INTRODUCCION

En la actualidad el vertiginoso desarrollo de la electrónica y la microelectrónica han motivado que todas las esferas de la vida humana se estén automatizando, por ejemplo: la industria, el hogar, los comercios, el transporte, las comunicaciones, y en especial los estacionamientos vehiculares. En todos esos procesos de automatización el microprocesador y el microcontrolador juegan un papel de suma importancia. Ellos han permitido el desarrollo de sistemas inteligentes que resuelven los más diversos problemas.

Esta investigación se orientará con base en la importancia e influencia de los microcontroladores en las automatizaciones de hoy día, aplicados a sistemas de monitorización de estacionamientos vehiculares, impulsado por el rápido crecimiento del parque automotor, donde se puede evidenciar el atraso de la modernización en cuanto a la administración de estacionamientos o parqueaderos en los países subdesarrollados.

El microcontrolador es el principal dispositivo que se utiliza en una tarjeta de Arduino, la cual se encarga de tomar un conjunto de variables físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en un computador. El propósito del desarrollo del presente trabajo es realizar un prototipo de un sistema de monitoreo para un estacionamiento de 7 puestos. Este sistema está formado por un módulo de tarjeta Arduino Mega 2560, un Shield Ethernet Arduino y sensores por ultrasonidos HC-SR04, estos son los encargados de trasmítele la información a una computadora, ésta la procesa y su vez la almacena en una base de datos.

Este trabajo inicia detallando el problema de la situación actual de los diferentes sistemas de estacionamiento públicos que operan en el Ecuador, se enfatiza en los antecedentes en la descripción de los mecanismos que se emplean tanto en la facturación como en el control de las plazas. 

La idea de desarrollar este proyecto es que los datos obtenidos va hacer mediante sensores ubicados en los distintos puestos del estacionamiento, con la ayuda de Shield Ethernet Arduino se lograra comunicarse inalámbricamente mediante Wifi al módulo inalámbrico del computador y/o al de un Smartphone o Tablet y poder presentar las diferentes aplicaciones de este sistema, además utilizaremos de la interfaz del Programa Labview (acrónimo de Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)  para poder generar una base de datos la cual va que dar guarda en una hoja de Excel.

Se presentara este proyecto detallado y estructurado en los siguientes capítulos, se planteara el problema, se definirá el objetivo general y los objetivos específicos. En el Marco Teórico  hay un marco conceptual que presenta la teoría básica de los dispositivos que se ha utilizado en este proyecto, en el capítulo de Propuesta de acción hablamos sobre cómo fue desarrollado paso a paso, para ello se la divido en etapas, esto fue necesario para la fácil comprensión del trabajo realizado.

ASPECTO GEOGRÁFICO DEL LUGAR

Aspecto Geografico del lugar

La realización de un estacionamiento automatizado ofrece una alternativa de solución convincente a diversos problemas y mejorar tecnológicamente un estacionamiento convencional. El congestionamiento de tráfico actualmente representa un problema pues entre más automóviles se encuentren circulando más espacios se necesitan para poder estacionarlos. A medida de que una ciudad crece día a día muchos establecimientos tales como lugares de trabajo, centros de ocio e instituciones públicas dependen en gran medida de tener un estacionamiento propio ya sea particular o público.

Los estacionamientos vehiculares deben tener un tamaño adecuado, de fácil acceso, cómodo de usar y sobre todo que sea seguro. Nuestro país ha crecido rápidamente. La problemática no está en que este crecimiento se esté dando, sino en que no estamos preparados para todo lo que esto significa. Uno de los ejemplos que más nos preocupa es el congestionamiento de vehículos en nuestras calles y que en la mayoría de los casos no tenemos donde guardar el automóvil. Cuando las edificaciones fueron construidas, no existió la planificación ni la proyección del crecimiento que la ciudad experimentaría en los últimos años. Por otra parte el precio de las propiedades también se ha incrementado tanto que se torna sumamente costoso pensar en adquirir un terreno solo para que sea declarado como estacionamiento.

El Edificio STATUS de la ciudad de Loja se encuentra un amplio y seguro estacionamiento para los usuarios que deseen dejar su vehículo, se ha visto la oportunidad de hacerle unas mejores en cuanto a su desarrollo y popularidad con los debidos permisos para el estudio, implementación y análisis del estacionamiento, este se encuentra en las Calles céntricas de la Ciudad, Miguel Riofrío 14-55 y Bolívar y Sucre, como podemos observar en la  Figura 1 y 2.

 

 

Fig. 1 Estacionamiento del Edificio Status.

Fig. 2 Estacionamiento del Edificio Status.

Fig. 3 Ubicación del edificio Status.

 

 

 

 

 

 

PROPUESTA DE ACCION

Propuesta De Accion

En la figura 1 se presenta un diagrama resumido en bloques del equipo electrónico  implementado, para el control del sistema de monitoreo automático de puestos de estacionamiento vehicular, cada bloque corresponde a un módulo, que no es más que un conjunto de elementos con una funcionalidad en particular.

Fig. 1 Diagrama en bloques de las Etapas del proyecto

La parte principal del prototipo (como se ve en la figura 1), es la placa del Arduino Mega 2560 que está en la Etapa de Control. A la Etapa de Entrada corresponden todos los sensores ultrasónicos HC-SR04 que hacen posible la inspección de los puestos. La Etapa de Salida del Propietario se encarga de mostrar la información requerida por el dueño del estacionamiento como es el software en Labview que desde luego permite un registro en Excel. La Etapa de Salida del Cliente, en cambio comprende una mejora del proyecto que es una Pagina Web y software que hacen posible conocer al cliente  el uso de los puestos del estacionamiento.

Para poder explicar el proceso de diseño se consideran tres componentes básicos; hardware, firmware y software. A cada componente se asocian los diferentes módulos de entrada, salida y de comunicaciones. El hardware se compone de todas las partes físicas presentes en el prototipo. El firmware representa el conjunto de instrucciones que controla el funcionamiento de los circuitos electrónicos del sistema microprocesado, en este caso el firmware es el código en la placa de Arduino Mega y el Shield Ethernet. Por último el software está relacionado con los programas tanto de la laptop que es Labview y para los dispositivos Smartphone la página web, los mismos que permiten las comunicaciones que se ejecuta en el servidor de monitoreo.

En las siguientes entradas se veran todas estas etapas con mucho mas detalle:

ETAPA DE ENTRADA

1. Etapa de Entrada

 

En esta etapa hablamos sobre todo de los sensores que nos permiten conocer la información del puesto en el estacionamiento, la elección del detector de presencia de vehículos a usar, depende de la facilidad de instalación, la eficiencia en la detección, el entorno en el cual va ser instalado, el tipo de estacionamiento, y el costo del detector en la siguiente tabla podemos observar una variedad de sensores.

Tab. 1 Diferentes tipos de sensores

El sensor de Ultrasonido es un módulo que incorpora un par de transductores de ultrasonido que se utilizan de manera conjunta para determinar la distancia del sensor con un objeto colocado enfrente de este. Quizá la característica más destacada del HC-SR04 es que puede ser adquirido por una baja suma de dinero y esto mismo lo ha hecho muy popular. Afortunadamente el módulo HC-SR04 es bastante fácil de utilizar a pesar de su bajo precio y no demanda gran cantidad de trabajo ponerlo a funcionar, mucho menos si utilizamos una librería para sensores ultrasónicos. Entonces por las prestaciones ya expuestas se llegó a la conclusión de utilizar el sensor ultrasónico HC-SR04 descrito en el marco conceptual, con sus prestaciones es un dispositivo óptimo para el proyecto.

1.1 Pruebas de Funcionamiento del Sensor HC-SR04

Para un mejor entendimiento de las capacidades que tiene la placa de Arduino Mega por sensores de ultrasonidos que presenta este proyecto, es necesaria la comprensión de la forma de trabajar de los sensores de ultrasonido. Y en particular el modelo utilizado, los
HC-SR04.    

El modelo HC-SR04 emite un ultrasonido con una frecuencia de 40 KHz. en el instante 0, posteriormente es reflejada por algún objeto, y el sensor recibe la onda que es convertida en impulsos eléctricos. Este periodo de tiempo es llamado cycle period. Y el fabricante indica que esta emisión es aconsejable que se produzca en intervalos menores de 50 ms. 

A continuación en la figura 1 observamos el esquema de conexión del sensor ultrasónico a la Placa Arduino Mega

Fig. 1 Conexión del sensor ultrasónico a la Placa Arduino Mega

En la figura 2 vemos las pruebas en Protoboard de los sensores HC-SR04 se han colocado 6 sensores ultrasónicos de distancia como se muestra en la Figura, sobre la placa de Arduino Mega para facilitar la realización de pruebas.

Fig. 2 Pruebas en Protoboard de los sensores HC-SR04

Pero hay tener en cuenta diversos factores intrínsecos en los sensores de ultrasonido y en el mundo real que los rodea, que influyen en el resultado de las medidas y en su efectividad.

Los factores que más pueden influir, orientados al controlador, pueden ser los siguientes:

• El campo de acción de los sensores HC-SR04 tiene forma cónica, con un ángulo de efectividad menor de15º y un máximo de 30º. El eco que se recibe cuando se refleja el sonido, se debe a que hay un objeto dentro de ese cono acústico, pero no nos indica la situación angular de dicho objeto. Para el controlador, la máxima probabilidad es que el objeto (el carro), esté sobre el eje central del cono, pero hay que tener en cuenta a la hora de interactuar con dispositivo está posibilidad en el momento de posicionar el carro. En la figura 3 se ve lo que se llama incertidumbre angular.

Fig. 3 Incertidumbre Angular de los HC-SR04

• Se pueden producir errores de medición en ambientes con excesiva acústica o sobre materiales en los que el sonido es absorbido (algodón o plumas).

 

1.2 Pruebas para la ubicación de los sensores frontales

 

Para conseguir un mapeo de todo el entorno del robot es necesario utilizar varios de los sensores de distancia ubicados estratégicamente para captar objetos cercanos en todas direcciones, evitando zonas sin mapeo o puntos ciegos que puedan generar errores.

En la tabla 2 se aprecia las diferentes alturas de los carros que llegan al estacionamiento desde el suelo hasta la parte frontal o trasera y luego cual sería la ubicación óptima para que detecte dicho tipo de carro.

Tab. 2 Pruebas para la ubicación de los sensores frontales

Luego de haber realizado las diferentes pruebas de altura para cada automóvil como se observa en la tabla precedente, se ha llegado a la solución de ubicar los sensores desde el suelo hasta la parte frontal o trasera a una altura de 73cm, que son suficientes para detectar el automóvil en la parte frontal.

1.3 Pruebas para la ubicación de los sensores superiores

De la misma forma para las pruebas de la ubicación de los sensores superiores se ha utilizado una variedad de altura de automóviles como lo observamos en la tabla 3, he aquí es la distancia desde el travesaño superior del automóvil  hasta cielo raso del estacionamiento.

Tab. 3 Pruebas para la ubicación de los sensores superiores

Luego de estas respectivas pruebas se llega a la conclusión de ubicar los sensores en la parte media del travesaño superior de cualquier automóvil ya que es indiferente la distancia desde la pared hacia la parte media de cualquiera de ellos, ahora la altura que se debería programar a los sensores de ultrasonido desde el travesaño superior del automóvil  hasta cielo raso del estacionamiento es de 273cm.

1.4 Ubicación de los Sensores

Luego de las pruebas expuestas se ha tomado la decisión de utilizar solo 6 sensores, válidos para simular un estacionamiento vehicular y 2 más para simularlos en una maqueta.

Los sensores de la parte delantera, serán ubicados de tal forma que este a la altura correcta para cada vehículo con las diferentes pruebas que hemos realizado se llega a la conclusión que serán ubicados a una posición desde el piso a 73cm como lo vemos en la figura 4.

Fig. 4 Ubicación de los sensores frontales en el estacionamiento

En esta disposición, con un sensor en la parte delantera, y uno en la parte superior a 90 grados, existe, en teoría, una redundancia de la información tomada por los sensores en cada dirección debido a la proximidad de su pareja. Sin embargo, se pudo comprobar que los impulsos ultrasónicos de cada sensor producían buenos resultados a la hora de detectar al automóvil y de una forma óptima.

Para los sensores de la parte superior serán ubicados en la mitad del ancho total de cada puesto vehicular como lo vemos en la figura 5, su altura desde el piso es de unos 273 cm

Fig. 5 Ubicación de los sensores frontales y superiores en el estacionamiento

1.5 Prueba de Funcionamiento de los Sensores Frontales

A continuación con más detalle podemos apreciar (figura 5) el funcionamiento de los sensores frontales en cada puesto del estacionamiento, a los cuales les hemos adaptado como mejora del proyecto unas luces leds, para que se apreciado por el cliente del establecimiento, en cada una de las cajas que contiene los sensores, se le ha puesto 2 sensores uno ROJO para que avise que está OCUPADO el puesto y uno VERDE que avisa que está DISPONIBLE dicho puesto.

Fig. 5 Funcionamiento de los sensores Frontales

SISTEMA DE CONTROL

2. Sistema de Control

En esta etapa sobresale lo importante que es la placa de Arduino Mega para el control de todo el sistema expuesto como proyecto, en la figura 1 observamos el esquema diagrama de conexión del Sistema de Control.

Fig. 1 Diagrama de conexión del Sistema de Control

Como se describe en la imagen se conectan los distintos sensores en una placa de control que nos sirve de ayuda para facilitar la conexión a la placa Arduino Mega, en esta placa se encuentra acoplado también el Shield Ethernet que nos beneficia en la parte de comunicación y por ultimo observamos el Router que hace de este proyecto inalámbrico.
Para que el proyecto cobre vida, está la parte del software y firmware, a continuación una breve explicación del programa desarrollado.

Fig. 2 Esquema (circuito electrónico) completo de todo el Sistema de Control

En la figura 2 se ha sugerido colocar un esquema (circuito electrónico) completo de todo el sistema en el que se aprecia el Arduino Mega, Shield Ethernet, los sensores, alimentación, leds indicadores y complementos pertinentes al proyecto, los mismo que nos dan una clara compresión de su conexión dentro de la caja de Control del proyecto

2.1 Programa desarrollado para el funcionamiento del proyecto

En el diagrama continuo observamos el principal programa utilizado para el funcionamiento de este proyecto y en el cual está cargado en Arduino Mega, en el programa se encuentra las librerías que nos ayudan hacer funcionar al mismo, la lectura de cada sensor y hasta el diseño de una página web como mejora en este proyecto, a este programa también se lo puede encontrar en la parte del Anexos.

2.2 Pruebas de Funcionamiento del Sistema de Control

A continuación se detalla las pruebas realizada en cada uno de los puestos (Tabla 1), la cual precisa la efectividad en porcentaje de cada uno de los dos sensores, ubicados en dichos puestos de estacionamientos.

Tab. 1 Pruebas de funcionamiento del Sistema de Control

Como se ha comentado en apartados anteriores, para la elaboración del proyecto se han utilizado dos sensores, por emisión de ultrasonidos. Como observamos en la tabla 1 vemos el comportamiento de cada uno de los sensores, los SENSORES 1 son los ubicados en la parte frontal de cada uno de los puestos, y los SENSORES 2 son los ubicados en la parte superior descritos anteriormente, con estos resultados, es basta para detectar el vehiculo. Se explicarán los resultados obtenidos por cada sensor para interpretar variaciones de las condiciones de trabajo o exposición a mayor o menor alcance.

El Sensor de ultrasonidos HC-SR04, con el que podemos detectar objetos a tres metros de distancia. Como ya se explicó, convierte el tiempo entre transmisión y recepción de una señal, en distancia. Dicho esto, en el código hemos metido la mínima distancia a la que puede estar un objeto para que  lo detecte al vehiculo.

A continuación se muestra una captura de pantalla (Figuras 3 y 4) en la que se muestran los diferentes valores de las lecturas de los sensores, así como una breve explicación de los mismos.

Fig. 3 Valores de los sensores en el código Arduino IDE

Fig.4 Valores de los sensores en el código Arduino IDE

Como se ve, hay diferentes lecturas, tenemos un valor de 38 cms en “Distancia 2” y, sin embargo, una lectura de 265 cms para el otro sensor. Esto quiere decir que el objeto que detecta el sensor de “Distancia 2” está más cerca que el que detecta el sensor de “Distancia”.

2.3 Ubicación de la Caja del Sistema de control

A continuación observamos la ubicación de la caja del Sistema de Control dentro del estacionamiento, se la ha colocado en una parte estratégica para su operación, que es cerca donde se encuentra el operador del estacionamiento esto lo vemos en la figura 5.

Fig. 5 Ubicación de la Caja del Sistema de control

En ella se conectan como lo explicado en el principio de este apartado, los distintos sensores en una placa de control que nos sirve de ayuda para facilitar la conexión a la placa Arduino Mega, en esta placa se encuentra acoplado también el Shield Ethernet que nos beneficia en la parte de comunicación y por ultimo observamos en la figura 6 el Router que hace de este proyecto inalámbrico.

Fig. 6 Caja de sistema de control (Interior)

SISTEMA DE COMUNICACION

3. Sistema de Comunicacion

En la etapa de comunicación se explicará toda la conexión entre el Arduino Mega y su Shield Ethernet con el Router. En la figura 1 se muestra una comunicación básica del Shield Ethernet con un Sensor Ultrasonido. El mismo diagrama se lo realiza en el proyecto con la diferencia que contamos con 8 sensores, 6 para el estacionamiento y 2 para la maqueta.

Fig. 1  Esquema de la conexión de Shield Ethernet  con los sensores

Para nuestro estacionamiento ocupamos 6 sensores los cuales tan distribuidos dos por cada lugar. Estos sensores de acuerdo al código cargado nos muestran la distancia en cada puesto del estacionamiento. Para la conexión entre  el Arduino Mega y el Shield Ethernet ocupamos los pines 10, 11, 12 y 13. En la figura 2 (Shield) se muestra el acople del Shield Ethernet con el Arduino Mega.

Fig. 2 Conexión del Shield Ethernet en el Arduino Mega

Para los sensores los pines 9 y 8 para el primer sensor, 7 y 6 para el segundo sensor, 5 y 4 para el tercer sensor, 3 y 2 para el cuarto sensor, 14 y 15 para el quinto sensor, 16 y 17 para el sexto sensor.
Los pines 19, 20, 21, 22, 23, 24 se los ocupara para los leds. Los leds muestran si los dos sensores está operando adecuadamente, contamos con 2 leds por puesto de diferente color, rojo para mostrar cuando esté ocupado y el verde cuando este libre.

Para el código (figura 3) de comunicación entre el Arduino Mega y el Shield Ethernet nos basamos en un ejemplo de la Liberia de Arduino para el Shield Ethernet. Este ejemplo lo acoplamos a las necesidades y objetivos planteados.

Fig. 3 Código de la librería de Arduino

El código terminado cuenta con un pequeño servidor creado en HTML y también  con el código para la obtención de los datos de cada sensor.

3.1 Comunicación entre el Shield Ethernet y el Router

La función del Router es enviar de forma inalámbrica los datos ya sea para el propietario y para el cliente. De forma separada los datos enviados de forma inalámbrica desde el Router se interpretan de diferente manera, para el propietario, Labview toma solo unos datos del código HTML y para el cliente es el servidor montado en HTML que abarca todo las imágenes y datos necesarios para el cliente. 

En la figura 4 (Router con el Shield) muestra la conexión entre el Shield Ethernet con el Router, se la hace mediante un cable de red recomendando uno de categoría 6. 

El Router va a estar conectado a la red del edificio en donde está ubicado el estacionamiento, esto es para que la página creada pueda cargar las imágenes programadas.

La IP estática configurada en el código para el Arduino Mega se la coloca dependiendo de la red en la que estemos conectados, en este caso ocupamos la IP 10.11.23.6. Cabe recalcar que esta IP está registrada en la red solamente para el Shield Ethernet para no tener problemas de conflictos entre dispositivos en la red.

Fig. 4  Conexión del Arduino Mega y el Shield Ethernet con el Router

Para conexión de la pc al Router se la puede hacer de dos maneras, con un cable de red desde un puerto del Router hacia la pc y la otra de modo inalámbrico con el Wifi. Independientemente de cómo se haga la conexión los resultados son los mismos.

ETAPA DE SALIDA DEL PROPIETARIO

4. Etapa de Salida del Propietario

En esta etapa hablaremos del programa grafico hecho en Labview 11.0, con el cual mostraremos la interfaz al propietario, es decir la herramienta con la cual trabaja el dueño del estacionamiento, que le permita llevar un monitoreo claro con bases de datos de cada cliente. Para ello lo hemos dividido al programa en segmentos como lo vemos en la figura 1.

Fig. 1 Esquema de funcionamiento del código en Labview.

En la figura 1 observamos que la estructura principal es la de secuencia y que dentro de ella estan sus respectivos sub Vi’s que se ira explicando a continuacion.

4.1 PRIMER SEGMENTO 

En este segmento se comienza con el codigo que nos permite guardar el documento Excel en la base de datos en nuestra PC, el cual contiene valiosa información como es el costo, el tiempo de permanencia del vehiculo, la fecha cuando ingresado.

El formato que se guarda en Excel lo vemos en la figura 2 ahí podemos observar el control que puede llevar el propietario del estacionamiento, ya que con esta información lleva una mejor contabilidad en su establecimiento

Fig. 2 Modelo de hoja de Excel guardada

Luego en esta misma Estructura de Secuencia, limpiamos la pantalla o más bien enceramos los indicadores de fecha, hora, costo, etc. al momento de inicializar el programa.

4.2 SEGUNDO SEGMENTO

La segunda etapa de este programa sería la segunda secuencia de esta estructura, en la cual  encontramos primero el código que abre un identificador de cliente. LabVIEW permite las comunicaciones mediante varios protocolos. Uno de ellos es a través del protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol), el cual es el más usado en las transacciones en internet. Está basado en un sistema cliente-servidor, en donde el cliente realiza peticiones al servidor y espera su respuesta.

4.3 TERCER Y CUARTO SEGMENTO

Los últimos segmentos de este código hace referencia  a los errores que se pudieran presentar en el transcurso del programa es una etapa que viene por default cuando trabajamos con eventos y la podemos observar en la figura 3.

Fig.3 Modulo por default del programa

4.4 PANEL FRONTAL DEL PROGRAMA

Todo lo explicado anteriormente del código se resume en la presentación del programa, es decir  lo que observamos en el Panel Frontal de LabVIEW y que lo presentamos en la figura 4, en el cual se muestra los 7 puestos de estacionamiento, y en ellos  la hora de llegada, la hora de salida, el tiempo que se mantuvo y el costo por el servicio.

Fig. 4 Panel frontal del programa de monitoreo en LabVIEW