DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Diseño y prototipo de un sistema electrónico de préstamo de bicicletas auto-servicio Proyecto de Grado Juan Sebastián Castellanos, David Monroy Asesor: Antonio García Rozo Co-asesor: Mauricio Guerrero Hurtado Junio de 2010 Resumen: Dentro del marco del Proyecto de Grado de Ingeniería Electrónica, el presente documento describe el diseño e implementación de un prototipo del “Sistema Electrónico de Préstamo de Bicicletas auto-servicio”. El proyecto busca desarrollar un sistema electrónico de préstamo de bicicletas que pueda usarse en conjunto con el sector privado para incentivar el uso de la bicicleta como medio de transporte alternativo. Asimismo busca contribuir a la solución de los problemas de movilidad que se registran actualmente en la ciudad de Bogotá por diversos factores externos. Por este motivo, se utiliza un enfoque innovador que ataca el problema desde las necesidades locales sin buscar adaptar sistemas ya existentes en otros países que puedan no satisfacer todas las necesidades de la población local con un sistema funcional, escalable y ampliable mediante su conexión en red. El proyecto comprende la definición de operación del sistema, su diseño electrónico top-down, la evaluación y selección de tecnologías, la implementación de un prototipo y las pruebas operacionales y funcionales del mismo.
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA FACULTAD DE INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Diseño y prototipo de un sistema electrónico de préstamo de bicicletas
auto-servicio Proyecto de Grado
Juan Sebastián Castellanos, David Monroy
Asesor: Antonio García Rozo Co-asesor: Mauricio Guerrero Hurtado
Junio de 2010
Resumen: Dentro del marco del Proyecto de Grado de Ingeniería Electrónica, el presente documento describe el diseño e implementación de un prototipo del “Sistema Electrónico de Préstamo de Bicicletas auto-servicio”. El proyecto busca desarrollar un sistema electrónico de préstamo de bicicletas que pueda usarse en conjunto con el sector privado para incentivar el uso de la bicicleta como medio de transporte alternativo. Asimismo busca contribuir a la solución de los problemas de movilidad que se registran actualmente en la ciudad de Bogotá por diversos factores externos. Por este motivo, se utiliza un enfoque innovador que ataca el problema desde las necesidades locales sin buscar adaptar sistemas ya existentes en otros países que puedan no satisfacer todas las necesidades de la población local con un sistema funcional, escalable y ampliable mediante su conexión en red. El proyecto comprende la definición de operación del sistema, su diseño electrónico top-down, la evaluación y selección de tecnologías, la implementación de un prototipo y las pruebas operacionales y funcionales del mismo.
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Contenidos
I. Introducción....................................................................................................................................... 4
II. Antecedentes ..................................................................................................................................... 5
A. Vélib’ (Paris, France) ....................................................................................................................... 5
B. Funcionalidad posible ..................................................................................................................... 6
III. Descripción del Clilente y Especificaciones Definidas ...................................................................... 8
IV. Principios de Funcionamiento ........................................................................................................ 9
V. Diseño del Sistema ............................................................................................................................. 9
A. Componentes del sistema .............................................................................................................. 9
B. Funcionamiento del sistema ......................................................................................................... 10
C. Arquitectura de Sistema Seleccionada .......................................................................................... 13
VI. Implementación ........................................................................................................................... 14
A. Ambiente de desarrollo ................................................................................................................ 14
B. Fases de la implementación ......................................................................................................... 15
C. Descripción de Algoritmos Implementados................................................................................... 16
B. Simulaciones y Pruebas ................................................................................................................ 34
VII. Análisis de Robustez ..................................................................................................................... 35
A. Comunicación GPRS ..................................................................................................................... 35
3
B. Bloques y presencia de bicicletas .................................................................................................. 36
C. Cortes eléctricos y otros fallos en el servidor ................................................................................ 37
D. Fallos en estaciones Kiosco y Parqueaderos .................................................................................. 37
VIII. Conclusiones y Perspectivas ......................................................................................................... 38
IX. Bibliografía ................................................................................................................................... 39
La Figura 17: Diagrama de bloques Kiosco y Figura 18: Esquemático Kiosco presentan el detalle del
Kiosco.
Los PCBs, que se muestran en la Figura 19: PCB Parqueadero y Figura 20: PCB Kiosco, se implementaron
en doble capa y fueron fabricados por el Laboratorio de Fabricación de Circuitos Impresos (LFCI) de la
Universidad de Los Andes. Después de realizado el montaje de componentes se obtuvo el prototipo
implementado mostrado en la Figura 21: Lector RFID, Parqueadero y Kiosco, Figura 22: Kiosco y Figura 23:
Parqueadero.
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Figura 18: Esquemático Kiosco
Alimentación
0. 1.
2.
4.
6.
5.
3.
uControlador ATMEGA16
0. Circuito polarización
5. Conector 1 I2C hacia
parqueadero
4. Conector pines GPRS
(debug)
3. Módem GPRS
sim340z
1. Dip-switch dirección Kiosco
2. Dip-switch máx parqueaderos
6. Conector 2 I2C hacia
parqueadero
Figura 17: Diagrama de bloques Kiosco
32
Figura 19: PCB Parqueadero
Figura 20: PCB Kiosco
33
Figura 21: Lector RFID, Parqueadero y Kiosco
Figura 22: Kiosco
Figura 23: Parqueadero
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B. Simulaciones y Pruebas
Los tres módulos: Kiosco, Parqueadero y Servidor fueron probados a lo largo de la implementación. Por
una parte se realizaron pruebas del código a medida que se implementaba en el compilador. Esto,
aunque no permite una verificación del funcionamiento exacto del código en el microcontrolador,
permite asegurar que el tratamiento y conversión de datos sea el correcto. Posteriormente se realizaron
pruebas del código ejecutado en el microcontrolador, por bloques y del sistema completo.
Con respecto al Servidor, inicialmente se simularon los Kioscos con conexiones TCP/IP Winsock desde
HyperTerminal. Esta simulación es muy adecuada debido a que el estándar es el mismo y no importa que
dispositivo envíe la información. Con esto fue posible simular hasta 30 Kioscos funcionando
simultáneamente en un Servidor.
Finalmente, debido a que solo se contaba con un parqueadero en circuito impreso y uno en protoboard,
se simularon varios de ellos con memorias EEPROM I2C 24C02. Debido a que el Parqueadero está
implementado como un dispositivo I2C esclavo es posible simular varios Parqueaderos con dichas
memorias, que se comportan igual ante el Kiosco.
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VII. ANÁLISIS DE ROBUSTEZ
Uno de los requerimientos principales de la implementación es la robustez del funcionamiento del
sistema completo. Aunque el sistema está concebido para tener un administrador que interactúa con los
usuarios en operaciones puntuales (adición y eliminación de usuarios, gestión de sanciones, etc.) y
responde a algunos problemas operativos, es fundamental que el sistema tenga un mínimo nivel de
confiabilidad y manejo autónomo de fallos. La Tabla 7: Principales fallos contemplados y manejo de los
mismos presenta un resumen.
A. Comunicación GPRS
El primer fallo contemplado, debido a que su impacto es alto y su probabilidad de ocurrencia es alta, es
pérdida de paquetes de información en la comunicación GPRS (kiosco-servidor). Para solucionar este
posible fallo en caso de ocurrencia se incorporó información redundante y respuestas de confirmación en
los protocolos de comunicación kiosco-servidor-kiosco para garantizar la validez de la información
transmitida, procesada y almacenada.
El segundo fallo contemplado, con impacto alto y probabilidad de ocurrencia media, es la no
comunicación entre kiosco y servidor. El principal inconveniente en este caso, debido a que la
información y decisiones se encuentran centralizadas en el servidor, es que el kiosco queda inhabilitado
para realizar la mayoría de operaciones.
Para este error en la comunicación GPRS se consideró imprescindible la posibilidad de realizar la
devolución de bicicletas; desde el punto de vista del usuario resultaría inaceptable no poder devolver la
bicicleta debido a los inconvenientes que le causaría. Por esto siempre que esté en funcionamiento el
parqueadero sin bicicleta es posible devolverla, y en caso de fallo en comunicación con el servidor se
almacena esta información hasta que sea posible la misma. Otra de las características del programa del
kiosco es que cada vez que se cae la comunicación GPRS se reinicia la secuencia de reconexión
automáticamente.
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Adicionalmente para el fallo en la comunicación GPRS se utilizó un temporizador watchdog en el kiosco
para evitar que no se terminen transacciones y se bloquee la estación en caso de no obtener una
respuesta del servidor.
El último fallo contemplado para la comunicación GPRS, también con alto impacto y probabilidad de
ocurrencia media, es el cambio en la dirección IP del servidor. Este fallo haría que ninguno de los kioscos
se pueda comunicar con el servidor y necesitaría una reprogramación de los mismos. Para evitar esta
situación se utiliza un servidor DNS, con el que no se configura directamente una dirección IP en los
kioscos sino una dirección DNS que está asociada dinámicamente a la dirección IP del servidor.
Fallo Prob. de
ocurrencia Impacto Relevancia
(P*Impacto) Detección y soluciones
Pérdida de datos vía GPRS 5 5 25 Paquetes con información redundante, respuesta de confirmación
Comunicación GPRS caída 3 5 15 Watchdog en kiosco, almacenamiento de datos de recepción
Cambio IP servidor 3 5 15 Uso de servidor DNS
Señal de bloqueo activa, sin presencia de bicicleta
3 4 12 Verificación continua, notificación en caso de error al servidor
Falla alimentación estación 3 4 12 UPS, consulta de estado de bicicletas al servidor al re-alimentar
Falla alimentación servidor 3 4 12 UPS, reinicio automático de servidor y software
Daño servidor 2 5 10 Verificación por parte del administrador. Intervención: reemplazo
Pérdida datos en servidor 2 5 10 Intervención: carga de información de backup (Backup diario)
Bloqueo software servidor 2 5 10 Verificación por parte del administrador. Intervención: reinicio
Daño sistema de bloqueo bicicleta
2 4 8 Verificación en caso de bloqueo y no bicicleta (notificación del servidor). Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.
Daño sensor de bicicleta 2 4 8 Verificación en caso de bloqueo y no bicicleta (notificación del servidor). Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.
Daño parqueadero 1 5 5 Watchdog en kiosco, notificación al servidor. Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.
Daño módem GPRS 1 5 5 Recepción periódica (30 mins) de información de verificación de kiosco. Si no comunicación en 2 horas, alerta en servidor para verificación. Intervención: reemplazo en caso de daño.
Comunicación I2C caída/bloqueada
1 4 4 Watchdog en kiosco, notificación al servidor. Intervención: verificación y reemplazo en caso de daño.
Daño kiosco 1 4 4 Recepción periódica (30 mins) de información de verificación de kiosco. Si no comunicación en 2 horas, alerta en servidor para verificación. Intervención: reemplazo en caso de daño.
Daño lector RFID 1 4 4 Notificación de usuarios. Intervención: reemplazo en caso de fallo.
Tabla 7: Principales fallos contemplados y manejo de los mismos
B. Bloques y presencia de bicicletas
En la operación normal una de las principales vulnerabilidades del sistema son las bicicletas. Son el
componente del sistema que mayor utilidad tiene para cualquier persona, por lo que pueden ser víctimas
de intento de robos. Con respecto a los usuarios finales se tiene un registro de los mismos e información
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de uso incluyendo penalizaciones, por lo que esto ya está contemplado. Un componente primario de la
seguridad de las bicicletas es el bloqueo mecánico, que como mencionamos en un principio está fuera del
alcance del proyecto. Sin embargo contemplamos un caso de fallo que puede estar relacionado con un
mal funcionamiento del sistema de bloqueo o del sensor de reconocimiento de la bicicleta.
Continuamente se vigila en cada parqueadero la siguiente situación: bicicleta bloqueada sin bicicleta.
Cuando se produce esta situación se envía una notificación al servidor, que en función de la información
almacenada se re-habilita el parqueadero o se realiza una verificación del parqueadero.
C. Cortes eléctricos y otros fallos en el servidor
Otra de las fallas probables en el sistema, pero con un impacto menor, es una falla de alimentación. En
el servidor bloquearía las transacciones en todos los kioscos mientras no esté alimentado, mientras en las
estaciones sucedería lo mismo localmente.
En ambos casos una UPS es una buena alternativa para limitar el impacto. Sin embargo, si la misma no
es suficiente para la totalidad del corte de electricidad, cada parqueadero verifica con el servidor el
estado de la bicicleta (en caso de haber) antes del corte. El servidor se puede programar para que se
reinicie automáticamente después de una falla eléctrica. Lo mismo aplica para el software del mismo.
El servidor puede presentar otras fallas, como bloqueo del programa o daño físico del mismo. Para
estos casos es necesaria la intervención reemplazándolo o reiniciando el software.
Por otra parte puede haber pérdida de datos, por lo que está programado para realizar una copia de
seguridad diaria. En caso de fallo sería necesario que el administrador restaure la copia disponible.
D. Fallos en estaciones Kiosco y Parqueaderos
Cada estación, con su kiosco y parqueaderos, tiene varios componentes que podrían fallar. Estos
pueden estar relacionados con el parqueadero (fallo en el lector RFID, fallo en comunicación I2C, fallo en
sistema de bloqueo de bicicleta, fallo en sensor de bicicleta) o en el kiosco (fallo en módem GPRS, fallo en
comunicación I2C). Algunos de estos errores son detectables con lo mencionado anteriormente (modo
error con bloqueo sin bicicleta, por ejemplo), pero otros no.
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El fallo en parqueadero es detectable cuando el kiosco no recibe una respuesta del primero. En este
caso también se envía un reporte de error al servidor.
Por otra parte, los fallos en el kiosco se manifiestan con una no comunicación con el servidor. Para
verificar que la comunicación continúe activa, ésta se verifica desde el servidor, y si no se logra después
de dos horas, se genera una notificación en el servidor.
Finalmente una fuente redundante y muy importante de detección de errores son los usuarios, pues se
pueden comunicar con el administrador para notificarle sus problemas.
VIII. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
El resultado principal del proyecto “Diseño de un sistema electrónico de préstamo de bicicletas auto-
servicio”, además de los diseños, códigos y planos eléctricos basados en la metodología top-down, es un
prototipo electrónico funcional con un nivel aceptable de robustez. Asimismo se desarrolló el software
del servidor hasta un nivel operacional.
Para realizar una implementación completa del sistema es necesario desarrollar algunos componentes
adicionales. Desde el inicio se excluyó del perímetro del proyecto el módulo mecánico de bloqueo y
desbloqueo de la bicicleta, por lo que éste es el punto crítico que no permite una implementación
completa del sistema. Por otra parte, aunque el software de servidor en VB6 funciona adecuadamente, es
un programa básico que no guarda los datos en una base de datos estándar de modo que pueda ser
accedida y modificada por otros programas o clientes remotos.
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IX. BIBLIOGRAFÍA
Philips Semiconductors. THE I 2C-BUS SPECIFICATION. Philips Web site. [Online] [Cited: Feb 20, 2010.]
7) Documentación lector RFID Mikroelektronika RFID Reader
8) Documentación I2C
9) Documentación módem GPRS Sim340z
B. Evaluación y Selección de Tecnologías
1) Identificación
Solución Ventajas Desventajas Requerimientos
ID y Clave Bajo Costo El usuario no necesita llevar ningún dispositivo extra Fácil de usar, sistema conocido por los usuarios Fácil de cambiar
Depende del usuario mantenerlo en secreto Costo de soporte alto Susceptible a espías y crackers El usuario no sabe si ha sido robado El usuario siempre tiene que tener el código de barras consigo mismo Pueden ser robados
Lector de código de barras Impresora Generador de códigos
Código de Barras Tecnología estandarizada, bajo costo Los usuarios no tienen que acordarse de claves complejas El usuario sabe si ha sido robado
Costos más elevados El usuario siempre tiene que tener el token consigo mismo Pueden ser robados
Token de seguridad (ejemplo : tarjetas, tokens USB, chips RFID)
Más seguros que el ID y clave Los usuarios no tienen que acordarse de claves complejas Presentan una ventaja en cuanto a imagen de la empresa
Costos más elevados de software costos más elevados de mantenimiento Costos más elevados de despliegue
Lector del token (dependiente de la tecnología) El token
Biometría Muy alto nivel de seguridad Diferentes opciones (huella digital, iris, retina) Difícilmente la seguridad puede ser comprometida (i.e. no se pierde fácilmente)
Display básico Teclado
Lector biométrico Unidad de lectura de características biométricas
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Criterio Peso ID y clave (teclado y
pantalla)
Código de Barras RFID SmartCard
Costo 14% 9 7 6 6
Tamaño y peso 10% 7 7 6 6
Alcance comunicación 0%
Consumo potencia 8% 8 7 7 7
Costos operación 6% 8 6 6 6
Nivel estandarización 8% 8 6 5 5
Velocidad de
transmisión
0%
Complejidad de
implementación
10% 8 7 7 7
Nivel de seguridad 12% 5 4 8 8
Capacidad de
procesamiento
0%
Confiabilidad 12% 8 7 7 7
Funcionalidad final 20% 3 3 10 4
Memoria 0%
6.68 5.7 7.26 6.06
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2) Comunicación servidor-kiosco
Nombre Ventajas Desventajas
BLUETOOTH Popular -> costos de implementación bajos
Costos de explotación nulos
Vulnerable a interceptaciones
Distancia máxima 100m
Tasa de transmisión baja
WIFI Popular -> costos de implementación bajos
Puede utilizar las capacidades ya instaladas en la empresa
Alta tasa de transmisión de datos
Vulnerable a interceptaciones
Distancia máxima 100m
ZIGBEE Bajo consumo
Interconexión de red en malla (hasta 65k nodos)
Se pueden implementar nodos fácilmente y con pocos componentes
Muy baja velocidad de transmisión de datos (250kbps)
No es tecnología estándar entonces los costos de implementación pueden llegar a ser más altos
GPRS Disponible en cualquier lugar (en áreas urbanas).
Velocidad suficiente de transmisión.
Sin límite de distancia.
Presenta costos variables de funcionamiento.
Complejidad de la implementación (mayores costos)
44
Criterio Peso Bluetooth Wi-fi Zigbee GPRS
Costo 8% 6 5 5 5
Tamaño y peso 5% 4 4 4 4
Alcance comunicación 15% 2 3 2 9
Consumo potencia 5% 5 4 7 6
Costos operación 10% 8 8 8 3
Nivel estandarización 9% 7 7 6 6
Velocidad de transmisión
9% 5 7 5 5
Complejidad de implementación
9% 3 3 6 6
Nivel de seguridad 15% 6 6 6 8
Capacidad de procesamiento
0%
Confiabilidad 15% 4 4 6 8
4.88 4.98 5.29 6.48
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3) Comunicación Kiosco-Parqueaderos
Estándar Características Ventajas Desventajas
I2C Alámbrico
Hasta 112 nodos
Vel transmisión entre 10 kbit/s y 3.4 Mbit/s
Bajo costo de implementación
Sencillez de implementación
Necesidad de cableado
Ethernet Alámbrico
Nodos virtualmente ilimitados
Vel transmisión entre 10 y 100 Mbit/s
Número de nodos
Robustez
Costo de implementación
Necesidad de cableado
Complejidad de hardware y software
ZigBee Inalámbrico
Vel transmisión 250 kbit/s
Alcance de 10 a 75 m
No requiere cables
Hardware relativamente simple
Costo de implementación relativamente bajo
Velocidad de transmisión
Corto alcance
Wi-Fi Inalámbrico
Vel transmisión entre 1 y 150 Mbit/s
Alcance hasta 100 m
Velocidad de transmisión
Alcance medio
Complejidad de hardware y software
Costo de implementación alto
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Criterio Peso I2C Ethernet ZigBee Wi-Fi
Costo 15% 9 5 2 2
Tamaño y peso 11% 4 4 7 6
Alcance comunicación 8% 7 7 9 9
Consumo potencia 6% 9 8 7 6
Costos operación 12% 4 4 7 7
Nivel estandarización 11% 8 8 8 8
Velocidad de transmisión
8% 6 9 7 8
Complejidad de implementación
8% 9 5 6 4
Nivel de seguridad 12% 8 8 4 6
Capacidad de procesamiento
0%
Confiabilidad 9% 8 8 4 6
Memoria 0%
6.81 6.39 6.05 6.30
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4) Kiosco
Solución Ventajas Desventajas
Microcontrolador Bajo costo
Sencillez de implementación
Interfaz de usuario básica
Comunicación Ethernet adicional
Hardware Reprogramable (FPGA)
Reprogramable
Costo bajo-medio
Interfaz de usuario básica
Comunicación Ethernet adicional
Computador embebido Interfaz de usuario avanzada
Comunicación Ethernet integrada
Costo alto
PC Interfaz de usuario avanzada
Comunicación Ethernet integrada
Tamaño, peso
Costo alto
48
Criterio Peso Microcontrolador FPGA Computador Embebido PC