Repositorio Institucional de Documentos

Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera Implementación y Desarrollo de un Sistema de Localización en Interiores mediante RFID Alexandra Ruber Royo Director: Miguel Ángel Agustín Berné Ponente: Antonio Valdovinos Bardají Escuela de Ingeniería y Arquitectura Universidad de Zaragoza Curso 2012-2013 Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 1 RESUMEN Este proyecto de fin de carrera ha sido realizado en la empresa “A&T Ingeniería de Telecomunicaciones”. Se trata de una empresa ubicada en el centro de Zaragoza que se dedica al sector de las telecomunicaciones y a la integración de sistemas domóticos. La tecnología de Identificación por Radiofrecuencia RFID (RadioFrequency Identification) es, sin duda, una de las tecnologías de comunicación que ha experimentado un crecimiento más acelerado y sostenido en los últimos tiempos. Las posibilidades que ofrece la lectura a distancia de la información contenida en una etiqueta, sin necesidad de contacto físico, junto con la capacidad para realizar múltiples lecturas (y en su caso, escrituras) simultáneamente, abre la puerta a un conjunto muy extenso de aplicaciones en una gran variedad de ámbitos, desde la trazabilidad y control de inventario, hasta la localización y seguimiento de personas y bienes, o la seguridad en el control de accesos. Por todo ello no hay duda de que se trata de una tecnología muy prometedora que puede aportar sustanciales ventajas en muchos ámbitos de aplicación. El interés de las empresas por este tema está aumentando paulatinamente. Entre ellas, “A&T Ingeniería de Telecomunicaciones” ha decidido introducirse de pleno y realizar un proyecto ambicioso de localización en interiores mediante RFID. El objeto principal de este proyecto es el desarrollo e implementación de un sistema de localización e identificación basado en la tecnología RFID con el fin de mejorar la seguridad en un centro de educación infantil. En particular se ha llevado a cabo un análisis de las diferentes tecnologías para la identificación y transmisión de los datos en interiores como RFID, WIFI, etc. teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes de cada una y, posteriormente, un estudio del estado del arte de los dispositivos de localización basados en RFID. El siguiente paso ha sido la realización del diseño de la arquitectura de red necesaria para el sistema de localización basada en una relación TCP cliente-servidor. Para ello, se sitúan localizadores en aquellos puntos que se desea registrar. Cada alumno lleva un tag activo que periódicamente envía una señal al receptor, el sistema conoce la localización de cada persona dependiendo del nivel de potencia recibida por el lector. Por último, se realiza el desarrollo e implementación de una aplicación que procesa todos los datos captados por los lectores y los traduce de manera gráfica sobre un mapa del recinto con el fin de que el personal del centro sea capaz de ubicar de un solo vistazo a los alumnos. Esta aplicación posee diversos apartados en los que el personal autorizado puede gestionar los datos personales de los alumnos, conocer cuáles han sido sus últimos movimientos por las distintas aulas y reaccionar con prontitud ante algún tipo de incidencia Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 2 INDICE DE FIGURAS Figura 1: Plano del Centro de Educación Infantil 5 Figura 2: Componentes del Sistema RFID 11 Figura 3: Ventajas y Desventajas de RFID Activa 13 Figura 4: Comparativa entre Etiquetas Activas y Pasivas 13 Figura 5: Bandas Frecuenciales 16 Figura 6: Espectro Frecuencial 17 Figura 7: Comparación de las Características según la Frecuencia utilizada 18 Figura 8: Arquitectura De Red Del Sistema 20 Figura 9: Posibles Configuraciones del Lector 21 Figura 10: Análisis de Trama de una Conexión Cliente-Servidor 22 Figura 11: Diagrama de Flujo del Sistema 24 Figura 12: Flujo de la Información 25 Figura 13: Menú desplegable para acceder a las 3 áreas 28 Figura 14: Página de Acceso a la herramienta en cada una de las áreas 29 Figura 15: Entrada a la Aplicación 29 Figura 16: Introducir contraseña para acceder a la aplicación 30 Figura 17: Menús del área ‘Dirección’ 30 Figura 18: Menús de las otras dos zonas 31 Figura 19: MAPA (Ver el mapa completo del centro) 31 Figura 20: SEGUIMIENTO (Ver los últimos movimientos de un alumno) 32 Figura 21: Ver los últimos movimientos de un alumno al acceder a ‘SEGUIMIENTO’ desde ‘MAPA’ 32 Figura 22: FICHAS (Acceso al sistema de fichas) 33 Figura 23: Ficha para introducir los datos de un nuevo alumno 33 Figura 24: Buscar datos de un alumno introduciendo su nombre, apellidos o número de pulsera 34 Figura 25: Ver todas las fichas del alumnado del centro 34 Figura 26: Ver datos de un alumno seleccionado en ‘MAPA’. 35 Figura 27: Acceso a Videocámaras 35 Figura 28: Ver lista de asignación de pulseras a alumnos 36 Figura 29: Historial de incidencias 36 Figura 30: Aplicación DEMO 39 Figura 31: Aplicación DEMO parada 39 Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 3 INDICE RESUMEN 1 INDICE DE FIGURAS 2 I. INTRODUCCION 4 1.1.Objetivos y alcance del proyecto 4 1.2.Descripción del edificio y necesidades 4 II. ESTADO DEL ARTE (sistemas de control de errantes) 6 2.1.Antecedentes – Sistemas de localización en tiempo real (RTLS) 6 2.2.Control de errantes mediante WIFI 8 III. ELECCIÓN DE MATERIALES 10 3.1. Introducción 10 3.2. Etiqueta o transpondedor 12 3.3. Lector RFID o transceptor 14 3.4. Controlador 16 3.5. Elección de la Banda frecuencial 16 IV. SOLUCIÓN ADOPTADA: RFID 19 4.1. Justificación de la solución 19 4.1.1. Justificación de la tecnología empleada 19 4.1.2. Justificación del procedimiento empleado 21 4.1.3. Justificación de la implementación 23 4.2. Desarrollo del software 23 4.2.1. Adquisición y tratamiento de los datos recibidos por la antena 24 4.2.2. Creación de las bases de datos 27 4.2.3. Diseño de la aplicación 27 4.3.Validación del Software 36 4.3.1. Pruebas de la Aplicación 36 4.3.2. Pruebas de la Adquisición de los Datos 37 V. CONCLUSIONES 43 ANEXOS ANEXO I: Lista de acrónimos 45 ANEXO II: Presupuesto Final 46 ANEXO III: Comparativa de Presupuestos RFID Y WI-FI 47 ANEXO IV: Hoja de Características de la pulsera y el lector RFID 50 ANEXO V: Configuración en modo TCP Cliente con el programa del CD. 51 ANEXO VI: Características de las Aplicaciones que vienen incluidas en el CD 54 BIBLIOGRAFÍA 59 Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 4 1 INTRODUCCIÓN 1.1 OBJETIVOS Y ALCANCE DEL PROYECTO El asunto que nos trata es la realización de un proyecto que, mediante un sistema de localización en interiores, cubra las necesidades de seguridad y control de un centro de educación infantil. El objeto de este proyecto se puede dividir en dos apartados:  Desarrollar una aplicación de localización en interiores en tiempo real que monitorice los desplazamientos de los alumnos.  Implementar un sistema de alarmas que se encargue de avisar al personal correspondiente del momento exacto en el que un alumno entra a una zona en la que no debería estar o sale del edificio a una hora distinta de la de salida. Para alcanzar estos objetivos la metodología planteada es la siguiente: 1. Análisis de las diferentes tecnologías para la identificación y transmisión de los datos como RFID, WIFI, etc. 2. Análisis del estado del arte de dispositivos de localización basado en la tecnología seleccionada. 3. Diseño de la arquitectura de red para el sistema de localización. 4. Implementación y desarrollo de un software que capture los datos de los dispositivos y efectúe el tratamiento de los mismos. 5. Desarrollo de una aplicación que muestre por pantalla la ubicación de los alumnos en tiempo real, que gestione sus datos personales y que permita al personal autorizado reaccionar con prontitud y eficacia ante una emergencia. 1.2 DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO Y NECESIDADES El recinto es un centro escolar de educación infantil que consta de una planta con una superficie de unos 150 m2. El recinto se distribuye de la siguiente manera:  Un acceso desde el exterior a través de la entrada principal.  5 aulas escolares: - 1 aula de Bebés. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 5 - 1 aula de 1 a 1,5 años. - 1 aula de 1,5 a 2 años. - 2 aulas de 2 a 3 años.  Un Patio exterior, sin acceso desde la calle.  Aseos.  Zona restringida para los alumnos compuesta por la cocina, la despensa y los vestuarios. Figura 1: Plano del Centro de Educación Infantil En esta situación de contemplan las siguientes necesidades:  Controlar el acceso de los alumnos guardando la información de las horas de entrada y de salida.  Conocer la zona en la que se encuentran los menores con precisión suficiente.  Comprobar que el número de estudiantes en cada aula es el adecuado.  Tener un sistema de fichas con los datos de contacto de los tutores en el que se vea con facilidad la existencia de incidencias del tipo baja por enfermedad o alergias.  Un sistema automatizado de alarmas que avisen al personal docente de una situación de emergencia. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 6 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 ANTECEDENTES: Sistemas de localización en tiempo real (RTLS) Los sistemas de localización RTLS (Real Time Location System) constituyen uno de los campos más prometedores en el ámbito de la computación móvil. Son sistemas completamente automáticos que monitorizan con una determinada frecuencia la posición de un elemento móvil. Permiten desarrollar innumerables aplicaciones basadas en el posicionamiento de objetos o personas en tiempo real. Los sistemas de posicionamiento más comunes basados en satélites (GPS o Galileo) o en redes de telefonía móvil son adecuados para entornos exteriores con visión directa, sin embargo, cuando estos sistemas se usan en el interior de edificios, presentan muchos problemas debido a la atenuación de las señales recibidas y los multitrayectos provocados por los fenómenos de reflexión, difracción y dispersión (scattering). El fracaso de los sistemas GPS en la localización dentro de un edificio de manera adecuada ha llevado a la realización a un intenso estudio e investigación durante los últimos años. A continuación se van a mostrar distintos tipos de sistemas de localización y cuáles son las ventajas y desventajas de usarlos para la localización en interiores: 2.1.1 RFID (RadioFrequency Identification) Se utilizan para la localización específica de una persona u objeto usando una etiqueta o tag. Actualmente están muy desarrolladas las aplicaciones que se dedican al control de accesos o a conocer si cierto recurso o persona ha pasado cerca de un lector RFID (normalmente situado en una puerta) Está probada la eficacia de utilizar RFID. Por ejemplo se ha implantado con éxito la utilización de tarjetas que incorporan esta tecnología para validar los viajes en los autobuses y en el tranvía de Zaragoza. No necesita línea de visión directa con la etiqueta (al contrario que los infrarrojos y los ultrasonidos), son más baratos que UWB y más rápidos de leer. Como contrapartida, el alto coste y el nivel de precisión, que no es muy bueno debido al elevado tiempo de latencia que necesitan y su cobertura limitada. Pero esto se puede solucionar utilizando etiquetas activas en vez de pasivas. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 7 2.1.2 Bluetooth Es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 GHz. Su gran ventaja es que existen ya muchos dispositivos que tienen implementada esta tecnología. El radio limitado al que permite comunicarse y la limitación del número máximo de dispositivos simultáneos que puede haber conectados hace que no sea recomendable implementar un sistema RTLS con esta tecnología. 2.1.3 WI-FI Wi-Fi es el estándar para redes inalámbricas más implantado a nivel mundial, siendo el coste reducido de sus dispositivos y sus buenas prestaciones las razones principales de ello. La utilización de Wi-Fi para sistemas RTLS es una opción válida, teniendo como ventaja extra el aprovechamiento de las infraestructuras Wi-Fi existentes. Esto repercute en una reducción significativa de los costes. Presenta muy buen equilibrio entre precisión, costes, nivel de integración y calidad de servicio. 2.1.4 Zigbee Zigbee es una tecnología inalámbrica de corto alcance y bajo consumo basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (Wireless Personal Area Network, WPAN). Se definió como solución inalámbrica de baja capacidad para aplicaciones de redes wireless en el sector industrial que requieran comunicaciones seguras y fiables, con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías 2.1.5 UWB (Ultra Wide Band) UWB es una tecnología en el rango de las PAN (Personal Area Network). Las transmisiones UWB generan pulsos aislados de corta duración que ocupan un amplio rango de frecuencias (gran ancho de banda). Utiliza principalmente la información del retardo temporal como métrica de localización. Esta tecnología ha sido introducida recientemente en sistemas RTLS, logrando incluso mejores precisiones que otras tecnologías. Sin embargo, al no tener un estándar totalmente definido, requerir de tecnología propietaria, su corto alcance y su reducida expansión actual, hace que se convierta en una tecnología no viable para todos los escenarios en que se plantea la instalación de un sistema RTLS. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 8 2.1.6 Infrarrojos (IR). Fue la primera tecnología empleada para el desarrollo de sistemas de localización en interiores. Se trata más bien de sistemas de detección o de proximidad, más que de localización, ya que la posición del elemento etiquetado con el tag de infrarrojos o IR se infiere de la posición fija y conocida de los receptores que lo detectan. La principal limitación de esta alternativa tecnológica es que la radiación IR no atraviesa los cuerpos, dado el rango de frecuencias en el que opera, por lo que se debe realizar un mayor desembolso económico en infraestructuras para asegurar la detección zonal. 2.1.7 UltraSound Son Sistemas basados en la utilización de nodos emisores y receptores de ultrasonidos que utilizan principalmente el tiempo de vuelo entre ondas ultrasónicas como métrica de localización para determinar la localización del usuario. Los ultrasonidos se han convertido en una alternativa dentro del mercado RTLS debido a que proporcionan una alta precisión, pero debido a su baja cobertura y a la necesidad de desarrollar una infraestructura propia con un elevado número de nodos fijos en el entorno, puesto que es necesario garantizar una línea de visión directa entre los dispositivos, sus costes resultan muy elevados. Entre todas estas tecnologías vamos a analizar más detenidamente las dos que consideramos más adecuadas a nuestras necesidades: RFID y WIFI. 2.2 CONTROL DE ERRANTES MEDIANTE WIFI Realizar el proyecto con esta tecnología nos parecía muy buena idea a priori, ya que las redes Wi-Fi cada vez son más comunes en nuestra sociedad, con lo que el coste de implementación se reduce considerablemente. Además sería un proyecto totalmente exportable a cualquier otro tipo de necesidad de localización por ejemplo en universidades, centros comerciales, etc. Por todo ello decidimos ponernos en contacto con las empresas españolas que distribuyen el producto con la idea de adquirir una pulsera y un controlador para poder hacer pruebas en la oficina y basándonos en ellas decidir si era la solución adecuada para nuestro proyecto. El problema que nos surgió fue que unos distribuidores se encargan de hacer un estudio de comunicaciones para cada situación e instalarte todo el sistema. Lo que no nos deja la más mínima opción de realizar nosotros las aplicaciones necesarias para capturar datos ni para visualizarlos. Y otros de los distribuidores nos pedían un precio mucho más caro que para hacer el proyecto con RFID (ver anexo 2). Con lo que las conclusiones que obtuvimos fueron que hacer un sistema de localización en interiores mediante WIFI es mucho más caro que el RFID por dos motivos principales: Es una tecnología que no está tan extendida para este tipo de aplicaciones como RFID y por otro lado debido a que hay muchos menos distribuidores y por lo tanto menos opciones para nosotros. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 15 La unidad de control se encarga de realizar las siguientes funciones: o Codificar y decodificar los datos procedentes de los transpondedores. o Verificar la integridad de los datos y almacenarlos. o Gestionar el acceso al medio: activar las etiquetas, inicializar la sesión, autenticar y autorizar la transmisión, detectar y corregir errores, gestionar el proceso de multilectura (anticolisión), cifrar y descifrar los datos, etc. o Comunicarse con el sistema de información, ejecutando las órdenes recibidas y transmitiéndole la información obtenida de las etiquetas. Una de las funciones más críticas que debe realizar la unidad de control es gestionar el acceso al medio. Cuando se transmite información mediante una tecnología que no requiere contacto físico, existe la posibilidad de que aparezcan interferencias que provoquen cambios indeseados a los datos transmitidos y, en consecuencia, errores durante la transmisión. Para evitar este problema se utilizan procedimientos de comprobación (checksum). Los más comunes son la comprobación de bits de paridad, comprobación de redundancia longitudinal (LRC, Longitudinal Redundancy Check) y comprobación de redundancia cíclica (CRC, Cyclic Redundancy Check). El número de etiquetas que un lector puede identificar en un instante de tiempo depende de la frecuencia de trabajo y del protocolo utilizado. Por ejemplo, en la banda de Alta Frecuencia suele ser de 50 tags por segundo, mientras que en la banda de Ultra Alta Frecuencia puede alcanzar las 200 tags por segundo. LA ANTENA: Es el elemento que habilita la comunicación entre el lector y el transpondedor. Las antenas están disponibles en una gran variedad de formas y tamaños. Su diseño puede llegar a ser crítico, dependiendo del tipo de aplicación para la que se desarrolle. Este diseño puede variar desde pequeños dispositivos de mano hasta grandes antenas independientes. Por ejemplo, las antenas pueden montarse en el marco de puertas de acceso para controlar el personal que pasa, o sobre una cabina de peaje para monitorizar el tráfico que circula. El principal aspecto a considerar a la hora de elegir una antena es el área de cobertura requerido para la aplicación, de modo que sea lo suficientemente grande para detectar las etiquetas, pero lo suficientemente pequeño para evitar lecturas espurias no válidas que pueden afectar y confundir al sistema. A pesar de que las etiquetas pueden leerse en todas las orientaciones, en general el campo generado por la antena del lector tiene una dirección determinada. Este hecho influye especialmente en HF y UHF, pudiendo reducirse la cobertura al 50% o incluso imposibilitando la lectura de la etiqueta. Por ello, resulta conveniente buscar el acoplamiento óptimo entre ambas antenas, y si la orientación de la etiqueta no puede controlarse se debe buscar una compensación mediante un adecuado diseño de la antena. Todos estos aspectos hay que tenerlos en cuenta antes de adquirir el lector, ya que en general todas las antenas RFID se presentan como productos finales, por lo que es necesario analizar Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 16 previamente sus características. Sin embargo, la mayoría son sintonizables de modo que puedan ajustarse a la frecuencia de operación seleccionada para el sistema. Esto las hace susceptibles a multitud de factores externos, como son: o Variaciones RF. o Pérdidas por proximidad de metales. o Variaciones del entorno. o Efectos armónicos. o Interferencias con otras fuentes de RF. o Reflexiones de la señal. o Diafonía (cross-talk). El problema de desintonización de la antena, como consecuencia del efecto de estos factores, puede corregirse mediante la introducción de circuitos dinámicos autosintonizadores, que realimentan continuamente la antena para que ésta esté siempre bien sintonizada. 3.4 CONTROLADOR RFID El controlador es la parte más importante del sistema RFID, se le puede considerar como el ‘cerebro’ del sistema. Es el encargado de recopilar toda la información de las posiciones de las etiquetas que reciben las antenas y de enviarla a una aplicación informática que se encarga de procesarla. Esta es la parte que hemos desarrollado nosotros y que será explicada con más detalle en el apartado 4.2 3.5 ELECCIÓN DE LA BANDA FRECUENCIAL La frecuencia de operación de los sistemas RFID puede realizarse entre 125 kHz. (LF) y 2,45 GHz (microondas), según el tipo de dispositivos que se utilicen. Distinguimos dos bandas frecuenciales: Banda de Baja frecuencia Bandas de Alta frecuencia Low Frequency (LF): 125-134KHz Ultra-High Frequency (UHF):860-960 MHz High Frequency (HF):13,56 MHz Microwave: a partir de 2,45 GHz Figura 5: Bandas Frecuenciales Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 17 Figura 6: Espectro Frecuencial Antes de realizar la elección de la banda frecuencial en la que vamos a trabajar consideramos diversos aspectos:  CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE DATOS. Corresponde a la memoria de la etiqueta, para almacenar códigos o directamente datos.  VELOCIDAD Y TIEMPO DE LECTURA DE DATOS. Es el parámetro que más se ve afectado por la frecuencia. En términos generales, cuanto más alta sea la frecuencia de funcionamiento mayor será la velocidad de transferencia de los datos. Esta circunstancia está estrechamente relacionada con la disponibilidad de ancho de banda en los rangos de frecuencia utilizados para realizar la comunicación. El ancho de banda del canal debe ser al menos dos veces la tasa de bit requerida para la aplicación deseada. Sin embargo, no es aconsejable seleccionar anchos de banda demasiado elevados, ya que el aumento del nivel de ruido recibido es proporcional al ancho de banda, lo que implicará una reducción de la relación señal a ruido. El tiempo de lectura dependerá lógicamente de la velocidad de lectura y de la cantidad de datos que haya que transmitir.  COBERTURA. Además de la frecuencia, la cobertura depende también de la potencia disponible en la etiqueta, de la aportada por la antena del lector y de las condiciones del entorno de la aplicación. El valor real será siempre función de estos parámetros y de la configuración final del sistema. Por este motivo, los valores que se presentan para cada banda, son meramente orientativos. (Se considera una cobertura pequeña los valores inferiores a 1 metro, mientras que las coberturas superiores a 1 metro se consideran altas.)  CARACTERÍSTICAS DE LA ZONA DE LECTURA: orientación de la etiqueta, influencia de los obstáculos, influencia de las interferencias.  COSTES. Es un aspecto importante de la decisión ya que por bueno que sea el proyecto si su coste es inviable, no se realizará nunca. Por eso pedimos presupuestos a los distribuidores y los comparamos hasta decidirnos por el que más nos conviene. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 18  ÁREAS DE APLICACIÓN. Según el área al que va destinado será más conveniente usar un tipo de producto u otro. A la hora de tomar la decisión tenemos que tener en cuenta dónde lo vamos a desarrollar. Figura 7: Comparación de las características según la frecuencia utilizada Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 19 4 SOLUCIÓN ADOPTADA 4.1 JUSTIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN Después de todo este proceso de investigación ya conocemos todas las posibilidades que nos ofrece la tecnología RFID y las ventajas y desventajas que conlleva la utilización de unos componentes u otros. Ahora procedemos a relatar la solución que hemos desarrollado para cumplir los objetivos iniciales. 4.1.1 Justificación de la Tecnología Empleada Vamos a utilizar etiquetas y controladores RFID activos principalmente por 2 motivos: 1.- Necesitamos un rango de lectura de al menos 3 metros en cada habitación y es un rango de lectura demasiado grande como para usar componentes pasivos. 2.- Queremos que el lector sepa en qué momento entran los alumnos en una habitación mientras estos están moviéndose libremente, sin restricciones de tener que acercar la pulsera a ningún dispositivo. Por otro lado también hemos tenido que elegir la frecuencia a la que queremos trabajar. Necesitamos utilizar frecuencias altas porque son las que me proporcionan más distancia de cobertura. La idea inicial era operar a 433 MHz (banda UHF), pero debido a las restricciones que nos imponen los distribuidores del producto, finalmente hemos decidido trabajar a 2,45 GHz (microondas). La arquitectura que hemos diseñado consiste en una red LAN en la que los terminales están conectados mediante una topología en forma de estrella. La principal ventaja de este tipo de red es la fiabilidad, dado que si uno de los segmentos "punto a punto" sufriera una rotura, esto afectaría sólo a los dos nodos en ese eslabón y el resto podrá seguir funcionando. Está formada por un ordenador que actúa como servidor, al que van conectados varios lectores. La antena que hemos adquirido acepta la transmisión de datos tanto por RS232 como por Ethernet (10BASE-T/100BASE-TX, ver hoja de características en el Anexo IV). Por simplicidad hemos decidido utilizar Ethernet, por lo que la comunicación será por el puerto de red en vez de por los puertos COM. Los lectores no pueden conectarse directamente al servidor, sino que necesitamos introducir un HUB que esté entre el ordenador y varios de los lectores. El sistema final queda tal y como muestra la figura siguiente. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 20 Figura 8: Arquitectura De Red Del Sistema Se colocará una antena RFID activa en cada una de las aulas de educación infantil y en todos los puntos de salida de la zona destinada a los menores de 6 años. Así en el caso de que alguno de los alumnos se extravíe, sabremos en el momento por cuál de las salidas está pasando y se avisará al personal del centro. Cada uno de los alumnos llevará una pulsera RFID como la del dibujo. Esta pulsera emite una señal que es recibida por la antena y que nos permite situar a los alumnos en el plano. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 21 4.1.2 Justificación del procedimiento empleado De los presupuestos recibidos elegimos el de menor coste, es decir, el que nos proporcionó la empresa Kimaldi (ver anexo II). Compramos un lector RFID activo ref: SRD245-1N y una pulsera Ref:55Sytag245-TM (ver anexo IV). Al realizar este pedido nos enviaron también un CD con los manuales necesarios para configurar los lectores según nuestras necesidades. Hay tres posibles modos de configuración de los lectores, Real Com Mode (comunicación por el puerto serie (RS232)), TCP Client, TCP Server y UDP. Figura 9: Posibles configuraciones del lector Elegimos usar la configuración cliente TCP. A continuación vamos a describir las principales características del protocolo TCP: • TCP es un protocolo orientado a conexión y fiable. • Los datos de la aplicación son fragmentados en lo que TCP considera que es el mejor tamaño para ser transmitidos. • Cuando TCP envía un segmento, inicia un temporizador, esperando que el otro extremo reconozca la recepción correcta del segmento enviado. Si el reconocimiento no ha sido recibido cuando el temporizador ya ha expirado, el extremo transmisor vuelve a enviar el mismo segmento. • Cuando TCP recibe un segmento de datos, envía un reconocimiento al extremo que lo ha enviado. • TCP incluye un checksum de la cabecera y los datos cuyo propósito es detectar cualquier modificación de los datos en tránsito. Si el checksum recibido es incorrecto, el segmento TCP se descarta silenciosamente y no se reconoce. Se espera que el temporizador del TCP del extremo opuesto expire y se lo vuelva a enviar. Este reconocimiento se denomina ACK (acknowledge). • Dado que los segmentos TCP viajan encapsulados en datagramas IP, y dado que los datagramas IP pueden llegar desordenados, los segmentos TCP pueden llegar desordenados. El Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 22 TCP del extremo receptor reordena, si es necesario, los segmentos recibidos y entrega, a la aplicación, los datos en el orden correcto. • Dado que los datagramas IP pueden llegar duplicados, TCP debe descartar los segmentos TCP duplicados. • TCP también proporciona control de flujo. Los extremos TCP tienen una cantidad finita de espacio de almacenamiento. El extremo TCP receptor indica al extremo TCP emisor cuánto espacio de almacenamiento tiene para los datos recibidos. De esta forma se previene que un ordenador cuyo ritmo de generación de datos es alto pueda superar la capacidad de recibir y procesar datos del ordenador receptor. Para realizar esta configuración utilizamos el programa Network Enabler Administrador que encontramos en el CD de instalación. (Ver anexo V). Hay que poner los valores de tasa de bits que vamos a utilizar (115200 bps), el número de bits, la dirección IP del servidor, el puerto por el que nos vamos a comunicar (4001) y asignarle a cada uno de los lectores una dirección IP adecuada (que esté dentro de nuestra red). Para asegurarnos de que no le asignamos un valor que ya estuviera siendo usado por otro equipo, hemos utilizado el programa NetScan que localiza todas las direcciones IP usadas entre los valores que le damos (en nuestro caso 192.168.1.0 y 192.168.1.255 entre las direcciones de red y de broadcast). Utilizamos el programa Wireshark para ver el intercambio de tramas que se produce entre la antena (TCP Client) y el ordenador (TCP Server). En la figura 10 vemos la comunicación que se establece entre Cliente y Servidor. Figura 10: Análisis de Trama de una Conexión Cliente-Servidor Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 23 4.1.3 Justificación de la implementación El CD de instalación de los lectores RFID nos proporciona tres aplicaciones: ‘XTIVEUTILITY.EXE’, ‘XTIVEDEMO.EXE’ y ‘XTIVE.EXE’ para realizar la captación de los datos emitidos por las pulseras. Para mayor información acerca de estas aplicaciones ver anexo V. Estos programas generan archivos (según de qué programa se trate serán .txt o .csv) con todas las lecturas que ha hecho la antena. En principio nos planteamos usar alguna de estas aplicaciones, pero al querer realizar una gestión de datos en tiempo real era imposible, ya que cuando abres el fichero para leer los datos dejan de escribirse en el las lecturas posteriores. Debido a este problema hemos decidido realizar unas aplicaciones propias que se encarguen de la captura e interpretación de los datos. Esto consigue que nuestro proyecto sea totalmente adaptable a otras guarderías e incluso a otro tipo de edificio, porque podemos modificar las aplicaciones en función de las necesidades específicas de un cliente. 4.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE Ahora que ya tenemos correctamente instalado el lector y hemos comprobado que recibimos la información de la pulsera vamos a realizar el software. Vamos a utilizar para ello Visual Basic, que es un lenguaje orientado a objetos. Para realizar la programación descargamos de la página de microsoft (http://www.microsoft.com/es-es) una versión gratuita: Visual Basic Express Edition 2008. Podemos dividir la programación del software en tres partes: 1- Adquisición y tratamiento de los datos recibidos por la antena.2- Creación de las bases de datos. 3- Creación de una aplicación que contenga los siguientes apartados.  Mapa.  Seguimiento.  Sistema de fichas de los alumnos.  Sistema de alarmas. DIAGRAMA DE FLUJO DE DATOS DE NUESTRO SISTEMA: Lo hemos realizado con el programa Microsoft Visio. Aporta una visión general del proceso de trabajo que se va a seguir. Se distinguen las tres partes que hemos comentado: Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 24 La primera es la captación de los datos que reciben recogen las antenas. Esos datos llegan a un PC configurado como servidor y se generan tres tablas de datos. Los datos de estas tablas los procesa nuestro sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) mostrando por pantalla la información que solicite el usuario Captura Bases Datos Procesamiento Figura 11: Diagrama de Flujo del Sistema 4.2.1 Adquisición y Tratamiento de los datos recibidos por la antena Esta es la parte más importante del proyecto, ya que es fundamental que seamos capaces de capturar los datos enviados por las pulseras e interpretarlos. También es una de las partes que más trabajo ha costado. Los distribuidores del producto nos facilitaron un documento en pdf con las especificaciones del protocolo de comunicaciones que utilizaba la antena. En la tabla siguiente vemos un extracto de los comandos de transmisión y recepción. Command : Host(PC) -> SYRD245 STX[01] + ID1 + {ID2 + ID3 + ID4} + INS + { DATA } + BCC + END[0D] Response : SYRD245 -> Host(PC) STX[02] + ID1 + {ID2 + ID3 + ID4} + INS + { DATA } + BCC + END[0D] Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 31 Figura 18: Menús de las otras dos zonas Figura 19: MAPA (Ver el mapa completo del centro) Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 32 Figura 20: SEGUIMIENTO (Ver los últimos movimientos de un alumno) Figura 21: Ver los últimos movimientos de un alumno al acceder a ‘SEGUIMIENTO desde ‘MAPA’. No se puede seleccionar otro alumno Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 33 Figura 22: FICHAS (Acceso al sistema de fichas) Figura 23: Ficha para introducir los datos de un nuevo alumno Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 34 Figura 24: Buscar datos de un alumno introduciendo su nombre, apellidos o número de pulsera Figura 25: Ver todas las fichas del alumnado del centro Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 35 Figura 26: Ver datos de un alumno seleccionado en ‘MAPA’. No se puede seleccionar otro alumno Figura 27: Acceso a Videocámaras Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 36 Figura 28: Ver lista de asignación de pulseras a alumnos Figura 29: Historial de incidencias 4.3 VALIDACIÓN DEL SOFTWARE Se realizaron una serie de pruebas para comprobar que todas las partes importantes de la aplicación diseñada funcionaban correctamente. Dividimos este análisis en dos partes:  Pruebas de validación de las funciones de la aplicación desarrollada.  Pruebas de la parte de adquisición de datos por parte de la antena e interpretación de los mismos. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 37 4.3.1 Pruebas de la Aplicación La aplicación contiene una gran cantidad de funciones que están pensadas para gestionar o tratar con datos de varios alumnos. Solo poseemos una pulsera y un lector para realizar las pruebas, así que para comprobar que el sistema y todas sus funcionalidades operan correctamente, hemos introducido datos ficticios de varios alumnos y sus movimientos a lo largo del centro escolar. Hicimos varias pruebas, sobre todo desde el área de dirección porque es la que tiene más permisos: - PRUEBA 0: BOTONES Antes que nada, comprobamos que funcionan correctamente los botones principales de la aplicación, es decir que nos llevan a la página que queremos, que los que ponen ‘SALIR’ efectivamente salen de la aplicación, etc. También comprobamos que al cargar las páginas no haya parpadeos molestos que pueden disgustar al cliente por algún mal refresco de la pantalla. - PRUEBA 1: FICHAS Creamos una ficha de una alumna nueva, ‘Sandra’, incluimos todos sus datos y le damos al botón de guardar. Salimos de esta pantalla, vamos a ver todos los datos y comprobamos que los nuevos se han cargado correctamente. Prestamos atención a si se cambian correctamente las fotografías de los alumno ya que esta parte lleva una programación diferente al resto por tratarse de una imagen. Comprobamos que no podemos escribir ningún número de pulsera al azar y que si le damos al botón ‘cargar’ el sistema nos pone automáticamente un número que no está siendo usado por ningún otro alumno. Probamos a modificar alguno de los campos, guardarlo y ver que se cambia en la base de datos. Intentamos eliminar la ficha de un alumno y nos aparece un mensaje emergente preguntándonos si de verdad queremos eliminar esa ficha. Si la eliminamos, aunque le demos al botón ‘Cargar Datos’, esta no vuelve a aparecer porque los datos se han eliminado del sistema. Probamos también a buscar un alumno concreto y los avisos emergentes que nos aparecen si no encuentra coincidencias o encuentra más de una. - PRUEBA 2: MAPA Además de que se cargan todos los datos al entrar en esta página, comprobamos que al pulsar sobre cada una de las aulas los datos se actualizan y muestran solo los que se encuentran ahí en este momento. Probamos que funcionan correctamente los botones de acceso directo a ‘SEGUIMIENTO’ y ‘VER FICHA’ y que solo podemos acceder a los datos del alumno seleccionado en ‘MAPA’ y de ninguno más (esto es importante por privacidad, porque a esta pantalla también se puede acceder desde las otras áreas). Probamos el botón de acceso a videocámara. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 38 - PRUEBA 3: SEGUIMIENTO Primero probamos que busca a un alumno concreto, lo posiciona en el mapa y en la tabla de la derecha nos aparece la información sobre sus últimos movimientos en el recinto. Si pulsamos sobre cada uno de ellos, el muñeco que representa al alumno cambia de posición. Buscamos a una alumna que nosotros mismos hemos dicho que está en un área restringida y comprobamos que nos aparece un mensaje de alarma. También vemos que en la página de ‘ALARMAS’ se ha cargado esta nueva incidencia que hemos forzado. Si accedemos a esta pantalla desde el área ‘PADRES’ comprobamos que no podemos buscar a ningún alumno (solo al que está a nuestro cargo), ese campo permanece en color azul y no es editable. Aquí también probamos el botón de acceso a videocámara - PRUEBA 4: ACCESO A OTRAS ÁREAS Comprobamos que la pantalla y las opciones cambian según el área a la que accedamos. Intentamos acceder sin contraseña y con una contraseña errónea y vemos que no nos deja entrar a la aplicación y a ninguna de sus opciones. Desde el área Profesores vemos que no podemos modificar ni añadir fichas de alumnos, solo podemos verlas si accedemos desde seguimiento. Desde el área Padres solo tenemos acceso a los datos de 1 alumno y en ningún caso podemos buscar otro ni acceder a más información. 4.3.2 Pruebas de Adquisición de los Datos Para comprobar que la parte de adquisición de datos funciona hemos creado una pequeña aplicación que se llama DEMO donde solo utilizamos la pulsera y la antena que hemos comprado. Así pues solo detectaremos si la persona que lleva la pulsera está dentro o fuera de la habitación. En la aplicación aparece un mapa simplificado de la guardería (por ser este el objetivo del proyecto) donde aparecerá una foto del alumno, dentro del recinto o fuera según el sujeto de las pruebas esté o no en la sala. También hay unas casillas (Inside y Outside) en la que se escribirá el nombre del alumno según su posición. Cuando se para el proceso de localización de pulseras aparece la opción de ver la ficha del alumno que está haciendo la demostración con la idea de que esta mini aplicación sea una muestra de lo que se puede conseguir con la aplicación inicial. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 39 Figura 30: Aplicación DEMO Figura 31: Aplicación DEMO parada La mayor parte de las pruebas se han realizado dentro de la misma empresa, A&T Ingeniería de telecomunicaciones. Hemos representado gráficamente los resultados de varias situaciones, en las que básicamente se entra o sale de la sala donde está situada la antena con la pulsera puesta en la muñeca, simulando un uso real del sistema. Implementación y Desarrollo de un sistema de localización en interiores mediante RFID 40 - PRUEBA 1: En esta prueba el sujeto en el inicio está dentro de la sala, después sale y vuelve a entrar. La linea roja representa el valor que distingue si el portador de la pulsera está o no en la habitación y las líneas negras los instantes en los que el sujeto sale de la habitacion. - PRUEBA 2