Circuito impresor. 3.14 Circuito completo del Receptor El circuito completo esta conformado mediante la unión esquemática de cada modulo visto anteriormente. Página 19 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 3.19 Circuito modular del receptor 3.15 Diseño de Placa El diseño se realizó en doble fas acomodando todo el ruteado en la forma especial de la placa utilizada, debido a la adaptación a posteriori del gabinete aplicado. El impreso de cada fas se realizó mediante hojas especiales “Press-n-Peel Blue” mediante el sistema de impreso láser y sellado de placa por calor y atacado por ácido férrico Página 20 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.20 Papel Azul En las siguientes dos figuras se puede observar el PCB generado por el programa Altium 2006 y a su derecha la placa propiamente dicha, sin el soldado de componentes. Las ultimas muestran el 3D generado por el programa y la placa soldada en su totalidad de cada capa. Página 21 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.21 Top Layer Figura 3.22 Bottom Layer Figura 3.23 Botton Layer Página 22 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.24 Top Layer Página 23 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 3.25 Gabinete completo. 4 El Transmisor El Transmisor consta de 4 secciones las cuales se detallan a continuación. Cada una de ella fue diseñada por separado y unidas en un esquemático final para mayor ordenamiento y sistematización del trabajo, siguiendo la temática del diseño del receptor. 4.1 Microcontrolador El MCU utilizado es un MC9S08JM60 de la familia Flexis JM de Freescale de 8 bits de 64 QFP con un cirstal de 12MHz trabajando internamente con un PLL enganchado a 24MHz de Bus. Página 24 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Como se puede observar se utilizó el mismo MCU conentado de la misma forma para ahorro de diseño y tiempos El mismo interaciona con todos los perifericos conectados mediantes sus puertos exteriores a detallar ● ● ● Antena Zigbee (8 puertos) ADC lectura de la celda.(1 puerto) ADC lectura de nivel de batería.(1 puerto). Figura 4.1 Microcontrolador. 4.2 Fuente de Alimentación La alimentación y encendido se realiza con una entrada que puede proceder de una batería o de un trasformador de 12V según se requiera. Los voltajes utilizados requerían una reducción por medio de regulador de 9V para alimentación de celda de carga y amplificador instrumental y el resto se reduce a 3,3V para alimentación de MCU y antena Zigbee, como también filtrado de señal. Dicho circuito se puede observar en la siguiente figura. Página 25 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 4.2 Circuitos de alimentación. 4.3 Antena Zigbee A diferencia del receptor el siguiente circuito no posee divisores de tensión para adaptar las distintas conexiones al MCU ya que este último se alimenta con 3,3V Página 26 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 4.3 Antena Zigbee. 4.4 Acondicionamiento de señal El acondicionamiento de la señal emitida por la celda de carga es amplificada por un amplificador de instrumentación AD623 de Analog Devices de alimentación simple. Sus principales características son ● ● ● ● ● ● Operación en simple o doble alimentación. Bajo consumo de corriente < 550uA. Regulación de ganancia por resistor externo. 800 Khz de ancho de banda para G=1. 70dB mínimo de CMRR con G=1 a 60Hz. Rango de alimentación de 3 a 12V. El diagrama simplificado del amplificador interno es el siguiente Página 27 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 4.4 Diagrama simplificado del AD623 El circuito a continuación posee dos conexiones aplicadas al MCU, dichas conexiones corresponden a la señal filtrada y otra sin filtrar provenientes de la celda de carga. La razón de tal motivo es realizar los ensayos correspondientes con la misma placa y utilizar la más conveniente. La sección sin filtrar es simplemente la diferencia obtenida del amplificador diferencial de entrada, amplificada 100 veces y luego ingresada al ADC de 12 bits del MCU. La sección filtrada esta formada por un filtro Chevishev de frecuencia de corte de 20Hz para evitar el efecto aliasing terminada por un seguidor de emisor para adaptar impedancia, todo utilizando amplificadores operacionales TL08X. Página 28 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 4.5 Acondicionamiento de señal. 4.5 Celda de carga La celda de carga es del tipo S para esfuerzos de tracción con las siguientes características principales. ● ● ● ● Capacidad máxima 2000Kg. Tensión máxima 10V. Resistencia del puente 350 ohm. Material base Aluminio. Figura 4.6 Configuración del puente 4.6 Circuito Completo En la siguiente figura se puede observar el esquemático de las conexiones de los módulos antes mencionados. Página 29 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 4.7 Circuito completo 4.7 Diseño de Placa El diseño se realizó con la misma metodología que el receptor. La placa del transmisor se diseño solo en simple fas. La siguiente figura muestra de izquierda a derecha, el diseño en Altium 2006, la placa soldada del bottom layer y la imagen 3D generada por el software antes mencionado. Página 30 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 4.8 Imágenes placa Figura 4.9 Transmisor conectado con la celda. Página 31 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco 5 Funciones del Receptor El Receptor posee una serie de funciones que, a modo, de guía práctica serán detallados a continuación. Se mostrará la pantalla generada y la función presionada en el teclado con una breve descripción de su funcionamiento. 5.1 Pantalla Presentación Es el logo de presentación que se observa cuando es encendido el dispositivo apretando la tecla Apagar/Encender Figura 5.1 Pantalla presentación. 5.2 Pantalla Principal En la pantalla principal se podrá observar 5.2.1 El pesaje en dígitos grandes: permite observar el valor del pesaje obtenido desde el transmisor, osea, de la balanza propiamente dicha. 5.2.2 El valor del acumulador 1, 2, 3, ó 4: permite visualizar el valor acumulado según se elija en cual de los cuatro acumuladores se dese guardar el pesaje. 5.2.3 Icono de nivel de señal de la antena zigbee: permite observar que nivel posee el enlace transmisor-receptor. 5.2.4 Icono nivel de batería del receptor o del transmisor: permite Página 32 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco observar si alguno de los dispositivos tiene bajo nivel de batería. 5.2.5 Icono de borrar: permite observar un icono el cual nos avisa que se puede borrar esa información. 5.2.6 Icono imprimir: permite observar un icono el cual nos avisa que se puede imprimir pantalla. Figura 5.2 Pantalla Principal 5.3 Pantalla Presentación Total de Acumuladores Presionando la tecla Total se podrá pasar de pantallas a modo de observar los distintos acumuladores con sus valores. Llegado al valor del acumulador 4 pasará a la presentación del valor guardado de los cuatro acumuladores juntos, como se puede observar en la siguiente figura. Página 33 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 5.3 Pantalla visualización de acumuladores 5.4 Función Tarar La tecla TARAR permite poner en cero (0) el valor de la medición 5.5 Función Sumar La tecla SUMAR, suma, acumula y guarda en los cuatro acumuladores Nota: Para borrar, ver la función borrar 5.6 Función Borrar Acumulador La tecla BORRAR AC permite borrar el acumulador que se observa en la pantalla en ese momento. Para borrar todos, se debe hacer de a uno. Si se borra un acumulador y se presiona la tecla SUMAR para seguir acumulando, el acumulador borrado comenzara de cero (0). 5.7 Función Emitir La tecla EMITIR activa la impresion de ticket si el icono de imprimir se encuentra presente en la pantalla. El Ticket generado tendra la siguiente información 5.8 Funciones no implementadas El dispositivo posee cuatro funciones que no son implementadas en este modelo, debido que no eran necesarias para el tipo de pesaje que usamos en la demostración. Tales funciones son las teclas LIMITE SUPERIOR, LIMITE INFERIOR, BORRAR LIMITE y RESTO 5.9 Funciones especiales Página 34 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Las funciones especiales se utilizan para calibración del dispositivo y son tres 5.9.1 Función Captura Con el receptor apagado, mantener presionada la tecla SUMAR mientras se enciende el equipo presionando la tecla ENCENDER / APAGAR Aparecerá una pantalla que se puede observar en la siguiente figura la cual genera la captura de los dispositivos transmisores autorizados para entrar al sistema en una cantidad máxima de 10. En caso de tener varios transmisores, se podrá visualizar solamente uno que elijamos de la lista obtenida. Para cambiar de transmisor visualizado hay que recapturar nuevamente y elegir el deseado con las teclas SUBIR / BAJAR Si no encuentra dispositivos en el sistema durante 30 segundos reiniciará la búsqueda. Figura 5.4 Pantalla de captura de zigbee. 5.9.2 Función Divisiones Internas Con el receptor apagado, mantener presionada la tecla TOTAL mientras se enciende el equipo presionando la tecla ENCENDER / APAGAR Aparecerá una pantalla que se puede observar en la siguiente figura que visualiza las divisiones internas que envia el ADC que Página 35 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco lee la celda de carga del transmisor. Figura 5.5 Pantalla visualización divisiones del ADC 5.9.3 Función Calibración Absoluta Con el receptor apagado, mantener presionada la tecla BORRAR AC mientras se enciende el equipo presionando la tecla ENCENDER / APAGAR Aparecerá una pantalla que se puede observar en la siguiente figura el modo de calibración absoluta que permite la contrastación del instrumento para darle la precisión al mismo según cada celda de carga o sistema de pesaje que se le acople. Figura 14.6 Pantalla de calibración de la balanza. Opera de la siguiente manera, una vez entrado a este modo, espera a que se presione la tecla TARAR para obtener la tara fisica que soporta la balanza en su sistema y se almacena. Automaticamente, queda nuevamente en Página 36 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco espera hasta que se cargue al sistema con las pesas de contrastación. Realizando esto se calibra con las teclas SUBIR / BAJAR hasta que en la pantalla se visualize el mismo valor de las pesas, luego se presiona BORRAR LIMITE para guardar la calibración. Terminada la operación regresa a la pantalla principal. 6 Basculas y Balanzas La Balanza es un instrumento cuya función principal es la de medir la masa de un cuerpo. Por masa entendemos la medida de un cuerpo en relación con la inercia, es decir, con la resistencia que pone un sistema físico a cualquier cambio o modificación. Hay mas de un dispositivo para medirla masa del cuerpo. Por un lado tenemos la llamada herramienta romana, que opera técnicamente y que tiene una gran antigüedad. Entre las funciones que ha cumplido esta herramienta se encuentran, entre otras, la de pesar mercancías destinadas a la venta. También tenemos el caso de la báscula. La misma surgió como respuesta a las dificultades que presentaba la herramienta romana. Es decir, todo aquello que no podía ser pesado en ésta sí era posible ser pesado en la báscula, más que nada porque cuenta con una plataforma a ras del suelo que es lo que hace que el proceso de pesado sea mucho más sencillo de llevar a cabo. La capacidad que tiene la báscula para soportar grandes pesos es lo que ha permitido que se pesen, incluso, grandes camiones en ella. En cuanto al tema que nos ocupa, la tercera opción con la que nos podemos encontrar para medir el peso de la masa es la balanza. La misma es más frecuentemente utilizada en una superficie terrestre donde el peso se vincula directamente con la masa. Se opone a la báscula en que así como aquella es empleada para pesar masas de gran magnitud, en ésta ocurre todo lo contrario. Por lo general, se colocan sobre ellas masas muy pequeñas, por lo general de pocos kilos. En cuanto a su uso, éste no solo está restringido al hogar. Podemos notar su presencia en laboratorios (justamente porque lo que se pesa es de menor magnitud, la báscula no sería tan necesaria en este caso), en empresas y en numerosas industrias que quieren determinar el peso de sus productos. Por lo tanto, no solo se pesará un determinado objeto sino también – como Página 37 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco ocurre en los laboratorios, por ejemplo – numerosas sustancias de distinta índole. Cuesta ahora imaginar un solo tipo de herramienta para medir el peso porque en la actualidad hay modelos electrónicos de avanzada que arrojan mucha precisión y rapidez en su tarea de medición del producto o sustancia. Lo cierto es que en la antigüedad se utilizaban aquellas que operaban mecánicamente y con una lentitud notablemente mayor a las actuales. Uno de los primeros mecanismos empleados fue el que contaba con dos brazos iguales, también llamados brazos paralelos. Este modelo tuvo su momento de mayor empleo entre los egipcios y se cree que data desde hace más de 2.000 años antes de Cristo. Dicho sistema de brazos simétricos funciona de la siguiente manera. Había una barra en el dispositivo que debía encontrarse en un contrabalance ideal. De dicha barra se desprendían dos platos, uno desde cada extremo. A su vez, la barra debía ser sostenida por un punto de apoyo que tenía que ser de la menor dimensión posible. Ahora bien, en cuanto al proceso de medición de la masa, se debía proceder de la siguiente manera. En primer lugar, era pertinente colocar el producto que quería ser pesado en uno de los platos, al que llamaremos plato A o plato número uno. Una vez hecho esto, en el plato B o plato número se iban colocando paulatinamente pesas, que además debían contar con un peso fijo y conocido. Para determinar si la balanza había llegado a su punto de mayor equilibrio, había que observar que la barra estuviera en una posición perfectamente horizontal. Una vez que se ha llegado a este equilibrio, a esta armonía entre los dos brazos, entre los dos platos, ese era el momento en el que se calculaba el peso del producto o sustancia, el llamado peso control. Esto proviene de toda la suma que se ha hecho de las pesas que se fueron colocando en el plato B. Este peso resulta, desde ya, el peso del producto que se quiso determinar con la operación y, por supuesto, el peso del producto que se colocó en el plato A es el mismo que el de las pesas que se pusieron en el plato B. Pero el ejemplo anteriormente mencionado no fue, desde ya, el único que se implementó para medir el peso. Hubo otro sistema, emparentado con el romano. Este tipo de operativo mecánico consistía también en una barra sostenida gracias a un punto de apoyo y el pesaje se llevaba a cabo a través de un solo plato donde se colocaba el peso que se quería determinar con exactitud. Si bien Página 38 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco hasta aquí el método es casi igual al ejemplo anterior, la diferencia radical es que en este caso los brazos no son iguales o simétricos. En uno de los brazos, el que resultaba ser el más corto, se colocaba el peso a determinar. El brazo largo, por su parte, directamente no tenía plato. Es decir, lo que tenía era el llamado pilón, una suerte de peso deslizable, que se ubicaba sobre una regla numerada. Dicho pilón se movía alejando o acercando el peso hasta el punto de apoyo para alcanzar el fin que siempre se persigue: el del perfecto equilibrio. 6.1 Historia de la Balanza Aproximadamente en el año 3.500 antes de Cristo el comercio era una de las actividades mas relevantes, especialmente en todo lo referente al intercambio de los productos. Debido a esta evolución en dicha comercialización, el pueblo egipcio se vio forzado a pesar y medir esos productos destinados a la venta. Por esta razón, el surgimiento de un nuevo instrumento que colaborara en este aspecto resultaba esencial. Estos son los inicios de la historia de la balanza egipcia. Este tipo de instrumento primitivo de medición consistía de una columna con un astil atado con una cuerda en cuyos extremos, a su vez, se sostenían unas bandejas mediante otras cuerdas. En dichas bandejas era donde se colocaban, por un lado, la mercancía que se quería pasar y, por el otro, una pesa de un valor que debía ser convenido. Con el transcurso de los años, los egipcios fueron paulatinamente modificando su invento, por lo cual ya cerca del 1.500 agregaron una plomada que permitía verificar si el instrumento en sí se encontraba o no nivelado según los requerimientos. Los romanos también se permitieron crear su propio sistema de medición del peso, mientras los egipcios se enriquecían con su propio invento porque lo perfeccionaban continuamente. De hecho, a la plomada luego le sumaron una aguja – más popularmente conocida como fiel – que indica el equilibrio entre los platos del operador de medición, que además es el momento exacto para el realizar el cálculo del peso. Pero la civilización romana, como ya adelantábamos, no se quedó atrás. Cerca del año 200 A.C. lograron darle a forma a lo que luego se conoció como romana de gancho. Página 39 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 6.1 Balanza antigua extraída de una tumba de la época romana La historia de la balanza creció y dicho instrumento fue ampliamente difundido durante el imperio. Su sistema el siguiente: la romana de gancho tiene un astil pero de constitución asimétrica. Desde su extremo de menor longitud se puede colgar un gancho. En dicho gancho debe colgarse la mercancía, y posteriormente se perfeccionaría el invento gracias al agregado de un plato. Por otro lado, desde el extremo más largo se desliza un peso fijo, que además tiene que ser dentado y graduado. Tan importante sería esta creación de los romanos, que se constituiría en el perfecto antecedente de las llamadas básculas de plataforma, las cuales se utilizan debido a que su resistencia les permite soportar grandes pesos. 6.1.1 Evolución de las balanzas Los egipcios y los romanos no fueron los únicos en aportar su grano en la historia de la balanza y los instrumentos medidores de peso. Da Vinci, por ejemplo, fue otro exponente de la colaboración en este aspecto. En el siglo XV configuró una medidora cuyo cuadrante era graduado. Asimismo, se apartó de otros inventos porque el suyo indicaba el peso del producto en dicho cuadrante, que además tenía una forma semicircular. Por esta razón es que se la considera como la primera herramienta de medición de índole automática, distinta al caso de aquellas que establecían entre los pesos determinadas equivalencias. Página 40 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 6.2 Balanza de brazos iguales de Roberval También los estudiosos de las matemáticas se permitieron contribuir con sus propias creaciones. Tal fue el caso de Gilles de Roberval, quien llevó adelante un novedoso sistema de astiles que se acoplaban de manera paralela. Con este método, el francés estaba desafiando el sistema de palancas. Recordemos que éste permitía que los platos del instrumento se mantuvieran en una horizontalidad inmune al desplazamiento de los pesos. 6.1.2 Representación pictórica Si nos adentramos un poco más en la historia de la balanza, es preciso mencionar que ya la bascula tenia su propia y primitiva representación pictórica. Si nuevamente nos retrotraemos al Antiguo Egipto, nos encontramos con numerosos bajorrelieves y papiros donde se encontraba representada la medidora, casi siempre con sus platillos colgados de los extremos del brazo, generalmente suspendido desde un soporte ubicado en el medio del instrumento. Asimismo, dicha forma de configuración se utilizó con una connotación simbólica para hacer referencia a términos tales como la justicia y al derecho. Los medidores, a su vez, tienen su propio lugar en los museos. Por ejemplo, en el Museo de Nápoles podemos encontrar distintas clases de medidoras que se encontraron en Pompeya, que van desde aquellas que cuentan con dos platillos, pasando por las que tienen solamente un platillo en su constitución, hasta (como no Página 41 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco podía ser de otra manera) una de las más conocidas: la romana, que utilizaba el principio de palanca que Roberval se permitió desafiar. 6.2 Tipos de balanzas Antes de delimitar la amplia cantidad de ambientes donde puede operar una báscula y explicar los tipos de balanzas que existen, determinemos en primera medida cuál es su función principal. Junto con el modelo romano y con la báscula, se trata de uno de los tres instrumentos (también conocidos con el nombre de operadores técnicos) que están destinados pura y exclusivamente a la medición de la masa de un cuerpo. Asimismo, es posible destacar un empleo de este operador que se lleva a cabo con mayor frecuencia, como es el caso de la aplicación sobre la superficie terrestre. Esto permite que se asocie la masa a su cuerpo correspondiente. La diferencia principal que podemos establecer con la báscula es que ésta última es utilizada cuando lo que se quiere pesar son masas sumamente grandes y de volumen más que notorio, en cambio las medidoras más comunes se emplean en los casos en los cuales los kilos de peso son notablemente inferiores, razón por la cual percibimos la constante demanda de las mismas en ambientes como laboratorios y cocinas. Porque resultan prácticas y fáciles de emplear. Como todo desarrollo, el de los instrumentos de pesaje también ha sido vertiginoso y ha ido entregando al mercado diferentes tipos de balanza según el ámbito o el uso que se les quiera dar. Un ejemplo claro de esto es el pasaje que se ha hecho de aquellos modelos más tradicionales (considerados un poco obsoletos en términos de demanda del usuario) a los modelos que funcionan a partir de un sistema esencialmente mecánico, cuya lectura resulta directa y precisa. Entre los principales empleos de estos operadores de medición es posible destacar a la utilización en los comercios, donde se los usa para efectuar el Página 42 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco pesaje de los alimentos que van a ser vendidos a granel, como el caso de las carnes, el pescado y frutas varias. Este tipo de balanza tiene como parte esencial de su constitución a una suerte de caja registradora. En la misma, el vendedor deberá introducir el valor de aquella materia que está decidido a pesar. Así es como, de manera automática, el operador va a realizar rápidamente el cálculo del importe, que además podrá ser visto en una pantalla, dejando a un lado cualquier duda o sospecha del cliente de que el vendedor ha encarecido el verdadero valor de su compra. Una vez que dicha compra ha sido finalizada, entonces el medidor arroja un ticket con el detalle de todos los productos que fueron previamente pesados. Otro tipo de balanza es la que se emplea cuando lo que se quieren medir son pequeñas cantidades de una determinada sustancia o material, como el caso de las medidoras de laboratorio. El rasgo que las define es el de la precisión, junto con el de la alta resolución. En cuanto a la constitución de este modelo, posee unos platillos fabricados en acero inoxidable y una función de tara que podrá ser activada siempre que así se lo necesite. Por otra parte, cualquiera sea el subtipo de este modelo de medidora, todas ellas tienen consigo un certificado de calibración, que puede ser sometido a verificación cuando se lo requiera. En cuanto a todas las posibilidades que se ofrece, podemos destacar que tienen la capacidad de efectuar diversas recetas, tienen el sistema de cuentapiezas y de porcentaje. Con esta clase de operador, el momento del pesaje no va a ser dificultoso, más bien todo lo contrario. Además de esto, que resulta esencial para todo pesaje, sus pesos de calibración y sus componentes de red (que asimismo funcionan a 240 V) no les impide ofrecer otra opción: la de la alimentación por medio de baterías. Estos operadores destinados a los laboratorios tienen un rango que opera en miligramos y cuentan con un dispositivo de calibración que opera de manera automática y que se encuentra en la parte interna del equipo de medición. Por esta razón, el ajuste del medidor va a realizarse a partir de un peso de calibrado, también interno. Esto implica, por supuesto, que no sea necesario emplear un peso de calibración que opere externamente. Página 43 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Otro tipo de balanza que es sumamente utilizada es la de cocina. Se las coloca en los hogares y resultan muy prácticas cuando se busca pesar alimentos, paso previo al de la etapa de cocinarlos según lo dispongan las recetas de cocina. Entre las ventajas más destacables del modelo anteriormente mencionado, podemos destacar que su manejo es sumamente sencillo, lo mismo que la función de tara con la que operan, la cual facilita en gran medida la realización de las recetas que se tienen a mano a la hora de cocinar. Este tipo de medidora puede ser alimentada de dos maneras. Una de las opciones es mediante la introducción de baterías. La otra opción consiste en alimentarla por medio de la red. Asimismo, su rango de pesado puede llegar hasta los 150 kilogramos. Algo que es muy importante es su capacidad de lectura, que llega a la precisión de entre 0,01 y 50 gramos. Otros tipos de medidoras muy usadas: las industriales, las de joyerías, las de muelle, las de mesa, las de colegio, las de animales y las más pequeñas, llamadas de bolsillo. 6.2.1 Balanza de Laboratorio El laboratorio es un ambiente que se encuentra equipado con muchos instrumentos de medición y equipos, todos ellos empleados con el objetivo de realizar experimentos e investigaciones de variada índole, ya sea en relación a lo industrial, a lo químico, a lo biológico, entre muchas otras clases de investigaciones que se llevan a cabo. Por lo tanto, teniendo en cuenta el trabajo que la gente de un laboratorio desempeña lo que se necesita es, fundamentalmente, una gran precisión en las mediciones ejecutadas. En el caso de las balanzas de laboratorio, las mismas aportan ese nivel de precisión (por algo también se las conoce con ese calificativo) requerido en el proceso de medición. Para dar una idea aproximada del grado de exactitud con el que operan, cabe mencionarse que hasta pueden llegar a medir pesos de sustancias que equivalen a una millonésima de gramo. Página 44 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Sin embargo, y a pesar de sus grandes beneficios, también este tipo de herramienta de medición de peso necesita de muchos cuidados. Fundamentalmente, deben estar protegidas en una caja de plástico o también en una de vidrio. Con esto se previene algo radical: que no se altere la lectura del peso de la sustancia por factores como el aire ambiental y su movimiento. Otro aspecto que debe ser tenido siempre en cuenta es que la temperatura ambiente, la presión atmosférica y las partículas del aire inciden directamente en el momento de ajustar el aparato y en el momento de calibrarlo. Asimismo, las balanzas de laboratorio tienen la tarea de transferir los valores de los patrones a lo que se denomina como calibrando. Además de esto, este tipo de herramienta de medición, cuando es utilizada en el medio de las investigaciones y los análisis, también se las conoce como comparadoras. Este tipo de dispositivo lo que permite es que su lectura, como ya lo hemos adelantado, sea de gran resolución. Esto ayuda a que se minimicen casi enteramente las diferencias entre las lecturas del patrón y las lecturas del calibrando. Por esta razón, los laboratorios están equipados con una considerable cantidad de comparadoras. Entre los modelos más conocidos y empleados con mayor frecuencia se encuentra la comparadora de carrusel automático. La misma se caracteriza por contar con una de las mejores repetibilidades disponibles. Por esta razón, es un modelo muy solicitado y de gran sofisticación. Se calcula que en el mundo solo existen escasos ejemplares para adquirir. En el caso de los laboratorios de física, por ejemplo, se emplean distintos tipos de herramientas de medición que operan con sus propios sistemas. Para pesar un objeto, por lo general se produce un desplazamiento de las masas calibradas sobre cuatro rieles y luego se fijan en posiciones que estén etiquetadas. Los distintos rieles lo que hacen es diferenciar los distintos tipos de peso que se utilizan en el laboratorio de física. Por ejemplo, el primer riel corresponde de 100g a 200g. El segundo riel está en relación con los 10g hasta los 100g. Por su parte, el tercer riel abarca desde 1g hasta 10g. Y por último, para Página 45 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco concluir con este orden descendente, el cuarto riel desplaza un peso de 0.1g hasta 1g. 6.2.2 Balanza de colgar Este tipo de balanza de colgar resultan ideales para ser utilizadas en los comercios, así como también para cuando se esta al aire libre. En cuanto al rango de pesado que puede cubrir la balanza comercial de colgar, éste es muy amplio y va desde los 20 gramos hasta las 10 toneladas aproximadamente. Cabe mencionarse la importancia de su mecanismo antichoque, que se constituye en una de las características fundamentales de este tipo de balanza. Su uso puede ser muy variado por la extensión de su rango de pesaje. Es decir, se podrán pesar tanto mercancías muy pequeñas como grandes contenedores o sacos. En cuanto a su uso en el tiempo libre, esta báscula brinda la posibilidad de medición de las pescas capturadas en una salida o incluso de las bicicletas, en ambos casos con igual eficacia y óptima visualización. En lo que respecta a otro de sus usos, el esencialmente comercial, se produce cuando se necesitan colgar rangos de pesaje en toneladas, lo cual es muy común en dicho ámbito comercial y en diversas industrias. 6.2.2.1 Modelos de balanza comercial de colgar Como ocurre casi siempre con todos las subclasificaciones de las balanzas de colgar, los modelos y series nunca van a presentar características unívocas. Por el contrario, el mercado intenta responder con una balanza especial de acuerdo al uso que se le quiere dar, siempre teniendo en cuenta el rango de pesaje y el ámbito en el que se colocará la báscula propiamente dicha. Una de las series dignas de mención es la G, mecánica y con división en gramos. Se trata del dinamómetro, del cual a su vez se pueden encontrar más de diez modelos y que pesan desde 10 gramos hasta 50 kilogramos. Si hay algo que caracteriza al dinamómetro es su alta precisión, es más, su desviación máxima se corresponde con 0, 3% de la carga total en gramos. Página 46 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Asimismo, ofrece otra ventaja que es que puede ser rápidamente adaptado de la función de la medición de la fuerza de tracción a otra medición: la de la fuerza de compresión. Sin embargo, para esto hay que tener en cuenta que se necesita el juego adaptador de fuerza de compresión. Este juego opera a través de un montaje cuya adaptación es fácil y rápida, y que se basa en el denominado principio modular. Esta serie de balanza de colgar es muy reconocida por su facilidad de uso y por ser altamente perdurable, según comprobaciones que se han hecho. Además de esto, se trata de un modelo mecánico y robusto y de gran calidad no solo en cuanto al material con el que está realizado sino también en cuanto a la forma. Su ajustabilidad, a su vez, es considerada como casi perfecta Otro modelo de balanza de colgar es el llamado PCE-HS 50. El mismo posee un gran alto rango de pesado y su resolución es sumamente clara, lo cual es una gran ventaja en lo que respecta a la tarea de medición del peso. Su uso ha sido generalmente industrial, aunque con el tiempo también este modelo ha sido incorporado a tareas hogareñas y a actividades realizadas al aire libre. Justamente su practicidad ha sido la ventaja que permitió que su uso sea amplio y no uno solo, por eso es que este tipo de báscula de colgar la podemos emplear para la caza, por ejemplo, e incluso también para la pesca. Esta serie cuenta con una pantalla LCD que está muy bien protegida ante todos los avatares meteorológicos que pueden dañarla y, por extensión, comprometer los resultados de la lectura del peso. La banda de medición que posee es integrada, lo cual posibilita un trabajo simultáneo de medición del peso como de la longitud del producto destinado al pesaje. Página 47 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Por otra parte, tiene entre sus partes una carcasa realizada en fundido de aluminio, lo cual la hace extremadamente sólida, sin dudas otro importante beneficio en la tarea de medición. También tiene un asidero giratorio y un gancho flexible. Tanto uno como el otro permiten determinar el peso en forma vertical. En cuanto a la operación de esta serie de balanza de colgar PCE– HS 50, hay que mencionar que en el momento del encendido, la báscula va a proceder a realizar una puesta a cero automática, lo cual garantiza una precisión de forma casi permanente. Su alimentación, por otra parte, es a través de la colocación de baterías. Su manejo resultará muy sencillo y la banda de medición (de 100cm.) que posee puede ser fácilmente extraíble. Esta serie tiene, asimismo, una función llamada Data Hold que permite realizar una fijación de los valores de peso. Por otro lado, son sus bandas extensométricas las que aseguran una gran precisión, al tiempo que se muestran muy resistentes ante el inminente desgaste. 6.2.3 Balanza mecánica El uso de una balanza particular, como el caso de la que nos ocupa, casi nunca se encuentra restringido a un único ámbito. Es decir, a pesar de que las características de la medidora estén directamente relacionadas con un medio en especial, eso no implica que en otro no pueda ser utilizada también. En cuanto a las balanzas mecánicas, las mismas son empleadas, por ejemplo, para realizar tareas de investigación y análisis en laboratorios, así como también pueden aparecer en el medio de la docencia (cuando se imparte una clase de química, por mencionar un solo exponente de este tipo de utilización), debido fundamentalmente a que se trata de un modelo ideal para hacer demostraciones de uso, por la precisión y la forma de manejo de la medidora en si. Página 48 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Asimismo, este tipo de basculas es de gran ayuda cuando se quieren realizar pesajes in situ. Este tipo de medición del peso es aquel que se relaciona con un lugar fijo de obtención del peso, dado que proviene de una expresión latina que significa “en el mismo lugar”. Cabe mencionarse que a la hora de hacer una división entre las medidoras, dos categorías se erigen como las más conocidas o las más relevantes. Por un lado, tenemos a aquellas que son electrónicas y, por el otro, a las balanzas mecánicas sobre las cuales nos estamos refiriendo. En el primer caso, se trata de un aparato especial que cuenta con un sensor, al que también se lo conoce con el nombre de celda de carga. Dicho sensor lo que hace es variar su nivel de resistencia de acuerdo a si el peso del producto o mercadería en cuestión esté aumentando o bien disminuyendo. En el segundo caso, tenemos a las balanzas del grupo de las mecánicas. Aquí estamos hablando de medidoras que actúan o llevan a cabo la medición a partir de una relación de palancas. Recordemos que el sistema de palancas está vinculado con el empleo de este tipo de máquinas simples, que están compuestas por una barra, por lo general de gran rigidez. Esta barra tiene la capacidad de girar con toda la libertad que requiera alrededor del llamado punto de apoyo, a su vez conocido con el término de fulcro. La palanca puede ser empleada con el objetivo de amplificar la fuerza mecánica que se le aplica a un objeto. Sin embargo, esta no es su única función. También tiene la capacidad de incrementar la distancia que recorre un objeto, cuando está en proceso de respuesta a la aplicación de una determinada fuerza. Este tipo de balanzas mecánicas, además, cuenta con una precisión del 0,3% de la carga, con lo cual se torna altamente recomendable para su uso en los mencionados laboratorios, que exigen como condición fundamental la medición exacta de sustancias o productos, para que los informes diarios no presenten casi margen de error. Página 49 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Al mismo tiempo, estas balanzas tienen un rango de taraje del 20% del rango de pesado máximo. En lo que respecta a las ventajas que estas medidoras ofrecen podemos mencionar a que su adquisición puede ser para unidades en gramos o para unidades en Newton, depende de para qué se la quiera utilizar. Hay básculas mecánicas que pueden llegar a contar con un rango de pesado que van de los cinco a los cien gramos y que poseen en su constitución una pinza que sirve para llevar adelante el proceso de toma de carga. Sin embargo, los ganchos con los que cuentan no pueden levantar cualquier peso. Por lo general, este modelo de medidora puede realizar una toma de carga de mercaderías de 2,5 a 50kg., no mucho más que eso. Por otro lado, hay modelos mayores que poseen una aguja de arrastre y un asidero. Otra de las ventajas que podemos resaltar tiene relación con la posibilidad de realizar conversiones varias. Es decir, el equipo de conversión con el que cuenta permite que con facilidad la báscula se adapte a ser un medidor de fuerza de presión. Además de esto, se trata de balanzas ligeras pero no por eso menos sólidas y cuya fabricación generalmente se realiza en Suiza. En cuanto al ajuste de cada muelle y el montaje de la medidora misma, siempre se busca que sea realizado con la mayor precisión posible. Luego de esto, se lleva adelante un control definitivo en estaciones de medición especiales, cuyo objetivo es el de afianzar la calidad de las básculas. En cuanto a los modelos a destacar, nos encontramos con la balanza mecánica con división en gramos. Se caracteriza también por una alta precisión (inherente a los modelos mecánicos) y por su alta resistencia. Su uso más frecuente es el que se realiza en el ámbito escolar, sobre el cual nos hemos referido anteriormente. Asimismo, tiene la habilidad de convertirse con gran rapidez en un aparato de precisión que ayuda, justamente, a medir la fuerza de presión. Para esto se necesita, por supuesto, el equipo de conversión de fuerza de presión correspondiente. Entre sus máximas ventajas es posible mencionar: la facilidad en su Página 50 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco utilización, su solidez que garantiza una alta durabilidad, su calidad en aspectos relacionados con el material y la forma y su perfecta capacidad para la ajustabilidad. 6.2.4 Balanza electrónica Cuando nos referimos a las balanzas, indefectiblemente tenemos que hacer alusión a dos grandes grupos: el de las balanzas mecánicas y el de las balanzas electrónicas. En el primer caso, las medidoras actúan a partir del conocido sistema de palancas. En el segundo caso, el que nos ocupa, estamos haciendo referencia a una clase de báscula que opera gracias a la presencia de un sensor – también conocido como celda de carga – que produce una variación de resistencia de acuerdo al aumento o disminución de los pesos. Dichas celdas de carga, por otra parte, cuentan con una precisión máxima de 1 en 10.000, pero gracias a la acción del funcionamiento electrónico la precisión se modifica notablemente a 1 en 5.000 Asimismo, cuando la celda o sensor se somete a impensados esfuerzos para los límites de sus capacidades, el sensor va a pasar a una zona llamada inelástica, donde se le resta toda utilidad posible, quedando como inservible a las necesidades particulares de medición del peso. Antes de hacer referencia a todos los modelos o series de balanzas electrónicas con los que nos podemos encontrar, cabe mencionarse que las básculas van a medir la fuerza ejercida por un objeto-sujeto a la misma fuerza de gravedad. Es decir, se produce una relación con dicha fuerza que permite realizar el cálculo de la masa. Por otro lado, las medidoras requieren fundamentalmente de una calibración, que se lleva a cabo en el lugar mismo de su utilización. Esto implica que las diferencias de gravedad van a ser siempre notables en cualquier parte del mundo. Página 51 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Asimismo, se debe tener en cuenta un método de calibración específico, es decir, no se trata de una decisión arbitraria. Por lo general, el método que se emplea para la calibración de las balanzas electrónicas es el de comparación a estándares o patrones de carácter internacional, que a su vez son definidos de masa. Entre los ejemplos podemos bien mencionar a la libra y al kilogramo, por destacar solo algunos. En cuanto a la división, ésta se realiza automáticamente gracias a la comparación, debido a que se toma de manera teórica una fuerza de gravedad constante. Entonces, si lidiamos con una fuerza de gravedad constante, la masa va a ser directamente proporcional a la fuerza. 6.2.4.1 Variedad de series Entre los distintos modelos de balanzas electrónicas, es posible destacar la serie llamada AH. En cuanto a sus características más notorias, se encuentra su robusta carcasa de acero, su función de cuentapiezas, su display (que además es retroiluminado), su función de cálculo de porcentaje y nueve unidades internas que permiten el pesaje. Asimismo, cuenta con una batería interna recargable y, por supuesto, con una calibración electrónica, que ya hemos visto que es fundamental en el proceso de pesaje. En lo que respecta al display, se trata de una opción que nos permite obtener una lectura muy clara de los resultados de la medición, al tiempo que su retroiluminación es programable según las circunstancias. Gracias a esto, la lectura resultará muy cómoda, aún cuando se esté en zonas donde las condiciones de iluminación son altamente desfavorables, dificultando el proceso de obtención de los resultados. La programación se relaciona con el hecho de optar por una iluminación que se encuentre permanentemente conectada o por una que se active de manera automática, cuando se detecta que sobre el plato de la balanza electrónica se ha colocado un peso X. Página 52 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Por otro lado, la base de datos interna que posee esta serie cuenta con nueve unidades, las cuales también pueden ser programadas con gran facilidad, con el objetivo de que se pueda acceder a cualquiera de ellas tan solo pulsando una tecla determinada. En cuanto al proceso mediante el cual se cuentan las piezas, se realiza a través de unos muestreos de cantidades predefinidas, también llevado a cabo presionando la tecla en cuestión. El cálculo de porcentaje, por otro lado, se realiza muestreando primeramente el patrón y luego efectuando el cálculo automáticamente. Otra serie es la llamada BH, que cuenta con una alta resolución, con un display retroiluminado, también con el cálculo de porcentajes y la función cuentapiezas, pero con el agregado de un paravientos de protección y del valor de calibración seleccionable. En lo que respecta al paravientos, éste es transparente y desmontable, e incluye una tapa superior translúcida, que permite utilizar la balanza aún en zonas donde las corrientes de aire pueden llegar a ser dañinas para el proceso de pesaje. Esta serie de balanza electrónica también puede pesar en distintas unidades, además de los gramos, que pueden ser configuradas por el usuario según sus propias intenciones. 7 Celdas de carga Las balanzas electrónicas actualmente operan de una forma determinada gracias a la presencia de un sensor. Dicho sensor, por supuesto, funciona de manera electrónica también y es conocido comúnmente con el nombre de celda de carga o bien célula de carga. Se trata de la base que permite el funcionamiento de la báscula en cuestión, en especial porque envía una señal a un sistema de indicador electrónico de lectura. En definitiva, podemos pensar al sensor como un tipo de resorte, al cual es posible medirle las deformaciones que presenta a través de un operativo de índole electrónica. 7.1 Forma y funcionamiento de la celda de carga En lo que respecta a la construcción y operación de la celda de carga, Página 53 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco pasemos a determinar en primer término en qué consiste su constitución. Se trata de un trozo de metal, que o bien puede ser de aluminio o bien de acero. El mismo debe presentar una muy buena calidad, casi óptima, puesto que su función es la de permitir que la balanza comience a realizar sus operaciones. Al trozo de metal que hemos mencionado es imperativo que se le practique una perforación o incisión, justamente para poder debilitar algún punto específico de su estructura general. Luego de llevar a cabo esta tarea, lo que hay realizar es una colocación de pequeños circuitos resistentes a la electricidad, que a su vez padecerán una alteración física o geométrica, más que nada en cuanto a su hilo conductor. Dichos circuitos se adhieren a la carga aplicada, es decir, a los pesos que se colocan sobre los platos de la báscula para obtener los resultados de la medición. Ahora pasemos a determinar cómo es que opera la celda de carga para que la medidora también pueda operar correctamente. Lo que se va a aplicar es la antigua pero todavía extremadamente vigente ley de Ohm. Bajo este punto de vista, la practicidad que se adquiere es innegable ¿Cómo ocurre esto? El conductor es el encargado, como ya se ha adelantado, de transmitir una señal que deberá ser proporcional a la deformación, pero siempre y cuando al circuito se le aplique un voltaje denominado “de excitación”. Los circuitos, por su parte, reciben el nombre de “gages” o bien “strain gages” y pueden presentar numerosas variedades, siempre dependiendo del uso que se les quiera dar. En cuanto a la señal emitida, la misma se encontrará indefectiblemente deformada. Por esta razón, tendrá que ser posteriormente procesada, tarea que realizará el indicador electrónico. Éste, a su vez, podrá tener características que lo clasifiquen como análogo, así como también rasgos que lo definan como digital. Cualquiera sea el caso, permitirá la obtención de la lectura del peso que queremos obtener. Si hay que aludir al funcionamiento de la celda de carga, entonces es importante determinar su principio básico o fundamental. El mismo está basado en la operación que realizan cuatro galgas extensiométricas, sobre Página 54 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco las cuales hemos dicho que son variadas y conocidas como “strain gages”. Veamos más detenidamente en qué consisten. Su configuración es considerada como muy especial y les permite ser electrónicamente resistentes, de ahí la necesidad de su empleo. El parámetro variable y sujeto a la medida va a ser, justamente, la resistencia que presente la galga. Sin embargo, dicha resistencia no será siempre la misma. Muchas veces puede producirse una variación, que va a depender de la deformación que la galga sufra en determinadas circunstancias. Ahora pasemos a delimitar la función del sensor en el operativo general. Se debe partir de la hipótesis inicial de que este sensor va a sufrir también deformaciones, al igual que la superficie donde está adherido. El mismo se encuentra compuesto por un sostén altamente delgado y no conductor, sobre el cual se va a colocar un hilo de metal muy fino. Esto se debe hacer con el fin de que la mayor parte de su longitud pueda distribuirse de manera paralela a una dirección determinada. El hilo, por su parte, va a tener una resistencia a la electricidad, pero siempre directamente proporcional a su longitud. En definitiva, cuando el hilo se alarga, la resistencia va a aumentar notablemente. Las deformaciones que se van a producir en el objeto sobre el cual se adhiere la galga son las que van a generar una variación de la longitud, que da como consecuencia una variación en la resistencia. Por otro lado, hay otro principio de funcionamiento de las galgas de las celdas de carga, que se va a basar en la deformación de otros elementos: los semiconductores. La alteración, en este caso, va a repercutir no solo en la longitud sino también en la sección. En lo que respecta a estos semiconductores, los mismos poseen un factor de galga mucho más elevado que aquel que estaba constituido por el hilo metálico. 8 Zigbee Zigbee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal area network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. Página 55 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Entre las aplicaciones que puede tener están: ● ● ● ● ● ● Domótica. Automatización industrial. Reconocimiento remoto. Juguetes interactivos. Medicina. Etc. 8.1 Objetivo El objetivo de esta tecnología no es obtener velocidades muy altas, ya que solo puede alcanzar una tasa de 20 a 250Kbps en un rango de 10 a 75 metros, si no que es obtener sensores cuyos transceptores tengan un muy bajo consumo energético. De hecho, algunos dispositivos alimentados con dos pilas AA puedan aguantar 2 años sin el cambio de baterías. Por lo tanto, dichos dispositivos pasan la mayor parte del tiempo en un estado latente, es decir, durmiendo para consumir mucho menos. 8.2 Banda de operación ZigBee opera en las bandas libres de 2.4Ghz, 858Mhz para Europa y 915Mhz para Estados Unidos. En la siguiente figura se puede ver el espectro de ocupación en las bandas del protocolo 802 (incluyendo ZigBee). Figura 8.1 Tecnologías en 2,4 GHz En la banda de 2.4Ghz usa la modulación de espectro expandido DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). A una velocidad de transmisión de 250Kbps y a una potencia de 1mW cubre aproximadamente unos 13 metros de radio. En la siguiente figura se muestran las características de radio de las Página 56 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco señales. Figura 8.2 Características de Radio En la siguiente tabla se puede observar la distancia en función de la potencia transmitida y la velocidad de transmisión: Potencia(mW) / Velocidad(Kbps) 1mW 28 Kbps 23m 100 Kbps 13m 10mW 54m 100mW 154m 29m 66m Tabla 8.1 Distancia de Transmisión En cuanto a la gestión del control de acceso al medio hace uso de CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance) y es posible usar ranuras temporales TDMA (Time Division Multiple Access) para aplicaciones de baja latencia. 8.3 Nodos y topologia de red En una red ZigBee pueden haber hasta 254 nodos, no obstante, según la agrupación que se haga, se pueden crear hasta 255 conjuntos/clusters de nodos con lo cual se puede llegar ha tener 64770 nodos para lo que existe la posibilidad de utilizar varias topologías de red: en estrella, en malla o en grupos de árboles, como puede verse a continuación: Página 57 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 8.3 Topologías de Red Se permite un encaminamiento o enrutamiento de saltos múltiples, también conocido como multi-hop, que permite que estas redes abarquen una gran superficie. En Zigbee hay tres tipos de dispositivos: ● Coordinador Solo puede existir uno por red. Inicia la formación de la red. Es el coordinador de PAN. ● Router Se asocia con el coordinador de la red o con otro router Zigbee Puede actuar como coordinador. Es el encargado del enrutamiento de saltos múltiples de los mensajes. ● Dispositivo final Elemento básico de la red. No realiza tareas de enrutamiento. Una posible configuración de red seria la siguiente: Página 58 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 8.4 Ejemplo de red Zigbee Otro punto importante es el soporte y la disponibilidad total de la malla, es decir, que ante caídas de nodos, la red busca caminos alternativos para el intercambio de mensajes, un ejemplo se puede ver a continuación. Supongamos que disponemos de una red en la cual los nodos están conectados en malla y se intercambian datos entre un interruptor y una lámpara. Figura 8.5 Camino de comunicación (interconexión) Si algunos de los nodos, que contienen fallas, y dichos nodos formaban parte del camino que seguían los mensajes en la comunicación, la red podría sufrir una caída: Página 59 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 8.6 Caída de dos nodos de red ZigBee permite que se puedan establecer rutas alternativas para seguir comunicando los dispositivos: Figura 8.7 Creación de un camino alternativo 8.4 Seguridad En cuanto a seguridad, ZigBee puede utilizar la encriptación AES de 128bits, que permite la autentificación y encriptación en las comunicaciones. Además, existe un elemento en la red llamado Trust Center (Centro de validación) que proporciona un mecanismo de seguridad en el que se Página 60 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco utilizan dos tipos de claves de seguridad, la clave de enlace y la clave de red. 9 Capa de aplicación La pila de arquitectura ZigBee consta de varios componentes en capas como IEEE 802.15.4 2003 en la capa de Control de Acceso al Medio (MAC), la capa física (PHY) y la capa de red Zigbee (NWK). La capa de aplicación de ZigBee se subdivide en la subcapa APS, la capa ZDO (Zigbee Device Objects) y los objetos de aplicación definidos por cada uno de los fabricantes. Figura 5.1 Pila de Prototipo Zigbee 9.1 Subcapa de soporte La subcapa de soporte de aplicación (APS) proporciona un interfaz entre la capa de red (NWK) y la capa de aplicación (APL) a través de un conjunto de servicios que se utilizan junto a los ZDO y otros objetos que hayan sido definidos por los fabricantes. Los servicios los ofrecen dos entidades: la entidad de datos APS (APSD) a través del servicio de punto de acceso APSDE (APSDE-SAP) y la entidad gestora del APS (APSME-SAP) a través de un servicio que ofrece el punto de acceso APSE-SAP. APSDE proporciona el servicio necesario para la transmisión de datos y el transporte de de datos de aplicación entre dos o más dispositivos en la misma red. Página 61 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco APSME proporciona el servicio de descubrimiento y enlace de dispositivos y mantiene una base de datos de los objetos llamado “APS Information Base (AIB)”. 9.2 Estructura de aplicación Dentro de la estructura de aplicación, los objetos de envían y reciben datos a través del APSDE-SAP. El control y la gestión de los objetos de aplicación es llevada a cabo por las interfaces de los ZDO. El servicio de datos ofrecido por el APSDE-SAP, incluye primitivas de petición, confirmación, respuesta e indicación (request, confirm, response, indication) para la transferencia de datos. ● ● ● La primitiva request soporta la transferencia de datos entre pares de entidades objeto de aplicación. La primitiva confirm da los resultados de una llamada de la primitiva request. La primitiva indication se usa para indicar la transferencia de datos desde un APS a la entidad objeto de aplicación. Se pueden definir mas de 240 objetos de aplicación llamados terminales, con interfaces que para cada uno de los terminales se enumeran del 1 al 240. Hay dos terminales adicionales que utiliza el APSDE-SAP; el 0 está reservado para el interfaz de datos de los ZDO y el 255 se reserva para que el interfaz de datos realice las peticiones de broadcast de datos para todos los objetos de aplicación. Los terminales que van del 241 al 254 se reservan para usos futuros. 9.2.1 Servicio de parejas Clave-Valor El servicio de pares key-valor (KVP) permite a los atributos definidos, que en los objetos de aplicación se puedan utilizar primitivas como get, get response, set y set response. Además, KVP utiliza estructuras de datos de marcado XML en una versión más reducida. Esta solución proporciona un mecanismo de instrucciones y control para la gestión de pequeños dispositivos que permiten a las puertas de acceso la difusión de los datos XML. 9.2.2 Servicios de mensajes Existen varias áreas de aplicación en ZigBee que tiene protocolos Página 62 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco de direccionamiento propietarios y que no funcionan bien con KVP. Por tanto, existen cabeceras que KVP asume y que sirven para controlar el estado de las variables, que permitan seleccionar, obtener o realizar las acciones necesarias que se puedan producir ante ciertos eventos que requieran los dispositivos para mantener las variables de estado de comunicación. 9.3 Direccionamiento de Terminales ZigBee proporciona un subnivel de direccionamiento, que se usa de manera conjunta con otros mecanismos como es el protocolo IEEE802.15.4.Por ejemplo; hay un número de terminales (endpoints) que se pueden utilizar para identificar interruptores y bombillas. El terminal 0 está reservado para la gestión de dispositivos y es utiliza para direccionar los descriptores del nodo. Cada subunidad que se identifica en un nodo (como pueden ser los interruptores y las bombillas) se asigna a un terminal específico dentro del rango 1-240. Para permitir una diferenciación de productos en el mercado, los fabricantes pueden añadir clusters que contengan atributos extra para sus propios perfiles. Estos clusters específicos no forman parte de la especificación de ZigBee y su interoperabilidad no está garantizada. Dichos servicios deben ser indicados en cada uno de los terminales descritos por parte del fabricante, acompañando a poder ser la nueva hoja de especificaciones. 9.4 Fundamentos de comunicación de la capa de aplicación 9.4.1 Perfiles Los perfiles son acuerdos a los que se llega por mensajes. El formato de estos mensajes y las acciones producidas, permiten a las aplicaciones residir en cada uno de los dispositivos individuales para enviar instrucciones, realizar peticiones de datos o procesar instrucciones/datos para crear así una aplicación distribuible e interoperable. Los perfiles son desarrollados por cada uno de los fabricantes ZigBee, que en base a las necesidades que existen en el mercado, proporcionan soluciones tecnológicas específicas. Los perfiles por tanto tratan de unificar la tecnología con las necesidades del mercado. 9.4.2 Cluster Página 63 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Los clusters son identificados por un identificador de cluster (Cluster ID), éste cluster se asocia al dispositivo que produce los flujos de datos. Los identificadores de clusters son únicos dentro de un mismo perfil. Los enlaces se producen por la relación existente entre identificadores de clusters de salida y de entrada, asumiendo que ambos clusters están dentro de un mismo perfil. 9.5 Descubrimiento 9.5.1 Dispositivo de Descubrimiento El servicio de descubrimiento (Device Discovery), es el proceso por el cual un dispositivo ZigBee descubre otros dispositivos. Para ello, realiza preguntas/solicitudes que se envían por broadcast o unicast. Hay dos formas de realizar las peticiones de descubrimiento de servicios y dispositivos: la petición de dirección IEEE y la petición de dirección de NWK. La petición de IEEE es unicast y asume que la dirección NWK es conocida. La petición de dirección NWK es por broadcast y lleva la dirección de IEEE como datos de negociación de parámetros. Las respuestas al elemento que ha realizado las peticiones broadcast o unicast de mensajes de descubrimiento pueden variar según provengan de un tipo de dispositivos lógicos u otros, como se indica a continuación: ● Terminal: responde a las peticiones de descubrimiento de dispositivos enviando su propia dirección IEEE o la dirección NWK (dependiendo de la petición) ● Coordinador: responde a la petición enviando su dirección IEEE o NWK y las direcciones IEEE o NWK que tiene asociadas como coordinador ZigBee (dependiendo del tipo de petición). ● Router: responde a peticiones enviando su dirección IEEE o NWK y las direcciones IEEE o NWK de todos los dispositivos que tiene asociados como router ZigBee (dependiendo de la Página 64 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco petición). 9.5.2 Servicio de Descubrimiento El servicio de descubrimiento es el proceso por el cual los servicios que en un instante de tiempo están disponibles en los terminales o en los dispositivos receptores y que son descubiertos por dispositivos externos. El servicio de descubrimiento realiza las peticiones de sondeo para cada terminal de cada dispositivo o por el uso de servicios de sondeo tipo broadcast o unicast. El proceso del servicio de descubrimiento en ZigBee es la clave para interconectar dispositivos dentro de una red. A través de dichas peticiones de los descriptores de cada nodo especificado, las peticiones por broadcast para preguntar a los dispositivos cuales son los objetos de aplicación que tienen sus dispositivos. 9.6 Enlace En ZigBee, hay un concepto de nivel de aplicación que utiliza los identificadores de clusters en los terminales de manera individual en cada uno de los nodos. Se llama enlace a la creación de un vínculo entre los dispositivos de aplicación de la red y los terminales. La información de cómo los clusters se emparejan con los nodos se indica en una tabla de enlace (binding table). El enlace se lleva a cabo después de que el en enlace de comunicaciones se haya establecido. Una vez el enlace se establece es ya en la implementación en la que se decide de qué manera un nodo puede llegar a formar parte de la red o no. Además, también depende de la seguridad definida para realizar la operación y de cómo se haya implementado. El enlace sólo se permite si la implementación de la seguridad de la red de todos y cada uno de los dispositivos lo permite. La tabla de enlace se implementa en el coordinador ZigBee. Esto es porque se necesita que la red esté continuamente operativa y disponible, con lo que es más probable que el coordinador sea el que pueda ofrecer este servicio. Por otro lado, algunas aplicaciones pueden necesitar tener esta tabla de enlace duplicada, para que esté disponible por si ocurre un fallo de almacenamiento de la tabla original. Las copias de seguridad de la tabla de enlace y/o de otros elementos de datos sobre el coordinador ZigBee ya no pertenecen a la especificación de ZigBee 1.0, por lo que es responsabilidad del software de aplicación. Página 65 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco 9.7 Mensajes 9.7.1 Direccionamiento Directo Una vez los dispositivos se han asociado, las instrucciones entre los elementos se pueden enviar y recibir, de forma que ya pueden ser enviadas de un dispositivo a otro. El direccionamiento directo asume que el descubrimiento del dispositivo y el servicio de descubrimiento tienen identificados un dispositivo con un terminal, el cual quiere realizar peticiones de servicios. El direccionamiento directo define una manera de realizar el direccionamiento en el que se envíen mensajes a los dispositivos incluyendo su dirección y la información de los terminales que contiene. 9.7.2 Direccionamiento Indirecto El uso del direccionamiento directo requiere de un dispositivo controlador que tenga el conocimiento de todas las direcciones, de los terminales, de los clusters identificadores y de los atributos identificadores de un dispositivo que quiere comunicarse y que tiene su información almacenada en una tabla de enlace (binding table) en un coordinador ZigBee. Este coste de almacenamiento es mayor que el que se produce en la creación de un mensaje de direccionamiento indirecto entre pares de dispositivos. La dirección IEEE compuesta de 10bytes además de un byte adicional que se necesita son suficientes para que dispositivos sencillos como pudieran ser interruptores (switches) alimentados por baterías, se sobrecargarían al almacenar toda la información que hay en la tabla. Para estos dispositivos, el direccionamiento indirecto resulta más adecuado. Cuando un dispositivo fuente/emisor contiene varios atributos, el identificador de cluster se utiliza para realizar el direccionamiento y los atributos identificadores se usan para identificar un atributo en particular incluido en el cluster. 9.7.3 Direccionamiento Broadcast Una aplicación puede enviar mensajes broadcast a todos los terminales de un dispositivo dado. Este direccionamiento forma parte del direccionamiento broadcast Página 66 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco llamado broadcast de aplicación. La dirección de destino está formada por 16 bits de la dirección broadcast de la red y hay que indicar el flag de broadcast en la trama APS dentro del campo de control. El origen debe incluir el identificador de cluster, el perfil identificador y el campo del terminal origen en la trama APS. 9.8 Objetos de dispositivos Zigbee Los objetos de dispositivos ZigBee (ZigBee Device Objects, ZDO) representan la clase base de la funcionalidad que proporciona un interfaz entre los objetos de aplicación, el perfil del dispositivo y el APS. Los ZDO se encuentran entre el framework de aplicación y la subcapa de soporte de aplicación. Permite así que se cumplan todos los requisitos de las aplicaciones que operan con la pila de protocolo ZigBee. Los ZDO son responsables de: ● Inicializar la subcapa de soporte de aplicación (APS), la capa de aplicación (NWK), y los servicios de especificación (SSS). ● La información de configuración desde la aplicación para determinar e implementar el descubrimiento y la gestión de la seguridad, red y enlace. Los ZDO proporcionan interfaces públicos para los objetos de aplicación en la capa del framework de aplicación para tener el control de dispositivo y realizar las funciones necesarias definidas por los objetos de aplicación. Las interfaces de los ZDO tienen poca presencia en la pila de protocolo ZigBee. En el terminal 0, a través del ADSDE-SAP para datos y a través del APSME-SAP para los mensajes de control. Las interfaces públicas proporcionan la gestión de las direcciones de dispositivos, el descubrimiento, el enlace (binding) y las funciones de seguridad incluidos en la capa del framework de aplicación de la pila de protocolo de ZigBee. 9.8.1 Gestión de Descubrimiento El descubrimiento se gestiona dependiendo de los objetos de aplicación. Cuando se solicita, la dirección IEEE de la petición del dispositivo tiene que ser devuelta (si el dispositivo es un dispositivo final) o bien con las direcciones de los dispositivos de todas las Página 67 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco asociaciones (si el dispositivo es un dispositivo coordinador o router). Todo esto se produce por un dispositivo que se encarga del descubrimiento de los dispositivos ZigBee. También sirve para proporcionar otros servicios que se pueden ofrecer a los dispositivos finales (end devices) definidos en el dispositivo por los objetos de aplicación que contiene. Un dispositivo puede descubrir terminales activos, además puede descubrir servicios específicos que coincidan con un criterio dado (como pueden ser los identificadores de perfiles y de clusters). 9.8.2 Gestión de Enlace La gestión del enlace la proporcionan los objetos de aplicación, de manera que estos objetos en cada uno de los dispositivos ZigBee puedan conectar todas las capas de la pila de protocolo a través de varias conexiones, que puedan proporcionar varios nodos en la red ZigBee. Las tablas de enlace se construyen y se publican en las peticiones de enlace y sus respuestas resultantes. Los dispositivos finales y las instrucciones tanto de enlace como de desenlace (abandono de la red) entre los dispositivos se soporta a través de los perfiles ZigBee mencionados anteriormente. 9.8.3 Gestión de Seguridad La gestión de seguridad la proporcionan también los objetos de aplicación para habilitar o deshabilitar la parte de seguridad en el sistema. Si está habilitada, la gestión de claves se lleva a cabo haciendo el uso de lo que se conoce como claves maestras (master keys), claves de red (network keys) que permiten establecer una clave de enlace (link key). 9.9 Dispositivos Zigbee 9.9.1 Coordinador 9.9.1.1 Inicialización Normalmente se crea una única copia de los parámetros de configuración de la red para los objetos pertenecientes a los ZDO. Además, se pueden definir parámetros para describir el Node Descriptor, Power Descriptor, Simple Descriptor, e Página 68 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco incluso los terminales activos. La aplicación del dispositivo realiza una petición en la lista de canales para realizar una búsqueda o escaneo de los canales indicados. La confirmación resultante obtiene una lista detallada de los PANs activos. La aplicación del dispositivo compara la lista de canales con la lista de red y selecciona uno de los canales que se encuentre libre. Una vez se identifica el canal, la aplicación del dispositivo selecciona los atributos de seguridad de la capa y trama correspondientes a los parámetros de configuración. Después la aplicación chequea si se ha podido establecer el PAN en el canal. 9.9.1.2 Operación Normal En este estado, el coordinador ZigBee debe permitir que otros dispositivos se unan a la red basándose en sus parámetros de configuración; como pudieran ser la duración de la incorporación del dispositivo a la red o el número máximo de elementos que se pueden unir. El coordinador ZigBee debe responder a cualquier dispositivo u operaciones del servicio de descubrimiento de su propio dispositivo o de cualquier dispositivo que tenga asociado y que esté dormido. La aplicación del dispositivo debe asegurarse de que el número de entradas de enlace no excede de los indicados en los parámetros de configuración. Por tanto, el coordinador ZigBee tiene que soportar el control del proceso de incorporación a la red de cualquier dispositivo. El coordinador tiene que mantener una lista de los dispositivos asociados y facilitar el soporte para elementos huérfanos, permitiendo que se vuelvan a unir a la red, permitiendo que los dispositivos se incorporen directamente en la red. Por otro lado, el coordinador ZigBee debe soportar primitivas que permitan eliminar o desasociar los dispositivos que estén bajo su control. El coordinador procesa las peticiones de solicitud del router o de los dispositivos finales. Una vez recibida la solicitud de desconexión el coordinador espera un tiempo para recibir una segunda petición de desconexión. Si le llega en un tiempo determinado, el coordinador ZigBee pasará a examinar el identificador del perfil (Profile ID) para ver si coincide. Si coincide, lo incluye en una lista llamada AppOutClusterList para que deje de pertenecer a la red. Si no coincide se enviará un error al dispositivo que solicita la Página 69 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco desconexión, es decir, el dispositivo seguirá perteneciendo a la red. 9.9.1.3 Operación del Centro de Validación El coordinador ZigBee tiene la función de ser el Centro de Validación (Trust Center) cuando la seguridad está habilitada en la red. Al centro de validación se le notifica si existen nuevos dispositivos en la red por medio del APSME. El centro de validación puede permitir que el dispositivo permanezca en la red o bien se le fuerce a salir de ella. Si el centro de validación decide permitir que el dispositivo permanezca en la red, debe establecer una clave maestra con el dispositivo a no ser que ya exista una clave maestra previa entre ellos. Una vez intercambiada dicha clave, el centro de validación y el dispositivo ahora negociarán una clave para establecer la conexión. El centro de validación entonces proporciona al dispositivo la clave de red (NWK) para que el dispositivo pueda establecer peticiones al coordinador. 9.9.2 Router 9.9.2.1 Inicialización Por regla general se crea una única copia de los parámetros de configuración de la red para los objetos pertenecientes a ZDO. Si se puede, se crean los elementos de configuración para el Complex Descriptor, el User Descriptor, el número máximo de entradas de enlace y la clave maestra. La aplicación del dispositivo utiliza el ChannelList y sus parámetros de configuración para buscar o escanear los canales que se le indiquen. El resultado permite obtener la lista de red con los PAN activos en la red. Entonces se realizan varias peticiones de descubrimiento para obtener cuales son realmente los elementos que existen en la red y asociar los enlace en la capa de red. La aplicación del dispositivo compara el ChannelList con la NetworkList para seleccionar los PAN existentes que se deben unir. Una vez que el PAN al que unirse se ha identificado, la aplicación del dispositivo debe realizar una petición para asociar el PAN en el canal. Después debe chequear el estado de verificación de la asociación en el coordinador u otros routers seleccionados en ese PAN. Página 70 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Si la red tiene la seguridad activada, el dispositivo tiene que esperar a que el centro de validación le proporcione la clave maestra y establecer con éste la clave de enlace. Una vez establecido espera a que el centro de validación de pase la clave de red. Ahora ya que está autenticado puede funcionar como un router de la red. 9.9.2.2 Operación Normal En este estado, el router debe permitir que otros dispositivos se unan a la red basándose en los parámetros de configuración que tiene, como el número de elementos máximos o el tiempo en el que puede estar un elemento en la red. Cuando un dispositivo nuevo se une a la red, la aplicación del dispositivo debe ser informada. Cuando se haya admitido en el PAN, el router debe indicarle la confirmación de la conexión. Si la seguridad está habilitada, el dispositivo debe informar al centro de validación. El router ZigBee debe responder a cualquier dispositivo descubierto o a operaciones del servicio de descubrimiento, tanto de su propio dispositivo como de cualquier otro asociado que pudiera estar dormido. Si la seguridad está activada, el router debe utilizar la clave maestra para establecer los procedimientos para la gestión de la clave de enlace (Link Keys). El router debe soportar el establecimiento de una clave maestra con el dispositivo remoto y establecer entonces la clave de enlace. El router tiene que poder almacenar y eliminar las claves de enlace para destinos conocidos que requieran que la comunicación sea segura con lo que debe poder recibir las claves del centro de validación. El router debe permitir también la eliminación de la red de dispositivos asociados bajo su control de aplicación. El router mantiene una lista con los dispositivos asociados y tiene que facilitar el soporte para que los procesos de de búsqueda e incorporación de elementos huérfanos de los dispositivos que previamente han estado asociados, puedan volver a unirse a la red. 9.9.3 Dispositivo Final 9.9.3.1 Inicialización La aplicación del dispositivo debe obtener de la lista de canales la configuración para escanear los canales especificados. El Página 71 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco resultado debe contener una lista de red (Network List) detallando los PAN activos en la red. Al igual que el router, se realizan varias peticiones de descubrimiento para saber cuantos elementos son los que hay en la red. La aplicación del dispositivo debe comparar la lista de canales con la lista de red para deducir a qué red debe unirse. En el algoritmo debe indicarse entre otras cosas: el modo de operación de la red, identificación del router o coordinador de la red, capacidad del router o coordinador, coste de enrutamiento, etc. Una vez hecho, debe chequear la asociación con el router o el coordinador ZigBee en el PAN. Si la red tiene la seguridad habilitada, el dispositivo tiene que esperar a que el centro de validación negocie primero la clave maestra, seguido de la clave de enlace y finalmente la clave de red (NWK), tras lo que se considerará que estará autenticado y listo para unirse a la red. 9.9.3.2 Operación Normal El dispositivo final ZigBee debe responder a cualquier dispositivo descubierto o a las peticiones de operación del servicio de descubrimiento de su propio dispositivo. Si la seguridad está habilitada, igual que en el apartado anterior, debe negociar primero la clave maestra y seguidamente la clave de enlace, con lo que tiene que poder almacenar también las claves de enlace de los destinos que requieran una comunicación segura. Debe poder gestionar estas claves, tanto para almacenar como para eliminar. Por tanto tiene que poder mantener una comunicación con el centro de validación para actualizar las claves de red (NWK key). 9.10 Dispositivos y Servicio de Descubrimiento El dispositivo y las funciones del servicio de descubrimiento soportan: ● El dispositivo de descubrimiento. ● El servicio de descubrimiento 9.11 Dispositivos de Gestión 9.11.1 Gestor de Seguridad Página 72 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco El gestor de seguridad determina que seguridad está habilitada o deshabilitada. Si está habilitada debe permitir: ● ● ● Establecer una clave. Transportar la clave. Autenticación. 9.11.2 Gestor de Enlace La función de gestión del enlace soporta: ● ● El enlace de los dispositivos finales. El enlace y desenlace. 9.11.3 Gestor de Red La función del gestor de la red debe soportar: ● ● ● ● ● ● El descubrimiento de la red. La formación de la red. Permitir y denegar asociaciones. Asociaciones y desasociaciones. Descubrimiento de rutas. Reseteo de la red. Habilitación e Inhabilitación del estado del receptor de radio. 9.11.4 Gestor de Nodos El gestor de nodos soporta la petición y respuesta de la funciones de gestión. Estas funciones de gestión solo proporcionan visibilidad a dispositivo externos en cuanto al estado del dispositivo receptor de la petición. 10 Capa de Red Las primitivas de confirmación de la capa de red, suelen incluir parámetros encargados de informar acerca del estado de las solicitudes que genera la capa inmediatamente superior, la capa de aplicación. Estos parámetros son los que aparecen en la siguiente tabla. Nombre Valor Descripción SUCESS 0x00 La solicitud ha finalizado correctamente. INVALID_PARAMETER 0xC1 Parámetro inválido. INVALID_REQUEST 0xC2 La solicitud se deniega en función del estado actual de la capa de red. Página 73 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco NOT_PERMITED 0xC3 Solicitud no permitida. STARTUP_FAILURE 0xC4 Fallo en la inicialización de la red. ALREADY_PRESENT 0xC5 Indica que un dispositivo que ya existe en la red, dispone de la dirección que se pretende obtener. SYNC_FAILURE 0xC6 Fallo de sincronización (problema con la MAC). TABLE_FULL 0xC7 Indica que no dispone de más espacio para almacenar direcciones de dispositivos en la tabla de encaminamiento. UNKNOWN_DEVICE 0xC8 Error porque el dispositivo indicado no aparece en la tabla de encaminamiento del dispositivo. UNSUPPORTED_ATTRIBUTE 0xC9 Identificador de atributo no soportado o reconocido. NO_NETWORKS 0xCA Fallo provocado por la inexistencia de redes disponibles. LEAVE_UNCONFIRMED 0xCB Fallo en el descubrimiento del propio dispositivo al resto de la red. MAX_FRM_CNTR 0xCC Proceso de Seguridad. Trama fuera de rango. NO_KEY 0xCD Proceso de Seguridad. La solicitud carece de llave de paso. BAD_CCM_OUTPUT 0xCE Proceso de Seguridad. El sistema de seguridad ha producido errores en su salida. Tabla 10.1 Primitivas de Confirmación 10.1 Descripción General La capa de red es necesaria para ofrecer servicios a la capa inmediatamente superior, la capa de Aplicación, que permitan realizar operaciones sobre la capa inmediatamente inferior a la misma, la sub-capa de MAC, definida en el IEEE 802.15.4-2003. Es decir, la capa de red hace de interfaz entre la capa de Aplicación y la de MAC. Para esto, la capa de red dispone en esta interfaz de dos servicios, con los que cubre las necesidades de la capa de Aplicación. Estos dos servicios se conocen como Servicio de Datos y Servicio de Control. La comunicación entre la capa de Aplicación y la sub-capa MAC, se lleva a cabo en el SAP de la capa de Red, utilizando las interfaces descritas Página 74 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco anteriormente. Esto se traduce de forma que, entre la capa de Aplicación y la de Red existen dos SAP ,uno por cada servicio que la capa de Red oferta a la de Aplicación. De la misma forma que aparecen otros dos SAP más entre la capa de Red y la sub-capa de MAC. Figura 10.1. Capa de Red 10.1.1 Servicio de Datos Este servicio de interfaz, es también conocido con NLDE (Network Layer Data Entity). Provee de un servicio de datos, que permite a cualquier aplicación comunicarse con las mismas unidades de datos, con dos o más dispositivos. Obviamente todos los dispositivos que intervengan en esta comunicación deberán estar en la misma red de interconexión. Esta interfaz dispone de los siguientes servicios: ● ● Generación de la PDU de la capa de Red (NPDU). Especificación de la topología de encaminamiento. 10.1.2 Servicio de Control El también conocido como NLME (Network Layer Management Entity), es un servicio ofertado desde la capa de Red a la superior, que permite a la capa de Aplicación interactuar o comunicarse con la pila directamente. Esta interfaz dispone de los siguientes servicios: ● Configuración de un nuevo dispositivo. Esto permitirá la Página 75 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco ● ● ● ● ● ● inicialización de un dispositivo Coordinador, así como el descubrimiento de nuevos dispositivos dentro de la red de interconexión. Inicialización de una nueva red. Integración y salida de una red. Direccionamiento. Descubrimiento de vecinos. Descubrimiento de ruta. Recepción de control. 10.2 Especificación del servicio Además de la posibilidad de comunicación entre la capa de Aplicación y la de Red, la capa de Red de ZigBee dispone de un canal de comunicación directa entre los servicios de la misma capa. Es decir, dispone de una interfaz para comunicar los servicios intermedios de Datos y de Control. Mediante esta nueva interfaz, el servicio de Control podrá utilizar los servicios de su capa contigua, la de Datos. Dentro de cada uno de los servicios de la capa de Red, en las interfaces de comunicación, se definen las primitivas de comunicación entre las capas de Aplicación y de MAC. De la misma forma que sucede en la comunicación entre los servicios de la propia capa. Estas primitivas son las siguientes: ● Formación de Red. Las primitivas que aquí se engloban, definen como la capa superior de un dispositivo ZigBee puede inicializarse a si mismo como dispositivo coordinador de una nueva red. ● Admisión de Dispositivos. Grupo de primitivas que permiten tanto a un dispositivo coordinador como a un router la posibilidad de incorporar dispositivos a su red, mediante descubrimiento de los mismos. ● Conversión a Router. Estas primitivas son las que utiliza un dispositivo ZigBee tipo router, tras haber sido admitido en una nueva red, para ejercer como router en la misma, reconfigurando su trama para esto. ● Incorporación a una Red. Se trata de una serie de primitivas utilizadas para la incorporación de dispositivos a una red ZigBee. Dentro se clasifican en tres grupos. ■ ■ ■ Incorporación a una red por asociación. Cuando un dispositivo pretende entrar a formar parte de la red del vecino más cercano que ha encontrado. Incorporación a una red directamente. Reincorporación a una red. Esto sucede en el caso de que un Página 76 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco dispositivo se despierte y no sea capaz de encontrar su red. ● Incorporación directa de Dispositivos. Se trata de una serie de primitivas que permiten tanto a los routers como coordinadores de una red ZigBee la incorporación directa de un dispositivo a su red, sin necesidad de que este dispositivo lo solicite. ● Abandonar una Red. Grupo de primitivas utilizadas por los dispositivos para abandonar la red a la que pertenecen. También pueden ser utilizadas por otros dispositivos vecinos para informar al coordinador o router de que algún dispositivo pretende abandonar la red. Así mismo estas primitivas las utilizan los coordinadores para notificar al dispositivo en cuestión, que ha abandonado correctamente la red. ● Reseteo de Dispositivos. Primitivas utilizadas para que los dispositivos puedan resetear su capa de red. ● Sincronización. Juego de primitivas que los dispositivos utilizan para sincronizar su comunicación con los dispositivos coordinadores o routers. ● Mantenimiento de la capa de Red. Este último grupo de primitivas es utilizada por la capa superior de los dispositivos para leer y escribir en la base de información de la capa de red. 10.3 Funcionalidades Todos los dispositivos ZigBee disponen de dos funcionalidades: ● ● Incorporación a una Red. Abandonar una red. Además de estas funcionalidades, los dispositivos Coordinadores y Routers disponen de una serie de funcionalidades adicionales: ● ● ● ● Permitir a otros dispositivos incorporarse a la red. De dos formas distintas: ■ Por indicaciones de la sub-capa de MAC. ■ Por solicitud de incorporación desde la capa de Aplicación. Permitir a los dispositivos miembros de la red abandonarla. De la misma forma que sucedía en el caso anterior, dispone de dos posibilidades: ■ Por indicaciones de la sub-capa de MAC. ■ Por solicitud de incorporación desde la capa de Aplicación. Asignación de direcciones de red lógicas. Mantenimiento de una tabla o lista de dispositivos cercanos o Página 77 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco vecinos. Por último, los dispositivos Coordinadores, disponen de una funcionalidad particular. Esta es la que les permite crear o establecer nuevas redes de datos entre dispositivos. 10.3.1 Creación de una nueva red Este procedimiento sólo puede ser iniciado por dispositivos Coordinadores, que no se encuentren ya dentro de una red ZigBee. Es decir, un coordinador, sólo puede aparecer en una red. Pero en el caso de que cualquier otro tipo de dispositivo o de que un Coordinador asociado ya a una red, iniciase este procedimiento sería denegado por la capa de Red. Una vez iniciado el procedimiento, desde el interfaz de control de Red, se comunica con la subcapa de MAC para comprobar si existen posibles interferencias (otros coordinadores haciendo la misma operación por ejemplo). Esta comprobación se hace utilizando varios canales, hasta que se encuentra uno disponible, el cuál es reservado para la nueva red. En caso de que no se encuentre ningún canal disponible, se notificará a la capa superior y se abandonará el proceso de establecimiento de la red. Una vez encontrado un canal disponible, este es ocupado y se le asigna un nombre a la subred a partir del ID del PAN. El cuál obviamente no puede ser el de broadcast. Este parámetro es elegido aleatoriamente y siempre dejando 16bits disponibles, reservados para futuras ampliaciones de la red. Al finalizar esta secuencia, el nuevo ID es comunicado a la subcapa inferior (MAC). Entonces, y sino aparecen conflictos con el ID del PAN, se escoge y establece la nueva dirección de red. Hecho esto, se notifica que el proceso ha finalizado correctamente y se inicializan los parámetros del coordinador en base a los parámetros de identificación obtenidos. Página 78 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 10.2 Creación de una nueva red A continuación se muestra todo este proceso, en un diagrama de comunicación, en el que se puede apreciar además las primitivas utilizadas en todo el proceso. 10.3.2 Incorporación de nuevos dispositivos a la red Este procedimiento sólo puede ser iniciado por dispositivos ZigBee que sean Coordinador o Router. En caso de que otro dispositivo iniciase este proceso, sería cancelado por el Servicio de Control de la capa de Red. Entonces se habilita el parámetro PermitDuration y la sub-capa de MAC se configura para permitir la asociación con nuevas direcciones MAC. Desde este momento, el dispositivo está esperando que nuevos dispositivos acepten su oferta para formar parte de la red. Este proceso no tiene una duración determinada, sólo finalizará en el caso de que aparezca otra orden o primitiva que la anule. A continuación se muestra todo este proceso, en un diagrama de Página 79 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco comunicación, en el que se puede apreciar además las primitivas utilizadas en todo el proceso. Figura 10.3 Incorporación de Nuevos Dispositivos a la Red 10.3.3 Incorporación a una red En este momento aparece la diferenciación entre padre e hijo. Llamaremos padre al dispositivo que permite que otros dispositivos se conecten a su red, es decir, se tratará de un dispositivo Coordinador o en su defecto un Router. Mientras que el hijo pasará a ser el nuevo dispositivo que pretende formar parte de la red. La incorporación a una nueva red, puede hacerse de dos formas distintas. ● ● Por asociación. Directamente. También hay que tener en cuenta que un dispositivo puede reincorporarse a una red. Bien por haber estado dormido durante un largo periodo de tiempo o bien porque ha perdido su red y busca una nueva. 10.3.3.1 Incorporación a una red por asociación Para la incorporación de un dispositivo a una red por asociación, aparecen dos procesos distintos, pero paralelos. Estos son los procesos correspondientes al padre y al hijo. 10.3.3.1.1 Procedimiento del hijo El procedimiento empieza cuando el dispositivo escanea Página 80 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco desde la sub-capa de MAC los canales disponibles. Es decir, en este caso el dispositivo estará buscando canales en los que haya algún tipo de tráfico. Este proceso de escaneo por canales tendrá una duración determinada por canal, al contrario que sucedía en el caso anterior. Una vez escogido el canal, se procesan las tramas encontradas en el mismo, en busca de alguna cuya longitud sea distinta de cero. Entonces el dispositivo comprueba si la comunicación efectivamente es entre dispositivos de tecnología ZigBee. De ser así localiza el identificador de la red. A continuación, toda esta información es procesada por el dispositivo, el número de redes que ha encontrado, dispositivos cercanos, etc. Buscando, en cuál de todas las redes localizadas se le permite la incorporación. Pasando a trabajar con el identificador de dicha red. En este momento, el dispositivo, también puede decidir desechar las redes encontradas y volver a analizar los canales de comunicación en busca de otras que cumplan sus necesidades. Si el dispositivo es un Router, deberá indicarlo en su siguiente comunicación, en la que intentará finalmente incorporarse a la red. Acto seguido, el dispositivo hace una lista individual de los dispositivos cercanos a él (vecinos). Para comprobar la distancia a la que se encuentra del padre. Si este es muy distante, podría acceder a través de la asociación con otros dispositivos, sólo si el coste de esta asociación no supera una distancia de tres dispositivos asociados. En caso de que esta condición no se cumpla, el proceso se anulará nuevamente. En caso de encontrar un vecino, que cumpla las condiciones, la capa de MAC se habilita de forma que solicite una dirección de red. Este proceso puede fallar, por diversas causas, como que el dispositivo elegido desaparezca de la red. Si esto ocurriese el proceso sería anulado y se volvería a empezar. Si el proceso se completa satisfactoriamente, es decir, el dispositivo es aceptado en la red. Le es asignada una dirección de red de 16bits única en toda la red. Además Página 81 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco se actualiza la tabla de dispositivos de su vecino, para que sepa que ese dispositivo ya forma parte de la red y que accederá a la misma a través de él. Figura 10.4 Incorporación a una Red por Asociación (Hijo) 10.3.3.1.2 Procedimiento del padre Este procedimiento es iniciado por la llegada de una solicitud de incorporación a la subcapa de MAC del dispositivo. Los dispositivos que pueden aceptar estos mensajes y permitir la incorporación a la red son sólo los Coordinadores y Routers. En caso de que otro dispositivo intente aceptar estos mensajes al capa de red los eliminará. A continuación, el dispositivo comprueba por qué un dispositivo que ya es de su red, solicita su incorporación. Página 82 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Tras esto comprueba que lo que pretende el dispositivo es informar del descubrimiento de un nuevo dispositivo en la red cercano a si mismo. Entonces se asigna a este nuevo dispositivo su dirección lógica y única de red. Aunque también puede darse el caso de que el dispositivo padre no disponga de espacio de memoria física para recordar a este nuevo dispositivo. Caso en el que la incorporación no podrá ser llevada a cabo y por lo tanto el proceso será anulado. Figura 10.5 Incorporación a una Red por Asociación (Padre) 10.3.3.2 Incorporación a una red directamente En este caso el proceso de incorporación a una red es mucho más sencillo. Ya que la comunicación es directa entre padre e hijo, sin utilizar intermediarios. El hijo, una vez encontrada una red en la que un dispositivo Controlador o Router se encuentra próximo. Se le envía la petición de unión a la red. Si el dispositivo padre dispone de memoria física suficiente para almacenar la nueva dirección de este dispositivo. Genera una nueva dirección lógica de red, se la envía al nuevo dispositivo hijo y la almacena en su tabla en encaminamiento. 11 Especificación de los Servicios de Seguridad 11.1 Arquitectura de Seguridad 11.1.1 Claves de Seguridad La seguridad en una red de dispositivos ZigBee se basa en claves Página 83 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco de enlace y de red. En una comunicación por unicast entre pares de entidades APL la seguridad se basa en claves de 128bits entre los dos dispositivos. Por otro lado, la comunicación existente cuando es por broadcast, también las claves para la seguridad se establecen de 128bits entre todos los dispositivos de la red. Un dispositivo adquiere la clave de enlace mediante el transporte de clave, establecimiento de clave o dada en la preinstalación desde el fabricante. Por otro lado,para el establecimiento de la clave de red hay dos maneras: el transporte de clave y la preinstalación. Como se ha mostrado en apartados anteriores el establecimiento de clave se obteniendo previamente una clave de enlace basándose en una clave maestra. Esta clave maestra puede ser obtenida por el transporte de dicha clave o en fábrica. La clave de red tiene que ser usada por las capas MAC, NWK y APL de ZigBee. Las claves maestras y las de enlace solo pueden ser usadas en la subcapa APS, de hecho, las claves maestras y de enlace deben estar disponibles solo en la capa APL. 11.1.2 Arquitectura de Seguridad Las aplicaciones ZigBee se comunican usando el estándar de wireless IEEE 802.15.4 que especifica que hay dos capas, la capa física (PHY) y la capa de control de acceso al medio (MAC). ZigBee construye en estas capas una capa de red (NWK) y otra de aplicación (APL). La capa de MAC proporciona servicios de que permiten la fiabilidad y la comunicación directa entre dispositivos. La capa de red (NWK) proporciona enrutado y funciones de multihop que se puedan necesitar para crear cada una de las topologías que se necesiten como la de estrella, malla, árbol, etc. La capa APL incluye la subcapa de soporte de aplicación (APS), los ZDO y las aplicaciones. El ZDO es responsable de toda la gestión de dispositivos mientras que la capa APS proporciona el servicio necesario para los ZDO y las aplicaciones ZigBee. 11.2 Seguridad MAC Cuando una trama en la capa MAC tiene que ser asegurada, ZigBee tiene que usar la capa de seguridad que se indica en la especificación 802.15.4. La capa MAC se encarga de su propio proceso de seguridad aunque sean las capas superiores las encargadas de determinar el nivel de seguridad a usar. La siguiente figura muestra un ejemplo de los campos de seguridad que tienen que ser incluidos en las tramas en las que se indica que tiene que existir seguridad a nivel de MAC. Página 84 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 11.1 Seguridad en MAC 11.3 Seguridad NWK (Red) Cuando una trama en la capa de red necesita ser asegurada, ZigBee debe usar ciertos mecanismos de protección de los datos. Al igual que la capa MAC, el mecanismo de protección de trama en la capa de red NWK usa de la encriptación Advanced Encription Standard, es decir, AES. Sin embargo son las capas superiores las que deben indicar el nivel de seguridad que se tiene que aplicar. Una responsabilidad de la capa de red (NWK) es enrutar los mensajes sobre enlace multi-hop. La capa de red tiene que enviar como broadcast sus peticiones de enrutado y recibir las respuestas. Se realiza de manera simultánea el enrutamiento de los mensajes de peticiones que se envían a los dispositivos cercanos y los que se reciben de ellos. Si la clave de enlace apropiada se indica, la capa de red usa esta clave de enlace para asegurar sus tramas de red. Si por el contrario no se indica, para poder asegurar los mensajes de la capa de red usa su propia clave de red para asegurar las tramas de red. Por tanto en el formato de la trama se indica de manera explícita la clave que se ha usado para protegerla. La siguiente figura muestra los campos que se deben incluir en una trama de red. Figura 11.2 Seguridad en NWK 11.4 Seguridad en APL Cuando una trama en la capa APL necesita ser asegurada, la subcapa APS Página 85 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco es la encargada de gestionar dicha seguridad. La capa APS permite que la seguridad de trama se base en las claves de enlace y de red (Link y Network Keys) como se ha visto en apartados anteriores. La siguiente figura muestra los campos para proporcionar seguridad en una trama del nivel APL. Figura 11.3 Seguridad en APL 11.4.1 Establecimiento de Clave Los servicios de establecimiento de clave en la subcapa APS proporcionan el mecanismo por el cual un dispositivo ZigBee puede obtener una clave secreta compartida (la clave de enlace) con otro dispositivo ZigBee. En establecimiento de clave existen dos elementos: el que inicia la comunicación y el que responde, que normalmente es el que le dará la validación. La información de validación, es decir, la clave maestra da paso a que el elemento iniciador pueda establecer una clave de enlace. En el establecimiento del protocolo de clave simétrica SymmetricKey Key Establishment (SKKE), el dispositivo iniciador establece una clave de enlace con el receptor usando la clave maestra. Esta clave maestra, puede venir dada de fábrica o que se implemente desde el centro de validación, que puede ser un tercer elemento o bien puede venir dada como datos introducidos por usuario. 11.4.2 Transporte de Clave El servicio de transporte de clave proporciona tanto la posibilidad de transportar la clave de manera segura y no segura de un dispositivo a otros. La instrucción o comando de transportar clave segura significa transportar las claves maestras, de enlace, de red desde el centro de validación a los dispositivos. Este comando no protege con criptografía la clave que tiene que ser cargada. 11.4.3 Actualización de Dispositivos Página 86 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco El servicio de actualización de dispositivos proporciona una forma segura para que un dispositivo, como un router, informe a otro dispositivo, como el centro de validación, que existe un tercer dispositivo que ha cambiado su estado y que por tanto hay que actualizarlo, como pudiera ser la inclusión o eliminación de un dispositivo en la red. De esta manera el centro de validación mantiene una lista precisa de los dispositivos activos en la red. 11.4.4 Eliminación de Dispositivos El servicio de eliminación de dispositivos proporciona una forma segura por la cual un dispositivo como el centro de validación puede informar a otros, como son los routers de que uno de sus hijos tiene que ser eliminado de la red. De esta manera se puede eliminar un dispositivo de la red que no ha cumplido los requisitos de seguridad dados por el centro de validación que haya en la red. 11.4.5 Petición de Clave El servicio de petición de clave proporciona una manera segura para los dispositivos pedir la clave de red o bien la clave maestra a otro dispositivo como es el centro de validación. 11.5 Rol Del Centro de Validación Por temas de seguridad, ZigBee define el rol de Centro de Validación. Este elemento es un dispositivo validado por los dispositivos de la red para distribuir las claves para que gestione la configuración de aplicación de los dispositivos. Todos los miembros de la red deben reconocer solo a un centro de validación (Trust Center) y debe existir solo y solo un centro de validación por cada red segura. Las funciones dadas por el Centro de Validación pueden ser subdivididas en tres roles: el gestor de la validación, el gestor de la red y el gestor de la configuración. Un dispositivo se encarga de validar el gestor de validación para identificar los dispositivos que toman el rol en dicha red y el gestor de configuración. El gestor de red se encarga de gestionar la clave de red, tanto para tenerla como para distribuirla. El gestor de configuración se encarga del enlace (binding) de dos aplicaciones y facilitar la seguridad entre estos dos dispositivos que gestiona, como por ejemplo distribuyendo las claves maestras o de enlace. Página 87 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Para simplificar el manejo de estros tres roles, se incluyen dentro de un único dispositivo, el centro de validación. 12 Dispositivos Zigbee Desde que en 2005 apareciese la primera especificación beta del protocolo ZigBee. No han dejado de surgir distintos tipos de dispositivos capaces de utilizar dicha tecnología. En principio, para este tipo de dispositivos se consideró, que debido a su bajo coste de fabricación, el precio no sería muy superior a los tres euros por componente. Así como, que se fabricaron cuarenta mil dispositivos durante su primer año de vida y se espera que sean cuatrocientos mil los que vean la luz este mismo año. Lo segundo al parecer se cumplió sin mayores complicaciones. El problema fue que el primer objetivo (por llamarlo de alguna forma) no se cumplió del todo. Finalmente un dispositivo ZigBee tiene un coste alrededor de los cuarenta euros, como mínimo. De todas formas, se trata de una tecnología en la que muchas empresas han puesto sus expectativas de futuro y por lo tanto, han aparecido multitud de dispositivos. Fabricando componentes de bajo nivel, que llevan embebido procesadores y sistemas capaces de trabajar con este protocolo, como dispositivos comerciales, listos para utilizar el protocolo directamente desde cualquier ordenador, PDA o teléfono móvil. Como nota interesante, consideramos de gran relevancia un estudio acerca de dispositivos ZigBee, llevado a cabo por la empresa de análisis West Technology Research Solutions, en el que prevén que para el año 2008 habrían más de trescientos millones de dispositivos que integren la tecnología ZigBee, sólo en el campo de la Domótica. 12.1 Dispositivos de Bajo Nivel Actualmente hay varias empresas que entre sus componentes electrónicos ofrecen componentes Zigbee. De entre todas hemos escogido dos, las cuáles tienen ya varios dispositivos comercializados. También hay empresas que venden paquetes o conjuntos de desarrollo más especializados, pero estos son suministrados con su propio sistema de desarrollo, lo que provoca que no sean del todo compatibles con el resto de dispositivos ZibBee. La primera empresa desarrolladora de dispositivos ZigBee que hemos elegido, es una alianza entre dos, que son rfSolutions y FlexiPanel. Esta alianza a dado a la luz diversos dispositivos ZigBee, tanto de bajo como de alto nivel. Página 88 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco El dispositivo más bajo de que dispone la compañía recibe el nombre de EasyBee. Se trata de un transceptor RF que cumple la normativa IEEE 802.15.4. Preparado para trabajar dentro de una red ZigBee como un dispositivo final. Figura 12.1 Dispositivo EasyBee Se trata de un dispositivo de reducidas dimensiones, tan sólo 26mmx20mm, con un consumo de energía de 2.1V a 3.6V y con capacidad para estar operativo en condiciones climáticas adversas, pues puede trabajar con temperaturas entre -40ºC y 85ºC. Además puede comunicarse con otros dispositivos ZigBee que se encuentren hasta a doscientos metros de distancia, con una tasa de transferencia de datos de hasta 25kbps. Las aplicaciones para la que se ha orientado este dispositivo son: ● ● ● ● Reemplazar el cableado de cualquier red. Automatismos en viviendas. Redes y control industrial. Sensores para redes inalámbricas. A continuación, este conjunto de empresas ha desarrollado otro dispositivo más potente, denominado Pixie. Este dispositivo no es uno sólo, sino que se trata de una serie, hasta ahora compuesta por dos dispositivos. Orientados para ejercer el rol de Coordinador y Router, dentro de una red ZigBee. Dentro de la serie Pixie, han recibido el nombre de Pixie y Pixie Lite respectivamente. Página 89 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Figura 12.2 Dispositivos Pixie y Pixie Life Se trata de dispositivos con las mismas características técnicas que el dispositivo final EasyBee, pero con mayor capacidad de procesamiento, lo que les permite ejercer como dispositivos más potentes que estos, dentro de una red ZigBee. Además, como característica técnica muy interesante, todos estos dispositivos disponen de la posibilidad de ser conectados a una antena externa, lo que les otorgaría un alcance mucho mayor para formar una red ZigBee. Otro elemento interesante desarrollado por este compendio de empresas es un cable de conexión USB. Dicho así puede no parecer interesante, pero al contrario, puesto que se trata de un cable con el que se puede conectar un ordenador a los dispositivos ZigBee desarrollados por estas empresas. Una vez conectado, el cable se convierte en una conexión serie a través de USB, desde donde podremos configurar y manejar nuestros dispositivos ZigBee e incluso entrar en la red, en la que se encuentre el dispositivo al que nos encontremos conectados. Este elemento ha sido bautizado con el nombre de Pixie Configuration Tool. Figura 12.3 Pixie Configuration Tool Y por último, estas dos empresas han desarrollado su producto más interesante orientado a desarrolladores, que ha sido denominado Pixie Página 90 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Evaluation Kit. Con este producto cualquier desarrollador interesado en esta tecnología (protocolo) podrá probar físicamente sus diseños de dispositivos ZigBee. Así como trabajar directamente sobre los dispositivos ofertados por estas empresas, con los que es totalmente compatible. Esto permitirá el control total de los dispositivos, así como su programación directa y análisis de su funcionamiento. Figura 12.4 Pixie Evaluation Kit Otra empresa que tiene ya desarrollos de dispositivos de bajo nivel ZigBee operativos es Telegesis. Esta empresa, al contrario que sucedía anteriormente, dispone de dispositivos que implementan el protocolo ZigBee, pero que pueden ejercer de dispositivos finales para una red ZigBee, así como de Routers y Coordinadores, lo que se llama un todo en uno. Así como un kit de desarrollo bajado en sus dispositivos. En primer lugar aparece el denominado ETRX1. Se trata de un dispositivo de bajo coste y preparado para ser integrado en una red ZigBee. Algo mayor que los dispositivos anteriores 27.75x20.45mm, un consumo ligeramente superior 2.7V a 3.6V y mismas características físicas para trabajar a temperaturas de entre -40ºC y 85ºC. Pero aun siendo más grandes y consumir más, hay que tener en cuenta que se trata de un dispositivo que puede ejercer, tanto de dispositivo final, como de Coordinador. Página 91 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 12.5 ETRX1 Las aplicaciones para las que ha sido orientado este dispositivo son: ● ● ● ● ● ● Lectura automática de métricas (ARM Automatic Meter Reading). Alarmas Wireless y Seguridad. Automatismos de viviendas. Sensores de presencia inalámbricos. Control industrial. Periféricos de PC. A continuación de este dispositivo apareció el denominado ETRX2. Un modelo algo menos económico, pero más atractivo todavía. Pues a las características de los módulos anteriores, podemos añadirle el hecho de que disponga de 128k de memoria flash y otros 5kbytes de SRAM. Lo que le permite poder actuar como cualquier tipo de dispositivo dentro de una red ZigBee. Añadiendo además la posibilidad de tres tipos de antenas simultáneas conectadas al dispositivo, lo que haría que la conexión se pudiese dar a distancias muy superiores que las indicadas en el estándar del protocolo. Las aplicaciones para las que ha sido orientado este dispositivo son todos los del dispositivo anterior, más algunas otras más potentes: ● ● Controles industriales M2M. Sistemas ZigBee futuros. Página 92 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 12.6 ETRX2 Para programar ambos dispositivos se dispone de un interfaz en línea de comandos, que según define el fabricante es muy intuitivo y sencillo. Lo que hace que no sea necesaria mucha experiencia en módulos RF para su programación. Para finalizar, esta empresa también dispone, tal y como se indicó anteriormente, de un kit para desarrolladores que pretendan adentrarse en este nuevo protocolo. Este kit se bautizó con el nombre de ETRX1DVK Devkit, habiendo evolucionado a ETRX2DVK Devkit. Al igual que ocurría en el caso anterior, está orientado para trabajar sobre dispositivos de este fabricante, con la posibilidad de hacer modificaciones, ampliaciones y nuevos desarrollos. La mayor diferencia con el kit anterior, radica en que la interconexión para poder programar los dispositivos es a través de cable serie directamente, sin tener que utilizar un USB que finalmente trabajaba como serie. Lo que sí contiene este kit, son algunos dispositivos del modelo ETRX1 o ETRX2 para poder empezar a trabajar y testear desde el primer momento. Página 93 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 12.7 ETRX2DVR DevKit 12.2 Dispositivos de Alto Nivel Como dispositivos de alto nivel, comprenderemos los dispositivos ZigBee desarrollados, que son totalmente independientes y que no están compuestos sólo por los componentes electrónicos que soportan el estándar, sino que además ya disponen de interfaz que nos permite trabajar con ellos directamente sobre redes ZigBee. Este apartado se encuentra aun algo verde, dado que no hay muchos dispositivos finales para el consumidor disponibles que implementen este protocolo. Aunque algunos hay y bastante interesantes. En primer lugar veremos dos dispositivos de la empresa Telegesis, que por ahora parece ser una de las que más está apostando por el protocolo de cara al usuario final. Esta empresa ha desarrollado un dispositivo ZigBee que es totalmente operativo, dentro de un PenDrive o pastilla USB. Basado en la tecnología de su dispositivo de bajo nivel ETRX1 y posteriormente ETRX2, recibe el nombre de ETRX1USB y ETRX2USB respectivamente. Y se trata de un dispositivo que trabaja en la banda de frecuencia de los 2.4GHz, con alcance de hasta 100m de distancia para encontrar otros dispositivos ZigBee, antena omnidireccional y capacidad de utilizar hasta 16 canales para las búsquedas de dispositivos. Página 94 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 12.8 ETRX1USB Tras este dispositivo, la empresa fabricó otro dispositivo ZigBee más interesante todavía que el que acabamos de ver. Se trata de un dispositivo con el nombre de ETRX1CF, evolucionado con el sistema ETRX2 a ETRX2CF y que como de su nombre se puede extraer, se trata de un dispositivo en formato de tarjeta Compact Flash. Lo que le permite ser utilizado desde un ordenador, utilizando el mismo sistema que las tarjetas PCMCIA. De la misma forma que lo podríamos utilizar desde una agenda electrónica o PDA. Por lo demás tiene las mismas características y especificaciones que su hermano USB. Figura 12.9 ETRX1CF en PDA Página 95 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Figura 12.10 ETRX2 en PC y PDA Además de estas dos empresas desarrolladoras de dispositivos ZigBee, hay muchísimas otras, dentro de las cuales nos gustaría también destacar a la Coreana Pantech&Curitel. Quien ha desarrollado ya el primer teléfono móvil que integra la tecnología ZigBee en sus entrañas. Este modelo no es más que un prototipo por el momento y se desconoce su fecha de comercialización, pero por el momento ha demostrado que puede ser integrado en cualquier tipo de dispositivo. 13 Sistema Operativo Una vez ensamblados los dispositivos que integran ZigBee, el fabricante añade el sistema operativo embebido que utilizarán para operar y que permitirán la comunicación de desarrolladores con estos, para su programación o adaptación al entorno de operación. Existen actualmente dos posibilidades de sistema operativo; uno basado en Hyperterminal y otro conocido como TinyOS. El sistema operativo de Hyperterminal es un entorno sencillo que permite la comunicación con los dispositivos a través de comandos AT. Utiliza el mismo sistema de comunicación que los antiguos módems, mediante un puerto serie RS232. Los comandos AT que utiliza son los estándares para realizar las operaciones más básicas (AT para comprobar si el dispositivo está operativo, ATZ para resetearlo, etc.), además se han implementado una serie de comandos AT especiales preparados para este tipo de dispositivos que nos permiten crear una red, expulsar dispositivos, buscar una red, enviar información de un dispositivo a otro o a todos los dispositivos, etc. También y dependiendo del fabricante, se han incluido comandos AT propietarios, como es el caso de los dispositivos desarrollados por Telegesis, que además proporciona un entorno de acceso propio, que contiene las opciones más comunes en botones que permiten que la comunicación y las operaciones se realicen en pocos clics de ratón. Página 96 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco La segunda opción ha sido bautizada como TinyOS, es un sistema operativo basado en Unix y de código libre bajo licencia open source, orientado a componentes para redes de sensores inalámbricas. Desarrollado por un consorcio o asociación encabezado por la Universidad de California, en cooperación con Itel Research. Suele ser utilizado en los dispositivos ZigBee OEM. De la misma forma que sucedía en el caso de Hyperteminal, para comunicarnos con los dispositivos ZigBee será necesario hacerlo a través de un puerto serie. En cuanto al desarrollo de aplicaciones, puede trabajarse con distintos leguajes de programación, aunque las aplicaciones suelen ser implementadas principalmente en una variante de C conocido como nesC (release 1.2.8 actualmente), orientado y optimizado para las limitaciones de memoria y comunicación de este tipo de redes; otros dos lenguajes también muy extendidos en este tipo de dispositivos son Java (Eclipse dispone de una librería de programación) y el código interpretado Bash. Desde TinyOS se proporciona interfaces, módulos y configuraciones específicas e interfaces estándar para entradas y salidas de hardware. Actualmente la versión estable del sistema es la TinyOS 2.0 y dispone de entorno de programación para Linux, Windows NT, Windows 2000 y Windows XP y la versión inestable que se encuentra en desarrollo actualmente es la 2.04 conocida como Boomerang. 14 Comparativa Bluetooth vs Zigbee Bluetooth y ZigBee tienen mucho en común. Los dos son dos tipos de redes de área personal wireless o WPANs. Los dos funcionan en la banda sin licencia de 2.4Ghz y los dos consumen poca energía. 14.1 Sensores de control Zigbee El protocolo ZigBee define un tipo de sensor para aplicaciones comerciales y de hogar como control de calefacción, aire acondicionado o control de alumbrado. Para ello se combina con IEEE 802.15.4 que define que la capa física y MAC, con las de red, seguridad y de software de aplicación se especifican por ZigBee Alliance, un consorcio de empresas tecnológicas. 14.2 Eliminación de Cables con Bluetooth Bluetooth, tal y como se conoce, elimina el cableado entre los productos electrónicos y los accesorios, como por ejemplo entre los ordenadores e impresoras o entre los teléfonos y los auriculares. Bluetooth está más orientado hacia la movilidad del usuario y eliminar el cableado a corta distancia. La meta de ZigBee es más para la automatización a gran escala y el control remoto. Página 97 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco Existen algunas diferencias técnicas entre los dos protocolos: Tecnica de Modulacion Tamaño de la pila de protocolo Bateria Velocidad Maxima Area de Red Tiempo de Incorporación Bluetooth Zigbee FHHS DSSS 250 KByte 28 KByte Frecuentes Recargas Hasta 2 años 1 MBits/s 250 KBits/s Hasta 100 m Mas de 70 m 3 segundos Tabla 14.1 Bluetooth vs. Zigbee 30 milisegundos Página 98 de 102 Universidad Tecnológica Nacional Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Facultad Regional San Francisco 15 Costo del prototipo A continuación detallaremos el costo de la balanza inalámbrica 15.1 Transmisor Inalámbrico CANTIDAD DESCRIPCION PRECIO UNITARIO PRECIO NETO 1 Antena Zigbee 48,9000 97,8000 35 Resistencias SMD 0,0450 1,6000 1 LCD 128 x 64 Winstar 79,7800 79,7800 1 Teclado Matricial 27,6800 27,6800 1 Gabinete de Mano 56,8000 56,8000 1 Microcontrolador JM60 56,0000 56,0000 25 Capacitores SMD 0,0650 1,62 1 DS1307 12,7400 12,7400 1 Max 232 3,0300 3,0300 2 Placas Doble Faz 14,8000 29,6000 2 Hojas Azules para PCB 11,0000 22 1 Varios (estaño, acido, luz, etc.) 50,0000 50,0000 TOTAL 438,6500 15.2 Receptor Inalámbrico CANTIDAD DESCRIPCION PRECIO UNITARIO PRECIO NETO 1 Antena Zigbee 48,9000 97,8000 35 Resistencias SMD 0,0450 1,6000 1 Gabinete de Mano 56,8000 56,8000 1 Microcontrolador JM60 56,0000 56,0000 25 Capacitores SMD 0,0650 1,62 1 Placa Pertinax 14,8000 14,8 1 Hojas Azules para PCB 11,0000 11 1 Varios (estaño, acido, luz, etc.) 50,0000 50,0000 TOTAL 289,6200 Página 99 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco 16 Conclusiones Como conclusión de todo el análisis realizado, se puede determinar que el proyecto es completamente viable con un excelente marco de inserción dentro del sector de la industria nacional. Este proyecto no finaliza con esta presentación, si no que va a sufrir mejoras constantes para insertarse en nuevos mercados y generar una mayor rentabilidad. Página 100 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Proyecto Final Facultad Regional San Francisco 17 Agradecimientos 17.1 Mugiel S.A.; por aportar componentes SMD y herramientas de desarrollo 17.2 Departamento de Electrónica de UTN Facultad Regional San Francisco; por facilitar el uso de placas de desarrollo. 17.3 Di Giulio, Pablo; por aportes de conocimientos adquiridos de software. 17.4 Ing. Felissia, Sergio; por aporte de celda de carga 17.5 Familiares y amigos Página 101 de 102 Departamento de Ingeniería en Electrónica Proyecto Final Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco 18 Bibliografía y Referencias 18.1 Bibliografía [1] MC9S08JM60 Data Sheet, Rev 2 (2008). Freescale Semiconductor. 18.2 Referencias en la WWW [2] ZigBee Alliance Web Site – http://www.zigbee.org [3] Freescale – http://www.freescale.com [4] Microchip – http://www.microchip.com [5] IEEE 802.15 Web Site – http://www.ieee802.org/15 [6] FlexiPanel Web Site – http://www.flexipanel.com [7] Domodesk Web Site – http://www.domodesk.com [8] Silicon Laboratories Web Site – http://www.silabs.com [9] STMicroelectronics – http://www.st.com/stonline/ [10] Palo Wireless Web Site – http://www.palowireless.com [11] TinyOS Web Site – http://www.tinyos.net [12] Proyecto Open Zigbee – http://www.atmlab.utfsm.cl/~ddelvalle/ [13] Electrocomponentes SA - http://www.electrocomponentes.com/ Página 102 de 102