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SISTEMA DIDÁCTICO PARA PRÁCTICAS DE TELEMETRÍA
Esteban Rubio Ochoa, Sergio González Duarte, Jorge Antonio Cardona Soto,
Carlos Omar Seáñez Hernández y Jessica Hieraldin Aguirre Fernández
Departamento de Mecatrónica y Energías Renovables
Universidad Tecnológica de Chihuahua
Av. Montes Americanos 9501
Chihuahua, Chih., C.P. 31216
{erubio, sgonzalez, jcardona, cseanez}@utch.edu.mx
Resumen: El campo de la telemetría nace de la necesidad de transmitir información desde
un lugar a otro, principalmente por la incapacidad de poder tomar mediciones o monitorear
variables físicas directamente del sistema, así que el objetivo primario de la telemetría es
transmitir información entre locaciones remotas de manera precisa. De acuerdo a literatura
reportada, un sistema de telemetría puede ser dividido en dos grandes sub-sistemas
funcionales: El sub-sistema de transmisión y el de recepción.
Este trabajo presenta la realización de un sistema de transmisión y recepción de datos
para prácticas de telemetría. El sistema propuesto se basa en que de manera remota se
calcule la velocidad de un motor eléctrico, para después ser transmitida de manera
inalámbrica vía un módulo de transmisión Xbee S1. Una vez recibida esta información, es
analizada y desplegada en una interfaz de usuario desarrollada en el software LabView.
Se presentan los resultados del cálculo y transmisión-recepción de datos con diferentes
valores de las variables involucradas en este proceso. Se expone cómo se ha creado la
plataforma para la adquisición, transmisión inalámbrica y análisis de datos obtenidos de un
tacómetro, dando paso a la adecuación para la medición de diversas variables, así como
trabajo futuro para el control de variables desde una locación remota.
Palabras clave: Telemetría, Didáctico, Inalámbrico.
1. INTRODUCCIÓN
El propósito de este artículo es la documentación y divulgación del trabajo realizado para la
construcción un sistema de transmisión y recepción de datos vía remota para la práctica de
telemetría en sistemas embebidos. Nuestra hipótesis inicial indica que el desarrollo de un
equipo didáctico de telemetría presentará al alumno una oportunidad de integrar
transversalmente las diferentes áreas académicas que componen el programa de Ingeniería
Mecatrónica de la Universidad Tecnológica de Chihuahua y lo enfrentará a problemas
cercanos al ámbito laboral.
El uso de la telemetría se extiende a una amplia gama de aplicaciones como la militar
(Council, 2006), para recuperar datos acerca el estado y ubicación de satélites (Crowley,
1997), así como en la rama de la biomédica (RamRakhyani & Lazzi, 2013), (Jack-Soh, Van
den Berg, & Hantao, 2013). Así mismo, (Cocco & Daponte, 2008) revisan los aspectos más
importantes más importantes en la telemetría de un automóvil de la Fórmula 1. Así la
consulta de literatura corrobora a la telemetría como una línea de investigación vigente.
2. SISTEMA DE TELEMETRIA
De acuerdo a (Council, 2006), un sistema de telemetría puede ser dividido en dos grandes
sub-sistemas funcionales: El sub-sistema de transmisión y el de recepción. Dado que cada
uno de estos dos sub-sistemas cuenta con una serie de elementos que pueden afectar la
calidad de la información transmitida (transductores, acondicionadores de señal,
procesadores de señales, antenas, etc.), ha sido necesario tener el entendimiento de la
funcionalidad de cada uno de los elementos, así como las características principales que
aseguren una transmisión de datos confiable. En la figura 1 se muestra el diagrama a
bloques del sistema telemétrico implementado.
Figura 1. Sistema de telemetría.
En la primera fase de desarrollo para este sistema se propone la aplicación de la
medición de las revoluciones de un motor eléctrico a través de un tacómetro de efecto Hall.
Un sensor de efecto Hall se sirve del efecto Hall para que, por medio de la detección de un
campo magnético se pueda determinar la posición de un objeto de interés.
2.1 Sub-sistema de transmisión de datos
De manera remota se localiza un motor eléctrico, el cual mediante un sensor de efecto Hall y
una etapa de acondicionamiento basado en comparadores, transmite un tren de pulsos
proporcional a la velocidad del motor eléctrico.
La etapa de adquisición de datos se lleva a cabo mediante un sistema basado en micro
controlador PIC 16F887. La transmisión inalámbrica se implementa por medio del módulo
de transmisión RF IEEE 802.15.4 Xbee S1 con rango de transmisión de hasta 100m en
interiores y hasta 300m en exteriores a línea de vista. En la figura 2 se muestra el diagrama
eléctrico implementado para la transmisión de datos de manera inalámbrica. En la sección
izquierda del diagrama se tiene la etapa de sensado, en el cual, se coloca un pequeño imán
en disco rotatorio del motor eléctrico, cerca de él, se posiciona el sensor de efecto Hall, de
modo que pueda percibir el campo magnético producido por el imán que se encuentra
girando con una velocidad angular dada. La señal intermitente producida por el sensor de
efecto Hall es constantemente comparada con un valor de referencia ajustado en el
amplificador operacional comparador, de manera que ésta señal es acondicionada a un tren
de pulsos de nivel TTL directamente proporcional a la velocidad angular de la flecha del
motor eléctrico e introducido al micro controlador.
Figura 2. Diagrama eléctrico sistema de transmisión de datos.
Una vez adquirido el tren de pulsos por el micro controlador, éste realiza un conteo de
pulsos equivalente a las revoluciones generadas en un lapso de tiempo dado. La manera de
Figura 2. Diagrama eléctrico sistema de transmisión de datos.
obtener las revoluciones
por minuto del motor eléctrico está dada por la siguiente fórmula:
!"
𝑉! = 60 !
!
(1)
Donde 𝑉! es la velocidad calculada del motor eléctrico, dada en revoluciones por minuto,
𝐶𝑅 es el conteo de revoluciones en el micro controlador y 𝑇! es el tiempo de muestreo o
intervalo de tiempo entre cálculos de velocidad. Una vez obtenidos los cálculos de velocidad
por parte del micro controlador, se envía de manera serial una cadena de caracteres con la
información de la velocidad obtenida para ese lapso de tiempo, enviándola de manera
inalámbrica por medio del módulo de transmisión XBEE S1.
2.2 Sub-sistema de recepción de datos
Para la recepción de información, se cuenta con una tarjeta de comunicación USB adaptada
al receptor XBEE S1, la cual se comunica a una interface de usuario desarrollada en
LabView para la visualización y análisis de información. En la figura 3 se muestra la interfaz
de usuario desarrollada para la realización de este trabajo, donde, el usuario es capaz
observar la velocidad instantánea del motor eléctrico mediante un indicador numérico
desplazamiento, así como la gráfica del historial de datos tomados en los últimos 60
muestreos. El número de datos a desplegar en la gráfica de historial es configurable por el
usuario.
Figura 3. Panel frontal de estación de monitoreo.
3. RESULTADOS
Esta sección presenta los resultados obtenidos tanto en el cálculo de la velocidad el motor
eléctrico, como las implicaciones de envío de datos inalámbricamente a diferentes distancias
y condiciones. En el cálculo de velocidad del motor eléctrico, se realiza la comparación con
un tacómetro óptico comercial modelo DT-2234C, cuyas lecturas se consideran el valor real
para la realización de los experimentos reportados en esta sección.
En la tabla número 1 se muestran los resultados de las velocidades calculadas por el
micro controlador a una distancia de transmisión inalámbrica constante 𝐷! = 2𝑚, a diferentes
velocidades de referencia 𝑉! , en diferentes intervalos de muestreo 𝑇! y con un número
constante de muestras 𝑠 = 30.
Tabla 1. Cálculo de velocidades a distancia de transmisión constante.
𝑉!
900 R.P.M.
1100 R.P.M.
1500 R.P.M.
𝐷! = 2𝑚
Velocidad calculada 𝑉!
𝑇! = 500 𝑚𝑠
𝑇! = 1 𝑠
𝜇 = 867
𝜎 = 42.06
𝜇 = 871
𝜎 = 33.33
𝜇 = 1022
𝜎 = 38.54
𝜇 = 1041
𝜎 = 34.14
𝜇 = 1298
𝜎 = 37.19
𝜇 = 1392
𝜎 = 36.52
𝑇! = 2 𝑠
𝜇 = 879
𝜎 = 24.21
𝜇 = 1057
𝜎 = 29.48
𝜇 = 1397
𝜎 = 35.64
2000 R.P.M.
𝜇 = 1797
𝜇 = 1915
𝜎 = 47.78
𝜇 = 1808
𝜎 = 45.05
𝜎 = 42.42
Las 30 lecturas tomadas para cada una de las velocidades de referencia y tiempos de
muestreo ajustan a una distribución normal de media aritmética 𝜇 y desviación estándar 𝜎.
En la tabla 1 se pueden observar las implicaciones de la velocidad del motor y el tiempo de
muestreo sobre la velocidad calculada. Se observa que entre más baja sea la velocidad del
motor y más alto el tiempo de muestreo las distribuciones de datos se asemejan más al valor
de referencia obtenido con el tacómetro óptico, por otra parte, entre mayor sea la velocidad
del motor eléctrico y menor el tiempo de muestreo, la distribución de datos aparece más
dispersa y alejada del valor de referencia.
En la tabla 2 se muestra la tabla con las lecturas a velocidad de referencia constante
𝑉! = 1000 𝑅. 𝑃. 𝑀., para diferentes tiempos de muestreo y diferentes distancias de
transmisión 𝐷! en interiores.
Tabla 2. Cálculo de velocidades a velocidad de referencia constante.
5 m
15 m
30 m
40 m
𝐷!
𝑉! = 1000 𝑅. 𝑃. 𝑀.
Velocidad calculada 𝑉!
𝑇! = 500 𝑚𝑠
𝑇! = 1 𝑠
𝜇 = 938
𝜎 = 41.73
𝜇 = 943
𝜎 = 31.86
𝜇 = 945
𝜎 = 36.94
𝜇 = 929
𝜎 = 37.94
𝜇 = 821
𝜎 = 329.60
𝜇 = 805
𝜎 = 323.332
𝑇! = 2 𝑠
𝜇 = 946
𝜎 = 27.92
𝜇 = 952
𝜎 = 28.85
𝜇 = 829
𝜎 = 332.68
𝜇 = 729
𝜇 = 734
𝜎 = 410.37
𝜇 = 719
𝜎 = 399.88
𝜎 = 413.54
En los resultados mostrados en la tabla 2 se muestra que la velocidad calculada 𝑉! que
posteriormente será mostrada en la interface de usuario se muestra consistente con los
resultados mostrados en la tabla 1 en distancias menores a 30 m, que es la distancia
máxima provista por el fabricante de los módulos de transmisión y recepción inalámbrica
XBEE. Se observa que para distancias menores a 30 m, la cercanía del valor calculado y el
valor de referencia no dista de manera considerable. La dispersión de datos se hace
manifiesta en distancias iguales o mayores a 30 m, donde, el valor de la media aritmética se
aleja considerablemente del valor de referencia, y la desviación estándar aparece se aleja
grandemente de los valores de desviación estándar para otras condiciones, donde la
distancia de transmisión está dentro del rango de transmisión provisto por el fabricante.
Obtenidos estos últimos resultados, se realizó el análisis de datos para determinar la
causa del alejamiento de la media y desviación estándar de los conjuntos de datos para
distancias iguales o mayores de la distancia máxima de transmisión, encontrando varios
valores cero, debidos a pérdida de datos en el proceso de transmisión-recepción
inalámbrica. Para eliminar el peso que proporcionan estos valores cero a la distribución de
valores en una distribución normal, se les realizó un filtrado de mediana con una ventana de
5 datos, obteniendo así los datos de la tabla 3, que se obtienen de filtrar los conjuntos de
datos de la tabla 2.
Mediante el filtrado de mediana a los conjuntos de datos mayores o igual a la distancia
máxima de transmisión se ha logrado el forzamiento a una tendencia central a condiciones
constantes, sin importar si la distancia de transmisión está dentro o fuera de la distancia
máxima provista por el fabricante, para esto, claro, se ha de asegurar la transmisión
adecuada de un porcentaje significativo de datos.
Tabla 3. Cálculo de velocidades a velocidad de referencia constante.
5 m
15 m
30 m
40 m
𝐷!
𝑉! = 1000 𝑅. 𝑃. 𝑀.
Velocidad calculada 𝑉!
𝑇! = 500 𝑚𝑠
𝑇! = 1 𝑠
𝜇 = 938
𝜎 = 41.73
𝜇 = 943
𝜎 = 31.86
𝜇 = 945
𝜎 = 36.94
𝜇 = 929
𝜎 = 37.94
𝜇 = 929
𝜎 = 43.81
𝜇 = 952
𝜎 = 35.56
𝑇! = 2 𝑠
𝜇 = 970
𝜎 = 27.92
𝜇 = 952
𝜎 = 28.85
𝜇 = 967
𝜎 = 27.76
𝜇 = 942
𝜇 = 949
𝜎 = 33.50
𝜇 = 943
𝜎 = 25.51
𝜎 = 37.30
4. CONCLUSIONES
Se concluye exitosamente la etapa inicial del proyecto donde se pretende que alumnos de la
Universidad Tecnológica de Chihuahua puedan reforzar las competencias adquiridas a lo
largo de su formación profesional mediante un sistema didáctico de telemetría.
Hasta este punto se ha logrado crear la plataforma para la adquisición, transmisión
inalámbrica y análisis de datos obtenidos de un tacómetro, dando paso a la adecuación para
la medición de diversas variables, así como trabajo futuro para el control de variables desde
una locación remota.
Los resultados expuestos en este trabajo muestran de qué forma influyen las diversas
variables involucradas en este proyecto a la adecuada transmisión, recepción, análisis y
despliegue de datos provenientes del sistema propuesto. Las condiciones más adecuadas
para el cálculo, transmisión, recepción y despliegue de datos, son:
o Distancias de transmisión dentro de los rangos provistos por el fabricante de los
módulos inalámbricos
o Bajas velocidades del motor eléctrico
o Tiempo de muestreo lo más prolongado posible
Sin embargo estas condiciones no serán siempre posibles por las implicaciones directas
que conllevan. Por ejemplo, un tiempo prolongado de muestreo tendría como consecuencia
un sistema lento cuando se proyecte a su etapa de control de variables físicas, mientras que
la baja velocidad del motor acotaría el funcionamiento del sistema. De manera adicional,
técnicas de filtrado como el utilizado para distancias de transmisión fuera de los límites
adecuados, lleva consigo un tiempo de análisis de datos mayor, lo que provocaría un
sistema de control lento.
5. REFERENCIAS
1. Cocco, L., & Daponte, P. (2008). Metrology and Formula One Car. IEEE Instrumentation
and Measurement Technology Conference (págs. 755-760). Vancouver Island, BC,
Canada: IEEE.
2. Council, R. C. (2006). Telemetry Applications Handbook. New Mexico, USA: Telemetry
Group U.S. Army White Sands Missile Range.
3. Crowley, N. (1997). Analysis of Telemetry Satellite Data. IEEE Aerospace Conference
(págs. 57-67). Aspen, CO, USA: IEEE.
4. Jack-Soh, P., Van den Berg, B., & Hantao, X. (2013). A Smart Wearable Textile Array
System for Biomedical Telemetry Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques , 1-9.
5. Pohl, A., Steindl, R., & Leonhard, R. (1999). "The Inteligent Tire" Utilizing Passive SAW
Sensors - Measurement of Tire Friction. IEEE Transactions on Instrumentation and
Measurement , 1041-1046.
6. RamRakhyani, A., & Lazzi, G. (2013). On the Design of Efficient Multi-Coil Telemetry
System for Biomedical Implants. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems
, 11-23.