Almacenamiento masivo de datos de posicionamiento GPS en un
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1. Almacenamiento masivo de datos de posicionamiento GPS en un Pen Driver para su posterior utilizaci n con mapas de trayectoria compatibles con Google Earth 2 3 Erwin Segura Espinoza Gonzalo Mor n Tumbaco Carlos Valdivieso Facultad de Ingenier a en Electricidad y Computaci n O Escuela Superior Polit cnica del Litoral ESPOLD 9 Campus Gustavo Galindo Km 30 5 V a Perimetral Apartado 09 01 5863 Guayaquil Ecuador 4 erwin_seguraO hotmail com gemorantC hotmail com cvaldivOfiec espol edu ec Resumen El proyecto consiste en el dise o e implementaci n de un sistema que registra informaci n de un receptor GPS en una unidad flash USB con sistema de archivos FAT usando un microcontrolador Para la implementaci n se ha utilizado un m dulo receptor GPS con interfaz serial una unidad Flash USB para el almacenamiento masivo de la informaci n una pantalla LCD y botoneras para interacci n con el usuario el microcontrolador AT90USB1287 que tiene la funcionalidad USB On the go permitiendo manejar la unidad flash USB as como un m dulo de poder que realiza las conversiones de niveles de voltaje necesarios para el funcionamiento del sistema El usuario puede configurar el formato de almacenamiento de los datos de posici n ya sea en texto plano donde las tramas NMEA se almacenan directamente en un archivo o en el formato de archivo GPX para lo cual se procesan las tramas y se registran seg n el formato2. n de grabar activa el proceso de grabaci n y tambi n que se muestre otra pantalla donde se da la opci n de parar la grabaci n La opci n de configurar permite al usuario cambiar el formato de grabaci n de los datos en el archivo aqu hay dos opciones que son TXT donde las tramas de datos que se reciben por el puerto serial son ntegramente guardadas en el archivo y la segunda opci n GPX donde los datos son grabados con el formato de archivo GPX y luego se manejan 3 etapas Inicio de grabaci n parar grabaci n y registro de informaci n En la etapa de inicio de grabaci n se verifica por la variable OrdenLog y tambi n que el sistema no est en modo dispositivo Luego de esto se observa si ya se ha estado grabando por medio de la variable LogRunning si no ha estado grabando se ejecutan procesos de inicio de la grabaci n que son inicializar el sistema de archivos de la memoria disponible apagar el LED indicador que muestra que se est grabando y la creaci n si no existe de la carpeta donde se almacenaran los archivos de registroy de all la creaci n y apertura para grabaci n del archivo donde se van registrar los datos Al terminar cada rutina de inicializaci n de uso de la memoria se manda a activar la variable LogRunmning que luego es verificada si esta activa para continuar el proceso Cuando se revisa el estado de LogRumning se vuelve a encender el LEDO Si no se enciende LED2 que es el indicador de Error en l
3. Microcontrolador de 8 bits Memoria Flash de programa 128 KB RAM de 8KB Memoria Flash de datos EEPROM 4 KB USB 2 0 Dispositivo y M dulo On The Go 01 puerto USART programable Modos de ahorro de energ a En el proyecto se ha utilizado la tarjeta de desarrollo ATO90USBKEY que ofrece las funcionalidades de botoneras LEDs indicadores y conector ya implementado para el puerto USB FIGURA 3 1 Modulo AT9OUSBKEY 3 3 Unidad Flash USB El registro de la informaci n se lo realiza en un dispositivo de almacenamiento masivo con interfaz USB Este debe tener el formato de archivos FAT pudiendo ser FAT12 FAT16 o FAT32 4 Herramientas de Dise o 4 1 AVRO Studio Es el ambiente de desarrollo provisto por Atmel para el desarrollo de aplicaciones para sus microcontroladores permite la utilizaci n de herramientas de terceros para capacidades m s avanzadas como por ejemplo Win AVR M 4 2 Win AVRYM Es un conjunto de aplicaciones que se integran al AVR Studio ofreciendo avr gcc Compilador GNU GCC para C y C para AVR avr libc Librarias C Standard para AVR avrdude Programador avr gdb Depurador GNU AVR avarice ICE In circuit Emulator simulavr Simulador 4 3 AVR JTAGICE mkii Es una herramienta de rango medio que permite la programaci n del microcontrolador as como la depuraci n del c digo Por medio de la interfaz JTAG se programa al microcontrolador facilitando el desarrollo sobre la placa de circ
4. buf_pos uart_get_byte ProcesarNMEA 1 Figura 5 5 Manejo de interrupci n Rx Los datos de posici n que env a el receptor GPS son capturados por el manejo de la interrupci n en el receptor del UART del microcontrolador el car cter que llega se almacena en una memoria temporal y otra en funci n del formato de registro seleccionado por el usuario 6 Funcionamiento del proyecto 6 1 Diagrama esquem tico Se muestra en el diagrama de la figura 6 1 las conexiones del microcontrolador con el puerto USB la pantalla LCD la palanca de mando o joystick y el puerto de programaci n y depuraci n JTAG En el diagrama de la figura 6 2 se observa las conexiones al m dulo del receptor GPS la conversi n de voltajes para habilitar puerto serial RS232 y TTL que permitir n al equipo adem s de registrar la informaci n ofrecer un puerto con datos desde el GPS ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA CICYT LCD uma fessi ur POMOCIGOLAN TO IO REDADO ne iS A t mo O KA PO N AA PALO PODA PALALA mon maang mm PAJA PARA Pr MARCA mur PUC c20 MON a M le POMORCE PETRA PACA POCA ATA PORC POCAS mao POCO wa PODACI MAD PARANA PEA a LOS was PALIO Low Pca PIDOT LDE Peman UoN PAI DOCK wot os O PESA OCT D vos O PRA AOCIA gt ue OQ PH MAI o UAP m any was c ANOT dt TOLED 206 AO gl Figura 6 2 Esquem tico conexiones 6 2 Resulta
5. Conclusiones l Se cumpli con el objetivo de almacenar la informaci n obtenida del receptor GPS en el USB Flash Drive utilizando la tarjeta de desarrollo ATOOUSBKEY y principalmente el microcontrolador AT90USB1287 mostrando informaci n al usuario en la pantalla LCD 2 El desarrollo de la aplicaci n en lenguaje de programaci n de alto nivel como es C permiti la f cil migraci n de rutinas de un compilador a otro adem s de un menor tiempo necesario para el aprendizaje del manejo de otro compilador en el mismo lenguaje 3 Al utilizar tarjetas de desarrollo se acort el tiempo de prueba del prototipo ya que traen incorporadas ciertas herramientas como en el caso de la tarjeta AT9OUSBKEY que contiene al microcontrolador principal AT90USB1287 y viene con un joystick 5 botoneras 4 LED memoria Flash SPI 16MB 1 sensor de Temperatura y bot n de RESET 4 Los microcontroladores han evolucionado y cada vez realizan tareas de mayor complejidad que antes se las realizaba solamente con computadoras en este proyecto ya no se necesita una computadora para acceder a una Unidad USB Flash con sistema de archivos FAT12 FAT16 o FAT32 Recomendaciones 1 Verificar que las entradas y salidas del m dulo de GPS sea compatible con el voltaje de operaci n de la tarjeta ATOOUSBKEY esto es 3 3 V 2 Siempre antes de poner a funcionar un equipo debe de leerse el manual de usuario para evitar da os en equipos o personal Cu
6. a grabaci n Se continua con una etapa de parado de grabaci n donde se eval a si se ha desactivado la variable OrdenLog o si se ha conectado como dispositivo el aparato si una de estas opciones ocurre se verifica si a n est activa la variable LogRumning de estar activa LogRunning se ejecuta el proceso de parado de la grabaci n que es grabar los ltimos datos del buffer al memoria no vol til de all cerrar el archivo donde se est registrando la informaci n y por ltimo descargar el sistema de archivos Finalmente est la etapa de grabaci n aqu se hace un destello del LEDO para indicar al usuario que se est grabando en la memoria Se pregunta por la variable ProcesarNMEA que es activada por otro proceso que se explica m s adelante Esta variable indica la orden de ejecutar el procesamiento de la trama que se encuentra en el buffer del puerto serial esto para ponerlo en el formato de archivo GPX ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA Datalogging_task Led2 Off Init Fat Datalogging_start LedO0 ON Datalog stop LogRunning 0 CloseFAT LedO OFF LedO_Toggle ProcesaSenten Si ProcesarNMEA canes LogRunning LogfilWRSect LogSTOP No CloseFAT LED2 ON LEDO OFF Q No LogRunning Si Figura 5 4 Algoritmo datalogging_task y T PASO Uart_rx_ready buf buf_pos uart_get_byte serbuf
7. ando se utilice tarjetas de desarrollo debe verificarse la compatibilidad de sta con los otros circuitos que se vaya a interconectar en el sistema Una diferencia de voltajes de funcionamiento puede conllevar a la destrucci n de alg n elemento Implementar m s proyectos en esta rea que permiten al humano tener datos de posici n que pueden ser utilizados en la automatizaci n de procesos Continuar con la evoluci n de estos proyectos puesto que al ser prototipos se pueden agregar m s funciones que pueden implementarse en los siguientes cursos Una opci n de mejora puede ser el utilizar un protocolo de comunicaci n binario que son m s compactos que el NMEA Otro proyecto que podr a implementarse es complementar los datos de GPS a los de aceler metros para estimar la posici n de un veh culo con receptor GPS cuando se pierde se al de sat lites Continuar con la integraci n de estos proyectos para generar sistemas m s complejos como podr a ser utilizar el equipo que se ha implementado para registrar rutas y que estos datos sean utilizados para controlar a un veh culo para que siga la ruta verificando cada cierto tiempo su posici n actual detectada por GPS y aceler metros contra la ruta grabada Referencias 1 2 3 4 Ariel Palazzesi Historia del GPS C mo el mundo dej de perderse http www neoteo com historia del gps como el mundo dejo de perderse neo Fecha de consulta 20 de sept
8. dos A continuaci n se muestra contenido de un archivo de registro de datos de posici n en el formato GPX obtenidos con el prototipo del proyecto lt xml version 1 0 standalone no gt lt gpx xmlns http www topografix com GPX 1 1 creator version 1 1 xmlns xsi http ww w3 org 2001 XMLSchem a instance xsi schemaLocation http www topografix com GPX 1 1 http www topografix com GPX 1 1 gpx xsd gt lt trk gt lt name gt LOG 2010 11 30 lt name gt lt trkseg gt encoding UTF 8 CEPA lt trkpt lat 02 2039198 lon 079 9420183 gt lt ele gt 0 0 lt ele gt lt time gt 2010 11 30T101 00 57Z lt time gt lt trkpt gt lt trkpt lat 02 2039486 lon 079 9419245 gt lt ele gt 0 0 lt ele gt lt time gt 2010 11 30T101 00 58Z lt time gt lt trkpt gt lt trkpt lat 02 2027390 lon 079 9364496 gt lt ele gt 0 0 lt ele gt lt time gt 2010 11 30T101 52 14Z lt time gt lt trkpt gt lt trkseg gt lt trk gt lt gpx gt En la figura 6 3 se muestra una visualizaci n de datos obtenidos e importados en Google Earth e daa HHT HI Der u t6 ii a look Figura 6 3 Visualizaci n de datos en Google Earth 7 Tarjeta electr nica En las figuras 7 1 y 7 2 se muestra el equipo ya implementado se observan los componentes modulares instalados en la placa principal Figura 7 1 Vista Frontal del circuito Figura 7 2 Vista posterior del circuito
9. gton WinAVR 20 Christian Cercado Suarez y Victor Touriz Plua http winavr sourceforge net Fecha de Datalogger compacto con tiempo real para consulta 23 de Septiembre de 2010 almacenaje de grandes cantidades de informaci n provenientes de sensores externos 15 Atmel Corporation AVR JTAGICE mklI en una memoria USB con capacidad de http www atmel com dyn resources prod_doc comunicaci n serial Fuente de energ a 4 pilas uments doc2489 pdf Fecha de consulta 24 de recargables AA Facultad de Ingenier a en septiembre de 2010 Electricidad y Computaci n ESPOL 2010 16 Traco Electronic AG TMR 3 WI Series 21 Martin Avil s Avil s y Juan Baja a Guti rrez Application Note Aplicaci n de M dulo Receptor de GPS para el http www tracopower com products tmr3wi posicionamiento de robots manejados a control application pdf Fecha de consulta 24 de remoto con capacidad de comunicaci n serial a septiembre de 2010 Datalogger e Interfaz Gr fica Facultad de Ingenier a en Electricidad y Computaci n ESPOL 17 National Semiconductor Regulador de Voltaje 2010 LM2576ADJ http www national com ds LM LM2576 padf Fecha de consulta 24 de septiembre de 2010
10. iembre de 2010 USB Implementers Forum Inc Universal Serial Bus Mass Storage Class Control Bulk Interrupt CBI Transport http www usb org developers devclass docs u sb msc cbi 1 1 pdf Fecha de consulta 22 de septiembre de 2010 USB Implementers Forum Inc USB On The Go and Embedded Host http www usb org developers onthego Fecha de consulta 22 de septiembre de 2010 USB Implementers Forum Inc Universal Serial Bus Mass Storage Class Bulk Only Transport http www usb ore developers devclass docs u ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA C e y T 5 6 7 8 9 sbmassbulk 10 pdf Fecha de consulta 22 de septiembre de 2010 u blox AG ANTARIS 4 GPS Modules System Integration Manual SIM incl Reference Design http www u blox com images downloads Product Docs ANT ARIS4 Modules SIM 28GPS G4 MS4 05007 29 pdf Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 u blox AG ANTARIS Protocol Specification GPS G3 X 03002 http www u blox com images downloads Product Docs ANT ARIS Protocol Specification 28GPS G3 X 03002 29 zip Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 u blox AG GPS u Blox RCB 4H http www alphamicro net resources u blox RCB 4H_ Data Sheet GPS G4 MS4 06034 pdf Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 Atmel Corporation Atmel Products AVR Solutions ATOOQUSBKEY http www atmel com dyn pr
11. indicado Tambi n se puede elegir el per odo de grabaci n de los datos Google Earth 5 2 tiene la funcionalidad de importaci n de archivos en formato GPX por lo cual el registro de posiciones se puede visualizar en una computadora personal inmediatamente finalizada la grabaci n Palabras claves GPS MSD USB Unidad flash USB FAT GPX Google Earth Abstract The project involves the design and implementation of a system that records information from a GPS receiver into a USB flash drive with FAT file system using a microcontroller For the implementation it was used a GPS receiver module with serial interface a USB flash drive for mass storage of information LCD screen and keypads for user interaction the microcontroller AT90USB1287 that has the functionality USB on the go to handle the USB flash drive and a power module that performs the conversion of voltage levels required to operate the system The user can configure the format for data storage either in plain text where the NMEA frames are stored in a file or in the GPX file format for which the frames are processed and recorded in the format indicated The user can also choose the period for recording data Google Earth 5 2 has the functionality to import GPX files so recording positions can be viewed on a PC once the recording has finished Keywords GPS MSD USB USB Flash Drive FAT GPX Google Earth aplicaci n de uso del sistema GPS Los datos de 1 Introducci n p
12. oducts tools card asp tool id 3879 Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 Atmel Corporation ATOODUSBKEY Hardware User Guide http www atmel com dyn resources prod doc uments doc7627 pdf Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 10 Atmel Corporation 8 bit AVR Microcontroller with 64 128K Bytes of ISP Flash and USB Controller AT9I0USB646 AT90USB647 AT90USB1286 AT90USB1287 http www atmel com dyn resources prod doc uments doc7593 pdf Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 11 Atmel Corporation AVR287 USB Host HID and Mass Storage Demonstration www atmel com dyn resources prod document s doc8229 pdf Fecha de consulta 23 de septiembre de 2010 12 Atmel Corporation AVR115 Data Logging with Atmel File System on ATmega32U4 www atmel com dyn resources prod document VISOR A w 2 gt VISOR ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA C 3 y T s doc8202 pdf Fecha de consulta 23 de 18 TopoGrafix GPX the GPS Exchange Format septiembre de 2010 http www topografix com gpx asp Fecha de consulta 04 de octubre de 2010 13 Atmel Corporation Atmel Products AVR Solutions AVR Studio 4 19 Wikimedia Foundation GPS eXchange Format http www atmel com avrstudio Fecha de http en wikipedia org wiki GPS eXchange For consulta 23 de septiembre de 2010 mat Fecha de consulta 04 de octubre de 2010 14 Eric Weddin
13. osici n que proporciona un m dulo receptor GPS son almacenados en un archivo de una unidad flash USB El Sistema de Posicionamiento Global GPS es una tecnolog a que se utiliza para la orientaci n y el rastreo de bienes o personas En este proyecto se implementa una Al grabar los datos en formato GPX pueden ser importados en Google Earth para su visualizaci n ENS gt POSQT 2 Aplicaciones La implementaci n del proyecto se puede utilizar para el rastreo de bienes o personas y el posterior an lisis del recorrido realizado El circuito se lo puede instalar en camiones y autom viles que transportan bienes de valor En el estudio posterior se puede determinar paradas no programadas o salidas de la ruta de viaje esperada 3 Componentes del sistema Las partes principales del prototipo son un m dulo de recepci n de GPS un microcontrolador con funci n Host USB una unidad Flash USB y una pantalla LCD de caracteres para mostrar mensajes al usuario 3 1 M dulo Receptor de GPS El receptor RCB 4H proporciona los datos de posici n seg n la visibilidad de los sat lites del sistema GPS Se utiliza con una antena externa para recepci n desde los sat lites Posee dos puertos de comunicaci n serial y su voltaje de operaci n es de 3 3V 3 2 Microcontrolador AT90USB1287 Producido por ATMEL Inc Es un microcontrolador de bajo consumo basado en la arquitectura RISC mejorada AVRO Caracter sticas principales
14. uito ya emsamblada 4 4 Proteus Software CAD que facilita el dise o electr nico del sistema La aplicaci n ISIS es utilizada para realizar el diagrama esquem tico de los circuitos necesarios Con la aplicaci n ARES se dise a el circuito impreso adem s de ofrecer la ayuda visual de la simulaci n de la vista en 3D de la placa con los componentes montados 4 5 GPX Es un esquema XML para la transferencia de archivos con datos de posici n GPS con el cual se pueden describir puntos de inter s geogr fico rutas de recorrido Este est ndar de facto utilizado por fabricantes de receptores GPS como Garmin por aplicaciones como World Wind de NASA y servicios Web como Google Earth para el intercambio de datos de GPS 5 Descripci n del Proyecto 5 1 Dise o del Proyecto El objetivo principal es registrar la informaci n de posici n del receptor de GPS en un dispositivo USB de almacenamiento masivo tambi n llamado pen drive El equipo a implementar utiliza un microcontrolador el cual recibir los datos de posici n por un puerto serial y los almacenar en la unidad Flash USB con la ayuda de botoneras y una pantalla LCD el usuario puede interactuar Microcontrolador AT90USB1287 Teclado Unidad Flash USB FAT Figura 5 1 Diagrama de bloques El microcontrolador utiliza un Ciclo principal de tareas Primero se ejecuta scheduler_task_init que ejecuta las funciones de inicializaci n de cada tarea
15. y luego la funci n scheduler_task que es un ciclo infinito donde secuencialmente se llaman las funciones de las tareas de ejecuci n normal de forma que va verificando la conexi n o desconexi n de la unidad Flash USB as como tambi n la utilizaci n de la memoria de este dispositivo y c mo manejar el sistema de archivos contenido en la misma En la figura 5 2 se detalla lo indicado En la funci n datalogging__task_init se realiza la configuraci n de la pantalla LCD de las entradas digitales conectadas a las botoneras las salidas que manejan los LEDs indicadores tambi n se verifica que ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL a a CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA CICYT se haya conectado la unidad Flash USB alist ndola para poder utilizar como se muestra en la figura 5 3 Lcd_init Led_cirscr LedO_init Led1_init Joy_init Figura 5 3 Algoritmo datalogging_task_init En la funci n datalogging task se utiliza la funci n men aqu se realiza la recepci n de comandos por parte del usuario con la ayuda de informaci n mostrada en la pantalla LCD Cuando el dispositivo se inicializa muestra una pantalla de inicio donde se puede observar informaci n del nombre del proyecto y los apellidos de los integrantes del grupo de desarrollo de ste Cuando el usuario activa una de las se ales de la palanca de mando se muestra en pantalla dos opciones que son grabar y configurar La opci
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