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dispositivo de delimitación de área segura
SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA “DISPOSITIVO DE DELIMITACIÓN DE ÁREA SEGURA” OPCIÓN I TALLER DE INVESTIGACIÓN II PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO ELECTRÓNICO PRESENTA: JOSE LUIS KU HUCHIM JUAN MAUEL RUIZ FRANCO JUAN PABLO ANDRADE PERZA MÉRIDA, YUCATÁN, MÉXICO 2013 II ÍNDICE GENERAL INTRODUCCION ....................................................................................................................................... 1 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION ................................................................................................... 2 OBJETIVO GENERAL: ............................................................................................................................... 2 OBJETIVOS ESPECIFICOS: .................................................................................................................... 2 HIPOTESIS ................................................................................................................................................ 3 JUSTIFICACION ....................................................................................................................................... 3 LIMITACIONES Y DELIMITACIONES .................................................................................................... 5 DELIMITACIÓN ................................................................................................................................................ 5 LIMITACIÓN ..................................................................................................................................................... 5 IMPACTO AMBIENTAL, SOCIAL Y ECONOMICO............................................................................... 6 IMPACTO SOCIAL ............................................................................................................................................ 6 IMPACTO ECONÓMICO .................................................................................................................................... 6 IMPACTO AMBIENTAL ...................................................................................................................................... 6 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ....................................................................................................... 7 CAPITULO 1: PÉRDIDAS, EXTRAVIOS Y SUSTRACCIONES ILEGALES DE MENORES EN MEXICO ..................................................................................................................................................... 9 1.1 INTRODUCCION .......................................................................................................................... 9 1.2 DEFINICIONES ............................................................................................................................. 9 1.2.1 1.2.2 1.2.3 SUSTRACCION ILEGAL DE UN MENOR .............................................................................. 9 PERDIDA, EXTRAVÍO DE UN MENOR .................................................................................. 9 SECUESTRO DE MENORES DE EDAD.............................................................................. 10 1.3 TRAFICO DE MENORES .......................................................................................................... 10 1.4 CAUSAS ...................................................................................................................................... 10 1.5 ESTADISTICAS MUNDIALES, NACIONALES DE PERDIDAS DE MENORES DE EDAD 11 1.5.1 MUNDIALES..................................................................................................................................... 11 1.5.2 LATINOAMERICA ........................................................................................................................... 12 1.5.3 NACIONALES .................................................................................................................................. 13 1.6 TRANSMISIONES INALÁMBRICAS .............................................................................................. 15 1.6.1 RADIOFRECUENCIAS ................................................................................................................... 15 1.6.2 MICROONDAS ................................................................................................................................ 16 1.6.2.1 MICROONDAS TERRESTRES ............................................................................................. 17 1.6.2.2 MICROONDAS POR SATÉLITE ........................................................................................... 17 1.6.3 LUZ INFRARROJA .......................................................................................................................... 18 1.6.3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN INALÁMBRICA DE DATOS CON ONDAS INFRARROJAS ........................................................ 19 III CAPITULO 2: ANTECEDENTES........................................................................................................... 20 2.1 CHIP ANTI-SECUESTRO GPS ....................................................................................................... 20 2.2 BRAZALETE ANTI-PERDIDA DE NIÑOS INALAMBRICO ......................................................... 22 2.2.1 ESPECIFICACIONES: .................................................................................................................... 25 2.3 LOCALIZADOR GPS PARA PERSONAS. .................................................................................... 26 2.3.1 FUNCIONALIDADES ...................................................................................................................... 26 2.3.2 CARACTERÍSTICAS ...................................................................................................................... 27 CAPITULO 3: DISEÑO ELECTRÓNICO .............................................................................................. 29 3.1 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA............................................................................................. 29 3.2 VARIABLES DE ENTRADA Y DE SALIDA ................................................................................... 30 3.3 DIAGRAMA A BLOQUES GENERAL DEL SISTEMA ................................................................. 31 3.4 DIAGRAMA DETALLADO DE LOS BLOQUES ............................................................................ 31 3.4.1 ETAPA DE TRANSMISIÓN ........................................................................................................... 32 3.4.1.1 ETAPA DE ALIMENTACIÓN ................................................................................................. 32 3.4.1.2 ETAPA DE PROCESAMIENTO ............................................................................................ 33 3.4.1.3 ETAPA DE CONTROL ............................................................................................................ 33 3.4.1.4 ETAPA DE TRANSMISIÓN.................................................................................................... 33 3.4.2 ETAPA DE RECEPCIÓN ............................................................................................................... 34 3.4.2.1 LA ETAPA DE ALIMENTACIÓN ........................................................................................... 34 3.4.2.2 ETAPA DE RECEPCIÓN........................................................................................................ 34 3.4.2.3ETAPA DE PROCESAMIENTO ............................................................................................. 36 3.4.2.4 ETAPA DE CONTROL ............................................................................................................ 36 3.4.3 BLOQUE DE ALERTA .................................................................................................................... 38 3.5 DISEÑO ............................................................................................................................................. 38 3.5.1 MODULO NRF24L01+ .................................................................................................................... 38 3.6 ARDUINO NANO .............................................................................................................................. 41 3.6.1 ESPECIFICACIONES ..................................................................................................................... 43 3.6.2 ALIMENTACIÓN DEL ARDUINO NANO ..................................................................................... 44 3.6.3 COMUNICACIÓN ............................................................................................................................ 44 3.7 DIAGRAMA DE FLUJO DE LOS DISPOSITIVOS TRANSMISOR Y RECEPTOR .................... 45 3.8 CONEXIÓN DE LOS PATAS DE LOS DISPOSITIVOS ................................................................ 47 CAPITULO IV: PRUEBAS Y RESULTADOS ....................................................................................... 48 4.1 PRUEBAS ......................................................................................................................................... 48 4.2 RESULTADOS .................................................................................................................................. 49 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 50 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................................... 51 IV ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS FIGURAS Figura 2.1 Chip Anti-Secuestro GPS…………………………………………….. 22 Figura 2.2 Sistema transmisor del brazalete inalámbrico anti-perdida de niños…………………………………………………………………………………… 23 Figura 2.3 Sistema receptor del brazalete inalámbrico anti-perdida de niños………………………………………………………………………………....... 24 Figura 2.4 Accesorios del brazalete anti-perdida de niños inalámbrico… 25 Figura 2.5 Localizador GPS para personas…………………………………….. 28 Figura 3.1 Diagrama de bloques de variables de entrada y de salida del sistema………………………………………………………………………………... 30 Figura 3.2 Diagrama general a bloques del prototipo……………………….. 31 Figura 3.3 Diagrama a bloques detallado del sistema transmisor………… 31 Figura 3.4 PCB de la alimentación del modulo transmisor…………………. 32 Figura 3.5 Diagrama esquemático de la alimentación del modulo transmisor…………………………………………………………………………… 32 Figura 3.6 Diagrama PCB de ambas caras de la placa de alimentación…. 33 Figura 3.7 Diagrama a bloques detallado del sistema receptor……………. 34 Figura 3.8 Diagrama esquemático del receptor Arduino…………………….. 35 Figura 3.9 Diagrama esquemático del control receptor……………………… 36 Figura 3.10 Módulo transceptor inalámbrico de RF nRF24L01+…………... 39 Figura 3.11 Diagrama Esquemático del Módulo transceptor inalámbrico V de RF nRF24L01+…………………………………………………………………… 40 Figura 3.12 PCB del Módulo inalámbrico de nRF24L01+…………………… 41 Figura 3.13 Tarjeta Arduino Nano v3.0………………………………………….. 41 Figura 3.14 Especificaciones del Arduino Nano v3.0………………………… 42 Figura 3.15 Diagrama Esquemático del Arduino……………………………... 42 Figura 3.16 Diagrama de flujo del sistema de pulsera transmisor………… 45 Figura 3.17 Diagrama de flujo del sistema de caja receptora………………. 46 Figura 4.1 Conexión Física del Módulo nFR24L01 con el Arduino nano en modo transmisor………………………………………………………………… 49 Figura 4.2 Conexión Física del Módulo nFR24L01 con el Arduino nano en modo receptor…………………………………………………………………… 49 TABLAS Tabla 1 Diagrama de bloques de variables de entrada y de salida del sistema 13……………………………………………………………………………. 43 Tabla 2 conexión de los pines del Arduino nano con el modulo Nrf24l01+………………………………………………………………………………. 47 Tabla 3 resultados de las pruebas realizadas………………………………….. 48 VI INTRODUCCION El objetivo de la creación del dispositivo de delimitación de área segura es para mantener en todo momento una certeza de la seguridad del portador del dispositivo transmisor mientras se encuentra en estancias infantiles, salón de clase e inclusive cuando se encuentre en lugares públicos, tales como parques, hospitales, centros comerciales, debido a que los infantes tienen tendencias a ser imperativos, inconscientes y con una gran curiosidad, este dispositivo que consta de una pulsera que utilizara el niño monitoreado y un modulo receptor en forma de caja que utilizara el padre quien recibe información desde la pulsera del niño, se utiliza para brindar seguridad con señales auditivas y lumínicas como indicador de alarma de que el niño portador ha abandonado el área delimitada como segura, esto nos ayudara a tener una rápida reacción ya que los primeros momentos son los más cruciales para que el portador no se extravié. 1 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION OBJETIVO GENERAL: Diseñar un dispositivo electrónico capaz de mandar señales de radiofrecuencia al usuario indicando que la persona portadora del modulo transmisor ha abandonado el rango de seguridad permitido. OBJETIVOS ESPECIFICOS: - Construir un dispositivo electrónico en forma de pulsera. - El dispositivo funcionará mediante módulos de radio frecuencias portátiles. - Se podrá modificar el límite del área de seguridad del dispositivo. - El dispositivo brindara una mejor localización para el usuario capaz de monitorear en todo momento el seguridad. 2 al ser rango delimitado de HIPOTESIS Al constante monitoreo del rango de seguridad mayor será la vigilancia por parte del usuario. JUSTIFICACION Según las estadísticas presentadas por el Senado de la Republica las cifras de niños desaparecidos en los años de 2007 a 2011 son: Total: 150 mil De los cuales: - Por sustracción ilegal: 67 % - Por ausencia voluntaria: 9.3 % - Por extravió: 2.3 % - Por robo: 1.2% - Por causas indeterminadas: 10.9 % De estos el 58 por ciento tienen entre cuatro y 12 años, y casi dos terceras partes son del sexo femenino. En promedio, de tres a cuatro niños desaparecen cada hora en nuestro país, según las últimas cifras obtenidas en febrero de 2013. (1) Debido a esto se ha diseñado y creado este dispositivo inalámbrico delimitador de área segura que se utiliza para monitorear el área que se utiliza para detectar el 3 extravió, robo, secuestro o simplemente el abandono inconsciente del niño portador del dispositivo transmisor. Según comentan los expertos, una vez que los padres se dan cuenta de la desaparición de su hijo, uno de los factores más importantes que define si el menor será recuperado o no, una de las ventajas de nuestro dispositivo es que nos permite tener una rápida reacción al tener el control de la zona de seguridad que se encuentre el menor. 4 LIMITACIONES Y DELIMITACIONES Delimitación En todo momento se estará enviando una señal por parte del transmisor y solo hasta cuando el receptor deje de recibir la señal alertara al usuario responsable y portador del dispositivo. Se manejaran dos distancias nombradas “larga distancia” y “corta distancia” con respecto al desempeño del dispositivo. Limitación El tamaño del dispositivo electrónico tendrá un tamaño que no pasara desapercibido entre el usuario. Habrá variaciones en el área segura debido a los obstáculos físicos que se podrían encontrar en el área monitoreada. Solo se indicara que el dispositivo transmisor ha abandonado el área segura mas no se indicara donde se encuentra. 5 IMPACTO AMBIENTAL, SOCIAL Y ECONOMICO. Impacto social El dispositivo representara un gran impacto social ya que podría representar un gran avance en el cuidado y control de los menores por parte no solo de los padres de familia sino por todas aquellas personas a las que estén bajo su cuidado. Impacto económico Este dispositivo podrá ser adquirido a un precio económico comparado a otros dispositivos relacionados a este, estará al alcance de personas de bajos recursos económicos que no tienen el poder adquisitivo de adquirir equipos más sofisticados, la cual contribuirá directamente con la seguridad de los niños que se encuentran en espacios públicos, con esto reduciendo el índice de personas extraviadas. Impacto ambiental Radica en la configuración del sistema que tiene un bajo consumo de energía. 6 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ACTIVIDAD DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES 1 Investigación del tema 2 Implemento del diseño 3 Simulación del proyecto 4 Búsqueda y compra de materiales 5 Armado de diseño 6 Pruebas de proyecto 7 Detalles finales 8 Presentación del proyecto 9 Entrega final 7 ACTIVIDAD AGOSTO 1 2 SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE X X X X X 3 X X 4 X X 5 X X 6 X X 7 X 8 X X 9 X X 8 CAPITULO 1: PÉRDIDAS, EXTRAVIOS Y SUSTRACCIONES ILEGALES DE MENORES EN MEXICO 1.1 INTRODUCCION México transita por una dolorosa pandemia de violencia, que si bien expresa su rostro más visible en los brutales asesinatos cometidos por el crimen organizado, tiene otras aristas, quizá mucho más profundas y de una trascendencia de gran calado en lo que a la libertad y el bienestar social se refiere en nuestro país. Una de ellas es el robo y la desaparición de niñas y niños. Algunos de ellos, sustraídos de hospitales, de sus hogares o robados en la vía pública, con el fin de entregarlos en adopciones ilegales; otros, sustraídos de sus entornos familiares o institucionales, con el fin de someterlos a las peores formas de explotación que hoy se sintetizan en el concepto de “trata de personas”; unos más que, ante el descuido o la omisión de cuidados, se extravían en espacios públicos y cuyo paradero es, con el paso del tiempo, muy difícil de ubicar. 1.2 DEFINICIONES 1.2.1 SUSTRACCION ILEGAL DE UN MENOR Es la retención o no devolución del menor a su lugar de residencia habitual tras el desplazamiento, inicialmente ilícito del menor por uno de sus progenitores. (2) 1.2.2 PERDIDA, EXTRAVÍO DE UN MENOR Verse separado de una persona querida. (3) 9 1.2.3 SECUESTRO DE MENORES DE EDAD Es la acción de retener indebidamente e ilegalmente a uno o varios menores de edad y mantenerlos en cautiverio contra su voluntad. (4) 1.3 TRAFICO DE MENORES El tráfico de niños es un problema muy grave a nivel mundial. En las últimas décadas, el contrabando y el tráfico se han convertido en una actividad importante y una fuente de ingresos de las organizaciones criminales, en los planos nacional e internacional. Los niños pueden ser secuestrados en sus hogares, escuelas o campos de refugiados para su explotación en trabajos forzados, esclavitud sexual y reclutamiento forzoso, y se trafica con ellos a través de las fronteras. 1.4 CAUSAS La Organización de las Naciones Unidas ha expresado repetidamente su preocupación por la trata de niños, la explotación de la prostitución ajena, la explotación laboral infantil, la venta de niños, la prostitución infantil, la pornografía infantil, la servidumbre por deudas y la utilización de niños en los conflictos armados. Los niños pueden ser secuestrados por diferentes motivos y/o propósitos entre los cuales se encuentran: Adopción ilegal Explotación laboral infantil 10 Prostitución infantil Pornografía infantil Abuso sexual infantil Uso militar de niños Obligarlos a mendigar en la calle Esclavitud y servicio doméstico esclavo (5) 1.5 ESTADISTICAS MUNDIALES, NACIONALES DE PERDIDAS DE MENORES DE EDAD 1.5.1 MUNDIALES Los niños son secuestrados por diversas razones: Propósitos comerciales sexuales (trafico, prostitución, trabajos forzados), matrimonios forzados, reclutamiento en fuerzas/grupos armados, conflictos entre adultos, etc. No obstante, la mayoría de los secuestros de niños se dan por parte de parientes cercanos. • Los estudios muestran que de los 5 . amiliares en los stados secuestros realizados cada a o por no- nidos, el involucr a un amigo de la amilia, personas conocidas por largo tiempo, vecinos, niñeras o personas con algún tipo de autoridad sobre el niño y sólo el 37% fue realizado por extraños. 11 • n abril de 2 12, el Ministro de Justicia irlandés revel detalles sobre los casos de secuestro de niños en 2 11, los cuales muestran que su departamento proces un total de 261 casos ese año. De los casos tratados, 142 fueron nuevos, (un incremento de dos casos sobre 2010) mientras que 119 fueron casos que se dieron desde el año anterior. Los 142 casos nuevos involucraron 198 niños: 53 casos están relacionados con secuestros perpetrados en otros países y llevados a Irlanda, mientras que los 89 restantes fueron secuestros desde este país y llevados a otros países. - Las estimaciones de secuestros varían mucho pues no siempre se denuncian ni se publican las estadísticas. Según la empresa de seguridad británica, Hiscox, el número de secuestros a nivel mundial se multiplicó de 1999 cuando fueron registrados 1.800 casos a 23.000 en el 2006. Según la organización humanitaria holandesa, IKV Pax Christi, la cifra de secuestros a nivel global oscila entre 40.000 y 100.000 casos al año. Latinoamérica, que durante décadas fue la región más propensa a la práctica de este crimen, fue el contexto que dio origen a la fundación de Control Risks en la década de 1970 en Londres. (6) 1.5.2 LATINOAMERICA En el caso de Venezuela en donde los secuestros exprés están a la orden del día el 95% de los casos quedan impunes. "Durante los 14 años de gobierno de Chávez el incremento en la violencia convirtió al país en uno de los puntos rojos del secuestro a nivel mundial”, según Global Risks. l país ocup el quinto puesto 12 entre los diez países donde más raptos fueron registrados en 2012, según las estimaciones de la organización. En Honduras los altos niveles de inseguridad, criminalidad y pobreza endémica y una historia de violencia social han contribuido a hacer del país uno de los más peligrosos de Centroamérica, según Control Risks.(7) 1.5.3 NACIONALES El Consejo Ciudadano para la Seguridad Pública y la Justicia Penal reveló que en los primeros ocho meses del año se cometieron en el país mil 130 secuestros, 35% más que en el mismo periodo del año pasado. De acuerdo con el organismo, la tendencia indica que la cifra podría triplicarse el resto del año si se mantiene el mismo ritmo de plagios. Los exámenes de control y confianza, dijo, fueron parte de la farsa del sexenio pasado para depurar las corporaciones policiacas, amén de que, acotó, no son suficientes porque pueden ser alterados. El Consejo Ciudadano para la Seguridad Pública y la Justicia Penal puntualizó que las entidades más golpeadas por el secuestro a la fecha son: Morelos, Tamaulipas, Guerrero, Michoacán, Tabasco y Veracruz. Los delincuentes, añadió, buscan principalmente a jóvenes, empresarios, mujeres y extranjeros para cometer el delito. 13 Datos de la Comisión Nacional de los Derechos Humanos señalan que al año alrededor de 20 mil migrantes son víctimas de dicho delito, lo que al fin de 2013 daría una suma de 23 mil plagios, apuntó. En el caso de México, el secretario de Gobernación Miguel Ángel Osorio Chong señaló recientemente que el número de secuestros se redujo en un 25% entre diciembre de 2012 y marzo de 2013, con 551 casos durante los primeros cuatro meses del gobierno de Enrique Peña Nieto. Sin embargo según un reporte sobre el secuestro publicado en mayo pasado por Control Risks bajo pedido de Hiscox, “estas estadísticas no re lejan la dimensi n del problema, pues en muchos casos las familias deciden no denunciar porque consideran que la policía no perseguirá a los delincuentes o está coludida con ellos”. Aunque en la mayoría de los casos los afectados son nacionales mexicanos o migrantes centroamericanos, la situación imperante en el país representa un riesgo potencial para empresarios extranjeros interesados en hacer negocios. “Hay personas que corren realmente peligro y sus empresas se ocupan de darles una capacitación realista, en algunos países el único móvil es económico, ahí la persona es secuestrada en la mañana y si todo transcurre bien, estará en su casa en la noche”, a irma Christian Bengs, que fundó hace siete años una empresa que ofrece asesoría y entrenamiento con sede en Bremen. "Nuestros entrenamientos son muy realistas y se crean posibles escenarios. La gente tiene que hacer frente a obstáculos y situaciones de peligro, se trata de que aprenda a resolverlos", afirma. (8) 14 1.6 TRANSMISIONES INALÁMBRICAS Los medios inalámbricos transmiten y reciben señales electromagnéticas sin un conductor óptico o eléctrico, técnicamente, la atmósfera de la tierra provee el camino físico de datos para la mayoría de las transmisiones inalámbricas, sin embargo, varias formas de ondas electromagnéticas se usan para transportar señales, las ondas electromagnéticas son comúnmente referidas como medio; dichos medios inalámbricos son los siguientes: - Radiofrecuencias - Microondas - Luz infrarroja (9) 1.6.1 RADIOFRECUENCIAS Las ondas de radiofrecuencia (RF) se generan cuando una corriente alterna pasa a través de un conductor. Las ondas se caracterizan por sus frecuencias y longitudes. La frecuencia se mide en hercios (o ciclos por segundo) y la longitud de onda se mide en metros (o centímetros). Las ondas de radio son ondas electromagnéticas y viajan a la velocidad de la luz en el espacio libre. La ecuación que une a la frecuencia y la longitud de onda es la siguiente: velocidad de la luz (c) = frecuencia x longitud de onda. Se observa partir de la ecuación que, cuando la frecuencia de RF se incrementa, su longitud de onda disminuye. 15 La tecnología RFID utiliza cuatro bandas de frecuencia: baja, alta, muy alta y microondas. La baja frecuencia utiliza la banda de 120-140 kilo hertzios. La alta frecuencia utiliza la tecnología RFID en 13,56 MHz. En ultra alta frecuencia RFID utiliza la gama de frecuencias de 860 a 960 mega hertz. La RFID de microondas en general utiliza las frecuencias de 2,45 Giga Hertz y superiores. Para las cuatro bandas de frecuencia utilizadas en RFID, las frecuencias de microondas tienen la menor longitud de onda. Las ondas electromagnéticas se componen de dos diferentes (pero relacionados campos) un campo eléctrico (conocido como el campo “ ”), y un campo magnético (conocido como el campo “H”). l campo eléctrico se genera por las di erencias de voltaje. Dado que una señal de radiofrecuencia es una alternancia, el constante cambio de tensión crea un campo eléctrico que aumenta y las disminuye con la frecuencia de la señal de radiofrecuencia. El campo eléctrico irradia desde una zona de mayor tensión a una zona de menor voltaje. Cuando un lector emite señales de radiofrecuencia, provoca variaciones en los campos eléctricos y magnéticos.. (10) 1.6.2 MICROONDAS Las microondas son ondas de radio de frecuencias muy altas (cubre las frecuencias entre aproximadamente 3 Ghz y 300 Ghz que corresponde a la longitud de onda en vacío entre 10 cm.y 1mm) que se pueden reflejar, enfocar y transmitir en una ruta de transmisión con línea directa de visión. Estas ondas de radio van de una antena parabólica a otra. La movilidad que pueden caracterizar 16 estos equipos y el ahorro económico que produce el hecho de no tender cable a cada sitio en que quiera enviarse o recibir la información hace de esta técnica una de las más usadas para comunicaciones móviles. 11 1.6.2.1 MICROONDAS TERRESTRES Suelen utilizarse antenas parabólicas. Para conexionas a larga distancia, se utilizan conexiones intermedias punto a punto entre antenas parabólicas. Se suelen utilizar en sustitución del cable coaxial o las fibras ópticas ya que se necesitan menos repetidores y amplificadores, aunque se necesitan antenas alineadas. Se usan para transmisión de televisión y voz. La principal causa de pérdidas es la atenuación debido a que las pérdidas aumentan con el cuadrado de la distancia (con cable coaxial y par trenzado son logarítmicas). La atenuación aumenta con las lluvias. Las interferencias es otro inconveniente de las microondas ya que al proliferar estos sistemas, pude haber más solapamientos de señales. 1.6.2.2 MICROONDAS POR SATÉLITE El satélite recibe las señales y las amplifica o retransmite en la dirección adecuada. Para mantener la alineación del satélite con los receptores y emisores de la tierra, el satélite debe ser geoestacionario. Se suele utilizar este sistema para: - Difusión de televisión. - Transmisión telefónica a larga distancia. - Redes privadas. 17 El rango de frecuencias para la recepción del satélite debe ser diferente del rango al que este emite, para que no haya interferencias entre las señales que ascienden y las que descienden. Debido a que la señal tarda un pequeño intervalo de tiempo desde que sale del emisor en la Tierra hasta que es devuelta al receptor o receptores, ha de tenerse cuidado con el control de errores y de flujo de la señal. Las diferencias entre las ondas de radio y las microondas son: - Las microondas son unidireccionales y las ondas de radio omnidireccionales. - Las microondas son más sensibles a la atenuación producida por la lluvia. - En las ondas de radio, al poder reflejarse estas ondas en el mar u otros objetos, pueden aparecer múltiples señales "hermanas".(11) 1.6.3 LUZ INFRARROJA Las ondas infrarrojas son muy direccionales, y no pueden atravesar objetos sólidos. El hecho de que las ondas infrarrojas no atraviesen los sólidos es una ventaja. Esto permite que las ondas no interfieran en sistemas similares en un sitio cercano. Por esta razón es mucho más seguro, casi no hay interferencias y los rangos de frecuencia o canales no necesitan ser administrados por un poder central. Todo lo anterior los hace ideales para el libre uso en sitios reducidos, por ejemplo para controles remotos, comunicaciones de dispositivo a dispositivo como PDAs, celulares, cámaras digitales, etc. Además la propiedad de no poder atravesar objetos los hace ideales para implementar sistemas que requieran alta privacidad, razón por la cual que son candidatos principales para la implementación de redes LAN inalámbricos. 18 1.6.3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN INALÁMBRICA DE DATOS CON ONDAS INFRARROJAS Las redes de luz infrarroja están limitadas por el espacio y casi generalmente la utilizan redes en las que las estaciones se encuentran en un solo cuarto o piso, algunas compañías que tienen sus oficinas en varios edificios realizan la comunicación colocando los receptores/emisores en las ventanas de los edificios. Las transmisiones de radio frecuencia tienen una desventaja: que los países están tratando de ponerse de acuerdo en cuanto a las bandas que cada uno puede utilizar, al momento de realizar este trabajo ya se han reunido varios países para tratar de organizarse en cuanto a que frecuencias pueden utilizar cada uno. La transmisión Infrarroja no tiene este inconveniente por lo tanto es actualmente una alternativa para las Redes Inalámbricas. 19 CAPITULO 2: ANTECEDENTES 2.1 CHIP ANTI-SECUESTRO GPS El primer implante de chip en un ser humano tuvo lugar en 1998 y fue implantado al científico británico Kevin Warwick. (El primer ciborg del mundo). Desde entonces el uso de dichos micro implantes se ha disparado con en todo tipo de personas, en diferentes profesiones y condición social. El sistema que utilizan estos chips es el de identificación de radiofrecuencia (RFID). Esta frecuencia inalámbrica puede ser utilizada tanto por lectores de datos en hospitales y comercios como por sistemas de posicionamiento global (GPS). Mediante el chip las personas adquieren una sensación extra de seguridad al poder ser localizados en donde quiera que se encuentren por medio de un satélite. Conocida como “Verichip”, el chip de silicio, del tama o de un grano de arroz, iba destinado al gran público. Su precio ronda en los 175 dólares y tenía un costo de mantenimiento anual de 48.5 dólares. Es un dispositivo electrónico que puede transmitir señales a una red satelital de posicionamiento global (GPS) que ayuda a encontrar personas secuestradas, extraviadas o desaparecidas. 20 ¿Cómo Funciona el Chip Anti-secuestro? Este microchip mide 3 milímetros cuadrados, el cual se implanta en el cuerpo del ser humano y está protegido por una cápsula de silicona. Sirve para rastrear exactamente la ubicación de la persona. Funciona como un teléfono celular, transmite un código de identificación que es un código único que se dirige directamente al aire, el cual es detectado por un satélite y un sistema llamado de posicionamiento global que ubica la persona en cualquier parte del mundo. Actualmente con la tecnología del Chip Antisecuestros, que se implanta en el cuerpo humano sin ningún riesgo ni contraindicación, es posible que en una situación de emergencia como sería el caso de secuestro, proporcionar la identificación y la localización vía satélite de una persona las 24 horas del día, los 365 días del año, por medio de uno de los monitores más avanzados a nivel mundial, ubicado estratégicamente en el centro de la República, pudiendo localizar a una persona en una situación de secuestro o de emergencia, en tan solo en 3 segundos, con un margen de error de aproximadamente 8 metros. Características más importantes del chip Anti-secuestro. • s capaz de enviar se ales de radio a un aparato de GPS y que a su vez manda una señal de geolocalizaciòn al satélite para visualizar su presencia y detectar el dispositivo. • l dispositivo se inserta dentro de una cápsula cristalina del tama o de un grano de arroz, que se inserta debajo de la piel sin dolor alguno ni molestias. 21 • s un dispositivo que tiene como inalidad el brindar protecci n individual al permitir localizar a su portador por vía satelital frente a un secuestro. • n la actualidad este sistema de seguridad lo o rece México desde el año 2006 y aproximadamente ya existen alrededor de 2.000 personas que hacen uso del mismo Figura 2.1 Chip Anti-Secuestro GPS 2.2 BRAZALETE ANTI-PERDIDA DE NIÑOS INALAMBRICO La popularidad de los inalámbricos se debe en gran medida al hecho de que no requieren de la instalación invasiva que necesitan los sistemas cableados. Es liviana y compacta, perfecta para proteger sus dispositivos niños, perros gatos de ladrones o de que se le olviden y pierdan. Simplemente fije el pequeño transmisor en la muñeca del niño o al objeto que desea proteger y lleve con usted el receptor con modo de alarma y vibración si el niño excede la distancia seleccionada. Cuando el objeto protegido (transmisor) se 22 aleje una determinada distancia regulada por usted (receptor), sonará la alarma del recetor, avisando con sonido y vibrador, que se esta alejando su niño. Puede usar esta alarma para mantener sus hijos pequeños cerca de usted cuando recorre lugares públicos, como supermercados, parques, aeropuertos. En el receptor, regule el rango de movimiento que usted desea que se mueva su hijo o lo que desea proteger Transmisor El transmisor envía una señal al receptor si el niño sale del rango de protección, este dispositivo debe estar en posición ON, cuando ya no esté en uso posicionar en OFF. Figura 2.2 Sistema transmisor del brazalete inalámbrico anti-perdida de niños. 23 El receptor recibe la señal del transmisor, emite un sonido de alta frecuencia en combinación con un puso de vibración. La distancia de cobertura efectiva es regulable de 0 a 10 metros. Figura 2.3 Sistema receptor del brazalete inalámbrico anti-perdida de niños. El receptor tiene un switch de 3 posiciones 1.- S-ON Función de Búsqueda El receptor emite un sonido combinado con vibración en la medida que el niño (transmisor) se acerca. 2.- OFF Cuando no use el dispositivo póngalo en posición OFF 3.- N-ON Función de Alerta Cuando el niño (transmisor) excede el rango de protección programado, el receptor emite un sonido de alta frecuencia en combinación con vibración para alertar a los adultos de la situación. 24 Dos llaves de seguridad hexagonales que aseguran al transmisor en la muñeca del niño Para bloquear el brazalete Transmisor. 2.2.1 ESPECIFICACIONES: Distancia mínima: 0 metros Distancia máxima: 20 metros Frecuencia: 433.92 MHZ Medida del Transmisor: 24,5 x 7 MM Peso del Transmisor: 25 g Con la pila incluida Medida del Receptor: 60x36x1MM Peso del Receptor: 35,5 g Figura 2.4 Accesorios del brazalete anti-perdida de niños inalámbrico. 25 2.3 LOCALIZADOR GPS PARA PERSONAS. El localizador tiene una antena GPS que le permite ubicar la situación del dispositivo con un margen de error mínimo. Puede conocer la ubicación el mismo en cualquier momento, para ello sólo necesita un ordenador, un teléfono con conexión a internet. Podrá acceder a un servidor de una forma gratuita, solicitar la posición del Localizador GPS y el sistema le mostrará inmediatamente la ubicación del mismo. El servicio de localización web es absolutamente gratuito para siempre, no tiene ninguna cuota mensual ni ningún gasto extra. Para su funcionamiento el Localizador GPS precisa una tarjeta de telefonía SIM que se instalará en su interior de una forma muy sencilla. Esta tarjeta SIM convertirá a nuestro Localizador GPS para personas en un móvil que enviará a nuestro servidor web la información de su posición cada vez que se lo solicitemos o nos remitirá avisos y alarmas en función de cómo lo hayamos configurado. 2.3.1 FUNCIONALIDADES Localización GPS en tiempo real. En nuestro servidor web verá la ubicación exacta del localizador GPS para personas cada vez que lo desee. Zonas de seguridad 26 Nuestro Localizador GPS para personas tiene la posibilidad de crear zonas de seguridad de una forma muy sencilla y que harán que el Localizador GPS nos avise cada vez que sean traspasadas. Conocer el recorrido realizado Podemos configurar el Localizador GPS para personas de tal forma que vaya almacenando en su memoria las diferentes posiciones GPS durante un recorrido con la periodicidad que queramos (1 minuto, 10 minutos, etc.). Al terminar la jornada el Localizador GPS para personas enviará las posiciones al servidor web para que sean consultadas por el usuario. Micrófono integrado El Localizador GPS lleva integrado un micrófono que nos permite conectarnos a el y conocer en todo momento que esta ocurriendo alrededor del dispositivo. Para ello sólo hay que llamar al número de l tarjeta SIM que hemos introducido en el Localizador GPS para personas y este activa automáticamente el micrófono. El Localizador GPS acepta únicamente llamadas del teléfono asociado, si recibe una llamada de otro teléfono da señal de comunicando. 2.3.2 CARACTERÍSTICAS El localizador GPS para personas es una cajita de 7,5 x 4,5 x 2 cm que se introduce en un bolsillo o en una mochila de la persona que queremos que este localizada, tiene un peso de 80 gr. 27 El Localizador GPS para personas tiene una batería con una autonomía que depende en gran medida del uso que se le de al dispositivo, pero que en modo “stand by” puede llegar a durar hasta 15 días sin necesitar recarga. El dispositivo envía un mensaje de aviso al móvil que asociemos avisando cuando la batería del Localizador GPS baja del 20%. Figura 2.5 Localizador GPS para personas . 28 CAPITULO 3: DISEÑO ELECTRÓNICO 3.1 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA El problema a resolver es la seguridad de los menores debido a que mientras más alejado este de las personas adultas más vulnerable se encuentra a sufrir tanto como accidentes, un robo o extravió, así como de una sustracción ilegal por parte de su padres o familiares cercanos, es por eso que se delimito un área segura en la cual los padres monitorean en todo momento que los menores se encuentren dentro de la misma y tengan una mayor certeza de la seguridad de los menores, en caso contrario, de que el menor abandone voluntaria e involuntariamente esta zona delimitada como segura el adulto será informado de inmediato y podrá tener una rápida reacción para poder ubicar al menor portador del aparato transmisor, teniendo en cuenta las necesidades de la distancia en los diferentes lugares se pudo definir dos distancias una larga y una corta dependiendo del grado de libertad que se le quiera dar al menor y del lugar donde se encuentre entendiéndose que no tendría la misma aplicación en un centro comercial donde el menor no tendría razón aparente para alejarse del adulto portador del receptor y por eso sería una distancia corta con respecto a la empleada en un parque o un campo deportivo en donde el menor tendría mayor libertad en cuanto a distancia y el aparato no resulte molesto al estar indicando que el menor abandone en todo momento una distancia corta. Para resolver esta problemática planteada la tecnología elegida es de radiofrecuencia gracias a que los módulos a los que se tiene acceso de esta tecnología cumplen con el requerimiento de funcionar como receptores y 29 transmisores, de esta manera se estará enviando la señal del transmisor al receptor y se podrá alertar cuando la señal del transmisor no sea captada por el receptor indicando que se ha salido del área denominada como segura 3.2 VARIABLES DE ENTRADA Y DE SALIDA ZONA DE RIESGO ZONA DE SEGURIDAD ALIMENTACION PILA 5 VOLTS ARDUINO NANO MODULO TRANSMISOR Nrf24l01+ VARIABLE DE ENTRADA BUFFER ALERTA ZONA DE SEGURIDAD ALIMENTACION PILA 5 VOLTS MODULO RECEPTOR Nrf24l01+ ARDUINO NANO SISTEMA DE CONTROL BUFFER LED ALERTA VARIABLE DE SALIDA Figura 3.1 Diagrama de bloques de variables de entrada y de salida del sistema 30 3.3 DIAGRAMA A BLOQUES GENERAL DEL SISTEMA Figura 3.2 Diagrama general a bloques del prototipo 3.4 DIAGRAMA DETALLADO DE LOS BLOQUES ALIMENTACION PROCESAMIENTO CONTROL TRANSMISION Figura 3.3 Diagrama a bloques detallado del sistema transmisor 31 3.4.1 ETAPA DE TRANSMISIÓN 3.4.1.1 ETAPA DE ALIMENTACIÓN La etapa de alimentación para el transmisor requiere de 6 volts a la cual estará en la entrada del regulador de 5v, como es un sistema que necesitamos que sea del menor tamaño posible entonces se decidió optar por pila tipo botón del modelo cr2025 la cual nos entregan 3v y por eso se necesita de dos pilas que serán conectadas en serie. Figura 3.4 PCB de la alimentación del modulo transmisor Figura 3.5 Diagrama esquemático de la alimentación del modulo transmisor 32 Figura 3.6 Diagrama PCB de ambas caras de la placa de alimentación. 3.4.1.2 ETAPA DE PROCESAMIENTO Es la encarga del tratamiento de los datos a transmitir, o los elementos básicos de información, mediante el empleo de un sistema completo de procesamiento. 3.4.1.3 ETAPA DE CONTROL Esta etapa de control es realizada por el microcontrolador integrado en la placa Arduino, este en base a la programación se encarga de activar en el momento justo el modulo de radio frecuencia, define el canal de comunicación, abre o cierra el "pipe" de comunicación, modifica los registros del nrf24l01+ según la petición. 3.4.1.4 ETAPA DE TRANSMISIÓN Esta etapa se encarga de enviar el mensaje correspondiente convirtiendo las señales eléctricas en ondas de radio creadas por el modulo de radiofrecuencia. 33 3.4.2 ETAPA DE RECEPCIÓN Alimentación Recepción procesamiento control Figura 3.7 Diagrama a bloques detallado del sistema receptor 3.4.2.1 LA ETAPA DE ALIMENTACIÓN La alimentación del receptor consta de una pila de 9v que sera la entrada al pin correspondiente para el regulador de 5v. 3.4.2.2 ETAPA DE RECEPCIÓN La recepción de datos será a través del modulo radio frecuencia pudiendo captar las correspondientes ondas de radio 34 receptor Figura 3.8 Diagrama esquemático del receptor Arduino 35 3.4.2.3ETAPA DE PROCESAMIENTO En esta etapa del receptor se encarga de manipular la información recibida para modificarla o mejorarla y tener siempre claro dicha información recibida 3.4.2.4 ETAPA DE CONTROL Esta etapa en el receptor se encarga de inicializar el modulo radio frecuencia, elegir el canal de comunicación, abrir el "pipe" correcto, etc. Y además de eso activar las salidas correspondientes para alertar si recibe la señal del receptor y el mensaje correcto, igualmente lee las entradas útiles y definidas. 36 Figura 3.9 Diagrama esquemático del control receptor 37 3.4.3 BLOQUE DE ALERTA En este bloque será el aviso del usuario cuando el dispositivo transmisor ha abandonado el área segura, de tal forma Cuando el receptor deja de recibir la señal del transmisor se acciona la señal de alerta sonora, luminosa y vibratoria que consta de un buffer, un leda si como un dispositivo de vibración. 3.5 DISEÑO 3.5.1 MODULO nRF24L01+ La tarjeta que se utilizará para realizar el prototipo, es el módulo transceptor inalámbrico de RF nRF24L01+ de la empresa Nordic, el cual opera en la banda de 2.4GHz y puede alcanzar hasta una velocidad de datos de 2Mbps. La siguiente lista presenta las características más importantes del módulo: Operación a muy baja potencia. 11.3mA TX a 0dBm de potencia de salida. 12.3mA RX a una velocidad de datos de 2Mbps. 900nA estando apagado. 22μA en espera-I. Regulador de voltaje en chip. Voltaje de alimentación de 1.9 a 3.6V. ShockBurst™ Mejorado. Manejo de paquetes automático. 38 Auto packet transaction handling. data pipe MultiCeiver™. Compatible con nRF2401A, 02, E1 y E2. Bajo costo. ±60ppm cristal 16MHz. Entradas tolerantes a 5V. 20-pin compacto 4x4mm paquete QFN. Distancia de alcance de 70~100mts en espacio abierto. Figura 3.10 Módulo transceptor inalámbrico de RF nRF24L01+ 39 Figura 3.11 Diagrama Esquemático del RF nRF24L01+ 40 Módulo transceptor inalámbrico de Figura 3.12 PCB del Módulo inalámbrico de nRF24L01+. 3.6 ARDUINO NANO El Arduino Nano es una pequeña y completa placa basada en el ATmega328 (Arduino Nano 3.0) o ATmega168 (Arduino Nano 2.x) que se usa conectándola a una protoboard. Tiene más o menos la misma funcionalidad que el Arduino Duemilanove, pero con una presentación diferente. No posee conector para alimentación externa, y funciona con un cable USB Mini-B en vez de el cable estandar. El nano fue diseñado y está siendo producido por Gravitech.(13) Figura 3.13 Tarjeta Arduino Nano v3.0 41 Figura 3.14 Especificaciones del Arduino Nano v3.0 Figura 3.15 Diagrama Esquemático del Arduino 42 3.6.1 ESPECIFICACIONES Microcontrolador Atmel ATmega168 o ATmega328 Tensión de Operación 5V (nivel lógico) Tensión de Entrada 7-12 V (recomendado) Tensión de Entrada 6-20 V (límites) Pines E/S Digitales 14 (de los cuales 6 proveen de salida PWM Entradas Analógicas 8 Corriente máx por 40 mA cada PIN de E/S 16 KB (ATmega168) o 32 KB (ATmega328) de los Memoria Flash cuales 2KB son usados por el bootloader SRAM 1 KB (ATmega168) o 2 KB (ATmega328) EEPROM 512 bytes (ATmega168) o 1 KB (ATmega328) Frecuencia de reloj 16 MHz Dimensiones 18,5mm x 43.2mm Tabla 1 Diagrama de bloques de variables de entrada y de salida del sistema 13 43 3.6.2 ALIMENTACIÓN DEL ARDUINO NANO El Arduino Nano puede ser alimentado usando el cable USB Mini-B , con una fuente externa no regulada de 6-20V (pin 30), o con una fuente externa regulada de 5V (pin 27). La fuente de alimentación es seleccionada automáticamente a aquella con mayor tensión. El chip FTDI FT232RL que posee el Nano solo es alimentado si la placa esta siendo alimentada usando el cable USB. como resultado, cuando se utiliza una fuente externa (no USB), la salida de 3.3V (la cual es proporcionada por el chip FTDI) no está disponible y los pines 1 y 0 parpadearán si los pines digitales 0 o 1 están a nivel alto. 3.6.3 COMUNICACIÓN El ATmega168 posee 16KB de memoria flash para almacenar el codigo (de los cuales 2KB son usados por el bootloader); el ATmega 328 posee 32KB, (también con 2 KB usados por el bootloader). El Atmega168 posee 1KB de SRAM y 512 bytes de EEPROM (la cual puede ser leida y escrita con la librería EEPROM); el ATmega328 posee 2 KB de SRAM y 1KB de EEPROM. 44 3.7 DIAGRAMA DE FLUJO DE LOS DISPOSITIVOS TRANSMISOR Y RECEPTOR Inicio Configurar puertos i/o y comunicación serie (SPI) del microcontrolador Configurar registros del modulo RF, definir canal, pipe de lectura y escritura Abrir pipe Iniciar “escuchar” Recibir y comprobar datos para definir potencia en modo transmisor Intercambiar y abrir pipe para escribir Detener “escuchar” Enviar mensaje hacia el receptor Restaurar y abrir pipe para leer Iniciar “escuchar” Figura 3.16 Diagrama de flujo del sistema de pulsera transmisor 45 Inicio Configurar puertos i/o, puerto de comunicación serie SPI del microcontrolador e interrupción del timer2 Configurar registros del modulo RF, definir pipe de escritura y de lectura Abrir pipe Iniciar “escuchar” Leer pines para definir perfil de alerta y potencia del amplificador para el transmisor Intercambiar y abrir pipe para escritura Detener “escuchar” Enviar dato para definir potencia del transmisor Restaurar y abrir pipe para leer Iniciar “escuchar” Está al alcance y es el mensaje correcto? Apagar LED correspondiente No Interrumpir cada 250ms. Interrupción Si Perfil activo normal? Prender LED correspondiente No Si Desactivar pin de buzzer y cambiar de estado el pin de activación del motor de vibración Figura 3.17 Diagrama de flujo del sistema de caja receptora 46 Fin interrupción Cambiar estado de salida del pin de buzzer y de motor de vibración 3.8 CONEXIÓN DE LOS PATAS DE LOS DISPOSITIVOS Módulo nRF24L01+ Arduino nano VCC 3,3V GND GND MISO D12 MOSI D11 SCK D13 CE D7 CSN D8 Tabla 2 conexión de los pines del Arduino nano con el modulo Nrf24l01+ 47 CAPITULO IV: PRUEBAS Y RESULTADOS 4.1 PRUEBAS Para probar que el dispositivo funcione correctamente se realizaron las pruebas pertinentes en diferentes entornos, tanto prueba de distancia máxima del modulo como las pruebas de las distancias que nombramos como seguras. Zona Distancia aproximada de cobertura Sin interferencia 120 metros Con interferencia (Árboles) 50 metros Con interferencia (Edificios) 30 metros Con interferencia (arboles y edificios) 30 metros Tabla 3 resultados de las pruebas realizadas Las siguientes imágenes nos dan referencia de la pruebas realizadas en las que la figura 4.1 nos muestra el modulo que funcionara como transmisor la cual el LED indica que Arduino v3.0 está transmitiendo, mientras que la figura 4.2 nos indican que el que debe captar la señal del modulo transmisor no lo esta haciendo por lo cual están encendido los LEDS indicadores de que la persona portadora se ha salido del espacio delimitado como seguro. 48 4.2 RESULTADOS Figura 4.1 Conexión Física del Módulo nFR24L01 con el Arduino nano en modo transmisor Figura 4.2 Conexión Física del Módulo nFR24L01 con el Arduino nano en modo receptor 49 CONCLUSION La problemática planteada en esta investigación fue resuelta gracias a la utilización de la tecnología de radiofrecuencia debido a que es la mejor opción ya que cumple con los requerimientos propuestos como mejoras del dispositivo empleado con relación a otros del mercado: La poca energía a usarse en el monitoreo en todo momento de la distancia segura planteada, la programación de modulos y el Arduino nano que en conjunto pudieron definir las distancias seguras convenientes para diferentes lugares y aplicaciones de la misma. Para la resolución del tamaño y las aplicaciones a utilizar se decidió por el modulo Arduino nano v3.0 que es de menor tamaño de modelos ya fabricados y puestos en práctica que tiene la mayor capacidad disponible con respecto a otras visiones existentes. . Dada las investigaciones se pudo agregar al dispositivo una mejora con respecto a modelos encontrados durante la investigación realizada. La mejora puesta en práctica fue que de un solo receptor se puede indicar el monitoreo de dos o más transmisores y la alerta para indicar que se ha abandonado la distancia segura sonora, lumínica y vibratoria y para mayor comodidad se puede cambiar a solo alarma vibratoria. 50 BIBLIOGRAFIA 1.- Cada hora desaparecen en México de 3 a 4 niños [En Linea]. México, La Crónica de Hoy; 2013. [Fecha de acceso: 11 de octubre de 2013]. URL disponible en: http://www.cronica.com.mx/notas/2012/677990.html 2.- Santander Ortiz A. I. Sustracción Internacional de Menores / Traslado Ilegal de Menores. 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