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Diseño de una plataforma para monitorear y controlar el
   tráfico vehicular usando interfaces inalámbricas y GPRS
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2. TRABAJOS PREVIOS                                                     2.4 Servicio de paquetes de datos por radio
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establecer un contexto PDP [13]. Luego de configurado se
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Diseño de una plataforma para monitorear y controlar el tráfico vehicular usando interfaces inalámbricas y GPRS

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André R. Flores Manrique, Francisco J. Guerra Manchego y Raúl R. Peralta Meza

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Diseño de una plataforma para monitorear y controlar el tráfico vehicular usando interfaces inalámbricas y GPRS

  1. 1. Diseño de una plataforma para monitorear y controlar el tráfico vehicular usando interfaces inalámbricas y GPRS André R. Flores Manrique, Francisco J. Guerra Manchego y Raúl R. Peralta Meza Universidad Católica San Pablo Urb. Campiña Paisajista S/N Quinta Vivanco, Arequipa, Perú (051 - 054) 608020 andre_fm14@hotmail.com, franxiscojgm_20@hotmail.com, rperalta@ucsp.edu.pe RESUMEN Estos ajustes se deben realizar en los semáforos instalados en las En este artículo se presenta el diseño de una plataforma que intersecciones de calles o avenidas [2]. permite monitorear el tráfico vehicular y llevar esos valores a un El crecimiento del parque automotor es una tendencia mundial. servidor central a través del uso de interfaces que se emplean en En [3] se menciona que el Ministerio de Transporte de los las redes de sensores inalámbricas, WSN, y del servicio de Estados Unidos estima que 84 millones de americanos pasan cerca paquetes de datos por radio, GPRS, de la red celular. El diseño de 500 millones de horas a la semana conduciendo sus vehículos por tanto es una red Ad hoc híbrida que además permite la motorizados. Por tanto optimizar el flujo vehicular es importante transmisión de comandos desde el servidor hacia los semáforos porque permite no sólo reducir las horas-hombre que se pierden ubicados en las intersecciones de la calles, por tanto la plataforma por el traslado de personal sino también reduce el consumo de también contribuye al control del tráfico en tiempo real. combustible y por tanto contribuye a reducir la polución. Por otro lado, en los últimos años las mejoras en la capacidad de Categorías y descriptores de temas procesamiento de los microprocesadores y microcontroladores, las C.2.1 [Computer-Communication Networks]: Network nuevas interfaces inalámbricas y los avances en los Micro Architecture and Design – network communications, wireless Sistemas Electro Mecánicos (MEMS), han posibilitado el communications. desarrollo tanto de redes Ad hoc sin cables como redes de sensores inalámbricas (WSN). Una red de sensores inalámbrica Términos Generales básicamente es un conjunto de nodos de pequeño tamaño y bajo Diseño, experimentación y manejo. costo que están interconectados entre si por medio de una interface inalámbrica y son capaces de detectar información procedente del medio físico como por ejemplo: temperatura, Palabras clave humedad entre otros. Adicionalmente, la evolución de la telefonía Manejo de tráfico vehicular, redes Ad hoc, redes de sensores celular ha permitido la aparición de nuevos servicios tales como el inalámbricas (WSN), servicios GPRS/GSM, 802.15.4, XBee. servicio de paquetes de datos por radio transmisión (GPRS) que permite enviar paquetes de datos utilizando redes GSM. 1. INTRODUCCION En este artículo se presenta el diseño de una plataforma que El crecimiento acelerado de las ciudades y sus parques permita detectar los cambios en el volumen de tráfico en tiempo automotores traen consigo no sólo la necesidad de construir nueva real. Para alcanzar este objetivo se usan algunos conceptos infraestructura vial sino también administrar la misma de manera definidos en las redes Ad hoc y en las redes de sensores eficiente. La administración de la infraestructura vial esta inalámbricos, considerando como variable física la detección de orientada a controlar y acelerar el tráfico urbano a través de la vehículos motorizados. Además se incluyen los nuevos servicios ubicación de señales de tránsito y dispositivos de control de flujo que provee la red celular para el transporte de datos por radio vehicular llamados semáforos. transmisión, lo cual permite enviar y recibir información a los De acuerdo a [1], el principio fundamental del control de tráfico dispositivos de control de flujo vehicular para reajustar los urbano es responder a los cambios dinámicos de la demanda de parámetros de un ciclo de forma inmediata. tráfico. Es decir, que el objetivo consiste en reducir el retardo en Las siguientes secciones muestran el trabajo realizado: la sección el tráfico total ajustando parámetros como ciclos, secuencias de 2 presenta los trabajos previos relacionados a la administración de fases y offsets de acuerdo a los cambios en el volumen de tráfico. tráfico, las redes de sensores y servicios GPRS, seguido por el diseño de la plataforma en la sección 3. El artículo concluye con la sección 4 que presenta las conclusiones y el trabajo futuro. Permission to make digital or hard copies of all or part of this work for personal or classroom use is granted without fee provided that copies are not made or distributed for profit or commercial advantage and that copies bear this notice and the full citation on the first page. To copy otherwise, or republish, to post on servers or to redistribute to lists, requires prior specific permission and/or a fee. Conference’04, Month 1–2, 2004, City, State, Country. Copyright 2004 ACM 1-58113-000-0/00/0004…$5.00.
  2. 2. 2. TRABAJOS PREVIOS 2.4 Servicio de paquetes de datos por radio transmisión, GPRS 2.1 Redes de sensores inalámbricos De acuerdo a [8], GPRS permitirá una variedad de servicios De acuerdo a [4], las redes de sensores y las redes Ad hoc únicos al suscriptor inalámbrico móvil. Estas aplicaciones móviles inalámbricas son similares pero las primeras se caracterizan por contienen variadas características que realzan el valor de los tener un número de nodos mucho mayor que las segundas. clientes. GPRS trata de aprovechar la red GSM. En general, las Los mismo autores de [4] presentan la arquitectura de una red de aplicaciones pueden ser separadas en dos categorías de alto nivel sensores inalámbrica, en la cual existe un campo que se desea como son corporativos y consumidores. Estos incluyen correo monitorear en el cual se han instalado una serie de nodos que electrónico de las comunicaciones; fax; sistema de mensajes toman medidas de magnitudes físicas del medio ambiente. La unificada; acceso de Intranet/ Internet, servicios sobre el valor transmisión de información desde un punto a otro de la red se añadido (VAS), servicio de información de juegos, comercio realiza por medio de los nodos intermedios entre los dos puntos. electrónico, compra de boletos y comercio financiero. La información viaja hacia un punto llamado sumidero o “sink” De acuerdo a los mismos autores de [8], en GSM la cantidad de que a su vez emplea Internet o una red satelital como puente entre suscriptores ha evolucionado de 200 millones en el año 1999 a el usuario y la red que registra los cambios en el medio ambiente. 600 millones de suscriptores en el año 2003. Lo que indica un En [5] los autores presentan un marco de trabajo para el crecimiento sostenido de aplicaciones en el servicio. La tarifa de modelamiento de redes de sensores. En la actualidad, según [6], este servicio oscila entre 9,5 $ y 11 $ por cada 5 MB transferidos existen varias plataformas en redes de sensores que pueden ser dependiendo del plan que se escoja [9]. descritas por sus propiedades físicas y núcleo tales como Mica2, Mica2Dot, TmoteSky, Imote, BTnode. Tmote Sky es la más 2.5 XBee moderna porque apunta a colocar el nodo en un solo chip. Todas XBee es una interface inalámbrica que implementa el estándar estas plataformas usan el TinyOS como sistema operativo lo que IEEE 802.15.4 que generalmente se emplea para implementar ayuda a administrar la fuente de energía haciendo uso de ciclos redes de área personal (PAN). Los fabricantes de XBee, [10], dormir/despertar. producen módulos XBee y XBee Pro que proporcionan la entrega confiable de datos entre dispositivos. Los módulos son ciento por 2.2 Administración del tráfico ciento compatibles y funcionan dentro de la banda industrial, Debido a la modernización vehicular, se ha vuelto necesario el científica y medica (ISM) cuya frecuencia es 2.4 GHz. Un módulo control de tráfico. De acuerdo a [1] han surgido con el tiempo XBee básicamente se configura a través de comandos de atención varios métodos para el control del tráfico urbano. Todos los (AT) que son enviados a través de un puerto serial. Una vez métodos apuntan a reducir la tardanza del tráfico total. Muchos configurado el módulo se puede enviar datos desde un nodo a métodos se basan en la inteligencia artificial (IA) y la inteligencia otro. Una red XBee esta compuesta por un coordinador, uno o computacional. Por ejemplo tenemos: lógica difusa (Fuzzy Logic) varios encaminadores (routers) y uno o varios dispositivos finales. que es muy útil al imitar el razonamiento humano. Por otro lado El coordinador y los encaminadores descubren la ruta hacia el las redes neuronales artificiales (ARN) que son una elección destinatario del mensaje que se desea enviar. Si el destinatario no natural debido a su capacidad de auto-organización y auto- esta en el rango de un salto el mensaje es enviado al encaminador aprendizaje, sin embargo es necesario un mejor desarrollo de este más cercano quien a su vez repetirá esta acción hasta que el método porque el entrenamiento de las ARN no es simple. mensaje sea entregado al nodo destino. En [7] los autores hacen uso de semáforos adaptables usando Dependiendo de la aplicación y del número de nodos XBee puede comunicación de redes vehiculares Ad hoc, VANETS, para configurase para operar en una topología punto a punto, punto a controlar el tráfico. Haciendo uso de sistemas de posicionamiento multipunto y par a par. Por otro lado, desde el punto de vista de la global (GPS) e interfaces inalámbricas se puede colectar configuración en los módulos, cada uno puede considerarse como información sobre el tráfico. En este enfoque el regulador de un módulo central como en el caso punto a multipunto dado que semáforos escucha toda la información que los carros recibe y envía mensajes. intercambian y de esta manera decide el ajuste de los parámetros en los mismos. 3. DISEÑO El diseño de la plataforma se compone de tres partes: estación 2.3 La red celular base, nodos de la red y el servidor. La modificación de GSM para proveer servicios de datos como acceso a Internet, dio paso a la generación de sistemas celulares llamados 2.5G. Dentro de los servicios que se provee se tiene el 3.1 Estación base servicio de mensajes cortos (SMS) y el servicio de datos de alta La Figura 2 muestra el diagrama de bloques de la estación base velocidad de circuito conmutado (HSCSD), que es una mejora de GSM destinado a la transferencia de archivos multimedia. La tercera generación de equipos celulares 3G apuntan a proveer un entorno virtual de hogar, lo que significa una presentación continua y uniforme de los servicios independientemente de la localización y el acceso.
  3. 3. establecer un contexto PDP [13]. Luego de configurado se procede a correr la aplicación en JAVA. Lo primero que hace es configurar, también por medio de comandos AT, la interface XBee Pro. La selección de la versión se debe a que asegura una cobertura de aproximadamente 1000 metros si existe línea de vista. La interface se configura para trabajar par a par debido a que es necesario el intercambio de datos entre la estación base y los nodos. A continuación se extraen los datos del modem GPS para conocer la ubicación de la estación base y se almacena. Luego se levanta la pila TCP/IP concretamente lo que hacemos es emplear un socket para intercambiar información entre la estación base y el servidor. En cuanto a la comunicación con los nodos que Figura 2. Diagrama de bloques de la estación base conforma la red esta se hará haciendo uso de una interface serial En el diagrama se aprecia los bloques fundamentales. El bloque a la que esta conectada la tarjeta XBee. XBee que permitirá transmitir y recibir información de los nodos que conforman la red de semáforos. Por otro lado la presencia del 3.2 Nodos de la red bloque TC65 representa una tarjeta de desarrollo de Siemens [11] Los nodos de la red están conformados por los semáforos. La que posee una interface GPRS dado que posee un módulo GSM Figura 3 muestra el diagrama de bloques del nodo. que permite conectarse a la red celular. Nótese que la tarjeta de desarrollo de Siemens en su interior posee un bloque llamado RAM para almacenar las variables del programa y un bloque ROM que tiene las instrucciones básicas y de configuración de la tarjeta de desarrollo. Por ultimo posee un bloque llamado aplicación, donde propiamente se almacena el programa de usuario que debe ser escrito en JAVA 2 Micro Edition [12]. Como se muestra en el diagrama se ha incluido un bloque llamado GPS que permitirá la conexión de un modem de este tipo para conocer la posición de la estación base. En el diagrama no se ha incluido la fuente de energía, batería, debido a que en este caso en particular se asume que no hay problemas de suministro eléctrico y es proveído por uno de los semáforos de la red. En cuanto al software, éste correrá sobre la base del software del Figura 3. Diagrama de bloques de un nodo de la red fabricante de la tarjeta de desarrollo. Una vez que el software En el diagrama se puede ver los bloques que componen un nodo revisa la tarjeta, procedemos a configurar el servicio GPRS. Para de la red. El microcontrolador es el cerebro del nodo. En este caso ello se toma en consideración los parámetros almacenados en el se ha optado por emplear un microcontrolador que se encargara de módulo SIM que se conecta al TC65. El módulo SIM se adquiere controlar el semáforo, sensar el tráfico y además transmitir la del operador de telefonía celular que da el servicio GPRS. información a la red. Para el caso se puede emplear un En caso que ocurriese un problema en el servicio de GPRS, estos microcontrolador de la gama alta de Microchip, como el son: entre el móvil y la estación base, y entre la estación base y el PIC18F4550 [14], que cuenta con los recursos necesarios para enlace. Tales problemas suelen ocurrir sobre los transmisores, por realizar la labor descrita. El bloque DSRTC contiene al lo que existen varios de ellos para garantizar la conexión. Como dispositivo DS1307 que es un reloj de tiempo real que provee medida adicional de seguridad se emplea en las estaciones según información de segundos, minutos, horas, día, mes y año. se requiera o no dicha seguridad para la aplicación que se utilice. Además, cuenta con lo necesario para ajustar los meses que Cuando se establece la conexión con el servicio GPRS, el tengan un periodo de duración menor a 31 días. Puede también dispositivo necesita decirle a la red que puede hacer y recibir utilizar una pila de respaldo, contando además con sensores en conexiones GPRS. Este procedimiento se llama Attach. Lo caso de que se produzca alguna falla para cambiar la fuente de contrario de un Attach GPRS lo llamaremos Detach GPRS, que energía. Gracias a esto solo es necesaria su configuración una vez. elimina el terminal GPRS de la red. Esto ocurre cuando se apaga El bloque XBee Pro permite la comunicación entre los nodos de la tarjeta, al igual que el Attach se produce al encenderlo. Una vez una red de semáforos con la estación base. La transmisión de realizado el Attach, la tarjeta necesita una dirección IP y otros datos se realiza a través de una puerta serial desde el parámetros de conexión. Esta tarea es realizada mediante la microcontrolador al XBee y viceversa. Se utiliza XBee Pro debido activación del contexto PDP (Packet Data Protocol). El contexto a la cobertura que ofrece y además porque puede trabajar PDP puede ser visto como un registro software que mantiene haciendo uso de una red tipo mesh. La lógica del semáforo parámetros que son relevantes para una conexión concreta. Esta representa los tiempos que se deben ajustar dependiendo del información incluye los protocolos que serán utilizados. La volumen de tráfico. activación del contexto PDP hace que el dispositivo GPRS sea visible para el GGSN (GPRS Gateway Support Node) de la red Por otro lado el bloque de sensores tiene por finalidad detectar los celular, que hace posible conexiones con redes externas a GPRS. vehículos y serán desplegados en las intersecciones donde se Para activar el contexto PDP, el estándar GPRS define comandos coloquen los semáforos. Para detectar el paso de vehículos se que permiten indicarle a la red los valores utilizados para pueden emplear los sensores KMZ51 que es un sensor de campos
  4. 4. magnéticos. Contiene una magnetorresistencia, material que acústicos, RFID, cámaras de video, entre otros, para transformar cambia su resistencia al aplicarle un campo magnético externo. la red diseñada en un sistema aún más complejo y completo no Consiste en resistencias de permalloy (aleación de níquel y sólo para manejar el control del tráfico sino también para proveer hierro), que maximizan la sensibilidad y minimizan la los efectos seguridad en la calles. de la temperatura. Cada vehículo contiene componentes ferromagnéticos, los cuales producen campos magnéticos que son 5. AGRADECIMIENTOS detectados por este sensor. Otra posibilidad es el empleo del Quisiéramos agradecer a los revisores anónimos por sus sensor HMC1002 que también detecta campos magnéticos. Usa pertinentes comentarios. Este trabajo ha sido realizado gracias al tecnología AMR la cual tiene ciertas ventajas sobre los sensores apoyo de la Dirección de Investigación de la Universidad Católica basados en espiras, ya que son extremadamente sensibles. Estos San Pablo, de Arequipa, Perú sensores convierten cualquier campo magnético incidente en una diferencia de potencial/voltaje [15]. Sea cual sea el tipo de sensor que se emplee ésta entrará como dato al microcontrolador 6. REFERENCIAS haciendo uso de uno de los canales del conversor analógico a [1] Zhiyong, L. “A Survey of Intelligence Methods in Urban digital (ADC) con que cuenta el PIC18F4550. Traffic Signal Control,” IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.7 No.7, Julio En cuanto al software que correrá en el microcontrolador se ha 2007 elegido la programación en lenguaje C porque contienen librerías para el manejo del RTC, EEPROM, XBee, manejo de la puerta [2] Chaudhary, N.A, Kovvali, V.G. y Alam, S.M. “Guidelines serial y programación del ADC. Además cuenta con un sistema for Selecting Signal Timing Software,” Product 0-4020-P2. operativo de tiempo real (RTC) que permitirá simplificar el Texas Transportation Institute, College Station, TX. diseño. El compilador en C que se ha elegido es el PICC de Hi- Setiembre 2002. Tech[16]. [3] Grymec, L., Singh, S. y Pattipati, K., “Vehicular dependence adds to telematics’ allure”, IEEE Potencial: The magazine 3.3 El servidor for high-tech innovations, Marzo/Abril 2007 El servidor es el encargado de recibir y almacenar la información procedente de la red de semáforos. El servidor esta conectado a [4] Akyildiz, I. F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., and Internet y tiene un IP fijo y publico de esta forma la estación o Cayirci, E. 2002. “A survey on sensor networks.” IEEE estaciones bases conocerán ese valor y podrán comunicarse con Communications Magazine 40, 8 (Aug.), 102--114. él. En el servidor esta el programa que recibe las peticiones de la [5] Jurdak,R., Lopes, C.V. y Baldi, P. “A framework for estación base. Básicamente emplea un socket y la pila TCP/IP modeling sensor networks.” Proceedings of Building para garantizar la integridad de los datos. Adicionalmente el Software for Pervasive Computing Workshop at programa tiene acceso a una base de datos para depositar los datos OOPSLA’04, Vancouver, Canada 2004. procedentes de la red así como una aplicación para desplegar los [6] Beutel, J. “Metrics for sensor network platforms,” datos acumulados en un periodo de tiempo determinado por REALWSN’06: Proceedings of the ACM. Workshop on semáforo o de toda la red. Adicionalmente el mismo programa Real-World Wireless Sensor Networks, 2006, pp. 26–30 servidor tiene un módulo que le permitirá enviar mensajes a un semáforo determinado para el ajuste de los tiempos. Para ello se [7] Gradinescu,V., Gorgorin, C., Cristea, V., y Iftode, L. contará con un protocolo a nivel de aplicación para implementar “Adaptive traffic lights using car-to-car communication,” los comandos que realicen las tareas. IEEEVehicular Technology Conference, Dublin, Ireland, Abril 2007. 4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO [8] Siva, C., Murty, R. y Manoj, B.S., ”Ad hoc Wireless A partir del diseño de la plataforma presentada se desprenden las Networks: Architectures and Protocols,” Prentice Hall, 2004, siguientes conclusiones: ISBN 0-13-147023-X Es posible combinar interfaces, protocolos y algunos conceptos [9] www.claro.com.pe que se emplean en el desarrollo de las redes inalámbricas de sensores con el servicio GPRS de la telefonía celular para diseñar [10] XBee, disponible en www.digi.com y posteriormente implementar soluciones que ayuden a mejorar el [11] www.siemens.com. tráfico vehicular. Esta red caería dentro de una red Ad hoc híbrido porque el diseño descansa en conceptos de diferentes tipos de [12] Java 2 Micro edition, disponible en www.sun.com redes. [13] Carmona, J. y Gonzalez-Sanchez, J., “MOVICUO: El servicio de comunicación GPRS es una alternativa interesante Comunicaciones móviles de última generación y software para trasportar datos no sólo por la velocidad de transferencia sino libre para la ubicuidad”. también porque el costo depende del tráfico de datos. [14] Microcontroladores Microchip, disponibles en Como trabajo futuro se considera la construcción del diseño www.microchip.com desarrollado, utilizando cada una de las tecnologías planteadas. Más aún, una vez terminada la implementación integrarla a un [15] Ding, J. Cheung, S.-Y. Tan, C.-W. Varaiya, P., “Signal algoritmo que decida los tiempos de conmutación en los processing of sensor node data for vehicle detection,” semáforos. Por otro lado, en base a la red diseñada se puede Proceedings, Intelligent Transportation Systems, 2004. interactuar con otros dispositivos de control como sensores [16] Compilador PICC, disponible en http://www.htsoft.com

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