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El Software Embedido y el Proyecto DIMITEC

Resumen: El presente artículo se refiere a la aplicación de componentes de SW en un proyecto de investigación sobre el uso de dichos componentes en a entrada, almacenamiento y salida de gasolina en un vehículo. MC. Pedro Rodríguez López e Ingópez e Ing. Arturo Hinojosa Ramírez.Profesores de cátedra del Instituto Tecnológico de Nuevo León adscritos a la carrera de Ingeniería en Sistemas com. Arturo Hinojosa Ramírez.Profesores de cátedra del Instituto Tecnológico de Nuevo León adscritos a la carrera de Ingeniería en Sistemas computacionales.
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El software embebido y el proyecto DIMITEC

Autor: Ing. Pedro Rodríguez López  e  Ing. Arturo Hinojosa Ramírez.

Departamento de Ingeniería en Sistemas Computacionales, Instituto Tecnológico de Nuevo León.

Profesores de cátedra del Instituto Tecnológico de Nuevo León adscritos  a  la  carrera de Ingeniería en Sistemas Computacionales.

1.       Introducción

1.       Antecedentes

Los productos inteligentes se han convertido en algo común en casi todos los mercados de consumo que van desde aparatos electrónicos para el hogar, sistemas de comunicación, sistemas automotores, sistemas militares de hardware, aplicaciones empresariales e industriales, dispositivos médicos etc. El software empotrado o embebido puede ejecutar funciones específicas y significativas y con capacidad de control.

El control de sistemas mecánicos está sufriendo un cambio sin precedentes, porque el determinante primario para la función del sistema está a cargo del software de control. Este cambio ocurre por la influencia del desarrollo de la tecnología electrónica y ciencias computacionales sobre los mecánicos.

Los sistemas embebidos son dispositivos usados para controlar equipos, operación de maquinaria o plantas industriales completas. El término embebido está caracterizado porque los circuitos integrados son una parte fundamental del sistema donde se encuentran, es decir tienen un uso especifico dentro de un dispositivo mayor [1]. En la industria automotriz existe un fuerte uso de este tipo de sistemas.

El desarrollo de dispositivos que permitan cuidar y optimizar el consumo de gasolina hoy en día está teniendo un impulso importante debido al agotamiento que están teniendo los recursos naturales no renovables como el petróleo. Para las organizaciones como para el ciudadano que cuenten con un vehículo automotriz con motor a gasolina es fundamental preguntarse ¿Cómo ahorrar gasolina?, con los aumentos en los precios de los combustibles existe un evidente impacto en la economía de la organización y de las familias y se vuelve evidente que el tema de consumo de combustible es de alta relevancia para todos.

Un ejemplo de dispositivo para el ahorro de gasolina es el desarrollado por Martín Bremer profesor del Centro de Calidad Ambiental del Tecnológico de Monterrey. Bremer trabaja de cerca con alumnos de mecatrónica, electrónica y física. La idea original es que todos los automóviles que tienen aire acondicionado consumen más gasolina, un 10% más de lo normal y tienen menos potencia, viendo que la potencia cuando más se requiere es cuando estamos subiendo una pendiente o acelerando, se le ocurrió hacer un dispositivo que pudiera medir esta aceleración y, a partir de eso, desconectar el compresor del aire acondicionado [2].

Evidentemente hay que tomar algunas medidas para disminuir el impacto que la alza en precios representa para los usuarios de combustible y se deben replantear cuestiones sobre el estado de los vehículos, hábitos de manejo y considerar algunas medidas alternativas y es así como nace el proyecto DIMITEC (Dispositivo Medidor de Combustible Tecnológico), cuya finalidad es diseñar un proceso que contribuya a el ahorro de gasolina para vehículos automotrices y construir un dispositivo medidor de combustible que ayude a llevar un mejor control del consumo de gasolina en un momento determinado.

El proyecto pretende contribuir con las organizaciones en su desarrollo tecnológico para lograr hacerlas más competitivas en la reducción de sus costos llevando un control en el consumo de combustible en los vehículos usados para las actividades de la empresa y en los ciudadanos contar con un proceso que le ayude a tener un control a partir de un historial basado en bitácora que le ayude a tomar decisiones en el cómo se está haciendo el consumo de combustible. En este artículo se presentan los avances alcanzados hasta el momento en la investigación con enfoque de desarrollo tecnológico que se está llevando a cabo en el Instituto Tecnológico de Nuevo León.

2.       Fundamento Teórico

2.1 Explicación de software embebido.

Hay varias definiciones de software embebido. Las más tradicionales lo definen como procesamiento de información que está integrado con procesos físicos [3]. Otra definición es software que se ejecuta en dispositivos distintos de una computadora personal o un servidor de computo [3]. La primera definición es relevante para entender los retos a los que se enfrenta el desarrollador de software embebido, y la segunda para entender la oportunidad de negocio que representa el mercado para dispositivos.

La principal regla de software embebido es interactuar con el mundo físico, mientras que en el desarrollo de aplicaciones empresariales, se busca olvidarse de éste y enfocarse en abstracciones como entidades de información y procesos de negocios, en el desarrollo del software embebido sucede todo lo contrario. Su papel principal no es la transformación de datos, sino la interacción con el mundo físico. Se ejecuta en maquinas que no son computadoras, éstas máquinas son automóviles, aviones, teléfonos, equipo de audio, robots, aparatos, juguetes, los sistemas de seguridad, armas, menús de televisiones, copiadoras, escáneres, clima, control de sistemas, sistemas industriales entre otros [4].

Cualquier sistema eléctrico, mecánico o químico que incluya entradas, decisiones, cálculos, análisis y salidas es candidato para implementarse como un sistema embebido. Los sensores eléctricos, mecánicos y químicos reúnen información. Las interfaces electrónicas convierten las señales de un sensor a una forma que acepta la microcomputadora. El software embebido efectúa las decisiones, los cálculos, y los análisis necesarios, el software de los sistemas embebidos sólo resuelven una gama limitada de problemas [5], es por eso que el software embebido se le llama software de propósito específico.

2.2 Clasificaciones de Software Embebido

Un sistema embebido está conformado por circuitos integrados programables, memoria flash o ROM (Read Only Memory), el correspondiente circuito impreso y el software embebido como parte esencial del mismo sistema, conocido en inglés como embedded software. El software embebido se utiliza para controlar los productos electrónicos y usualmente se ejecuta sobre un microprocesador interno, un microcontrolador, un procesador digital de señal (DSP), una compuerta programable en campo (FPGA), un controlador lógico programable (PLC) y a veces en computadoras personales de propósitos generales adaptada para fines específicos.

La programación embebida, va siempre orientada a aplicaciones portables o compactas, alimentadas por batería o una fuente de poder de baja capacidad de corriente (por cuestiones de espacio), menor disipación de calor y muy económicas [6].

2.3 Atributos del Software Embebido

Este software embebido difiere del software convencional de una computadora de propósito general en una serie de características que en su desarrollo presentan grandes retos para los ingenieros del software o desarrolladores involucrados con sistemas embebidos.

Los tres atributos que típicamente tienen consideraciones especiales en el desarrollo de software embebido son: confiabilidad, limitaciones en recursos de hardware, y respuesta en tiempo real [3]. La confiabilidad es esencial en este tipo de software ya que las fallas no pueden ser resueltas con ayuda del usuario por lo que tiene que estar fuertemente probado antes de su liberación, las consecuencias de fallas pueden ser muy graves, incluso perdida de vidas como puede ser un software insertado en sistema de control industrial, aeronáutico, automotriz. Un software embebido esta limitado a la memoria, energía de bajo consumo o incluso fuentes de energía alternativas inestable como celdas solares, es por esto que el contexto de la aplicación del software es fundamental para implementar estrategias bajo la restricción de recursos limitados.

Verificar y validar el código embebido comprenden análisis de funcionamiento de subrutinas y algoritmos implementados, pruebas de sentencias criticas, pruebas a componentes, pruebas a funciones de llamados a hardware mediante software hechas en forma correcta, pruebas de integración, pruebas al sistema [7].

En algunas aplicaciones el software embebido tiene que ser capaz de responder inmediatamente y cumplir requerimientos de tiempo real por razones de seguridad por ejemplo un sistema crítico de control aéreo, se requiere certificaciones de seguridad y cumplir con determinados estándares. En numerosos casos requieren capacidad de auto-prueba, tanto del software como del hardware, porque una vez en manos del usuario en la mayoría de los casos es muy difícil o imposible realizar cambios. Otra particularidad de los sistemas embebidos es que necesitan ser desarrollados por equipos de diferentes especialidades [8] (software, hardware, mecánica, telecomunicaciones, etc.).

2.4 Sistemas Ahorradores de Gasolina.

Existen diferentes dispositivos medidores de combustible enfocados a diferentes propósitos que enfocan la solución del control de combustible a diversos contextos tomando en cuenta otras variables diferentes a las del proyecto DIMITEC las cuales son litros en un momento determinado, fecha y hora del registro. Por ejemplo un sistema evaluador del Consumo de Combustible [9] el sistema está orientado a evaluar el consumo de combustible en camiones de carga, manejando cuatro variables principales: grado de aceleración inicial, revolución del motor, velocidad del vehículo, proporción del flujo de combustible, otra como el sistema de evaluación para condiciones de operación del vehículo [10], basa su control en condiciones de control de velocidad, aceleración, temperatura, procesando el exceso del consumo de combustible.

Un sistema de análisis del estado del vehículo [11] basa su operación del control de consumo de combustible bajo las condiciones de frenado-marcha del vehículo. Otro sistema de medición basado en consumo de combustible bajo trayectorias, controla variables en tiempo real bajo un sistema de posicionamiento global, presentando la información al conductor para tomar decisiones en el sentido de conocer cuál es la trayectoria más óptima que reduzca el consumo de combustible [12].

3.  Materiales y Métodos

Para el desarrollo del presente proyecto de investigación de siguió e método de desarrollo para la construcción de prototipos [13] basado en un modelo cíclico representado por las siguientes etapas: Análisis-Diseño del prototipo, Construcción- Revisión del prototipo, pruebas del prototipo, Retroalimentación-Evaluación de los resultados obtenidos. Todas estas etapas realizadas de forma cíclica hasta lograr el objetivo del prototipo.

Para el desarrollo del software de aplicación del propósito específico necesario para lograr el objetivo del proyecto se siguió el modelo del ciclo de vida básico [13] en combinación con el modelo incremental. Las herramientas utilizadas en la aplicación del propósito especifico se eligió el lenguaje de programación Java J2EE 1.6 (Java  Plataforma Estándar  Ed. 6) por ser un lenguaje multiplataforma, además de ser el software libre, por lo que no es necesario comprar licencias para su uso. Como entorno de desarrollo (IDE) Eclipse GANYMEDE  2009 , manejador de base de datos  MySQL 2009. Se utiliza el Framework de persistencia de base de datos Hibernate. Para realizar la obtención de reportes se usa la herramienta i Reports.

Uno de los objetivos del proyecto es identificar un proceso que contribuya al ahorro de gasolina por lo que las etapas del modelo basado en prototipos ayudo a generarlo. Las actividades realizadas durante el proceso de desarrollo del prototipo fueron las siguientes:

Etapa 1: Análisis-Diseño del prototipo: Análisis de los antecedentes previos en dispositivos mediadores  de combustible (estado de arte). Evaluación de opciones aplicables para el dispositivo mediador combustible (definición y especificaciones de la parte física del prototipo, así como los componentes electrónicos que lo conformarían. Diseño de sistema eléctrico de adquisición de datos y control del dispositivo mediador de combustible. Diseño de la Interfaz entre el dispositivo mediador y el procesador. Diseño de la aplicación generadora de reportes de la información mandada por el dispositivo hacia el procesador (computadora).

Etapa 2: Construcción- Revisión del prototipo: Construcción del dispositivo nivel modular en el prototipo. Revisión de la adquisición de datos para el control del dispositivo (nivel físico). Programación del software embebido de controlar el consumo de combustible (nivel lógico). Programación de la aplicación generadora de reportes de la información mandada por el dispositivo hacia el procesador (computadora).

 

Etapa 3. Prueba del prototipo:  Realización de pruebas para la adquisición de datos del dispositivos mediador en el prototipo. Realización de pruebas para el almacenamiento de datos del dispositivo mediador de combustible y el software embebido. Realización de pruebas entre la comunicación del dispositivo mediador de combustible y la aplicación generadora de la información instalada en la computadora. Realización de pruebas de validación y salida de datos de la aplicación generadora de reportes hacia el usuario final. Pruebas de Integración de prototipo.

Etapa 4. Retroalimentación y Evaluación de los resultados. Evaluación de los resultados alcanzados en el avance del prototipo. Retroalimentación para el seguimiento de desarrollo del prototipo, regreso a las fases posteriores del desarrollo hasta alcanzar el objetivo planteado. Para el desarrollo del dispositivo mediador de combustible que incluye el software embebido se usa el entorno de trabajo para sistemas embebidos como micro controladores. EasyPIC versión 5 de MikroElectronika, el cual es un entorno de desarrollo que permite que el micro controlador pueda ser conectado a circuitos externos con una amplia gama de dispositivos periféricos, diseño para probar y explotar las características de una amplia gama de micro controladores  [14]. El compilador usado como herramientas para la programación del software  embebido fue mikroC PRO for PIC  el cual ofrece la potencia y flexibilidad  proporcionada por ANSI C, este compilador de diseño para desarrollar, construir y depurar aplicaciones embebidas basadas en PIC cuenta con un entorno de desarrollo (IDE) que permite facilitar el desarrollo del software embebido.

Para el diseño del circuito eléctrico se uso una aplicación CAD, se trabajo con Proteus  versión para estudiantes el cual es un completo entorno de diseño que permite realizar todas las tareas de diseño de circuitos electrónicos, tales como: dibujos de esquemas de circuitos, simulación interactiva de circuitos analógicos, digitales y con micro controladores.

El trabajo con micro controladores los cuales son circuitos integrados programables contienen todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada, la utilización de un micro controlador en un circuito reduce notablemente el tamaño y número de componentes y en consecuencia disminuye el peso y volumen de los quipos  [15].

4 Resultados hasta el momento de la investigación

Los resultados alcanzados hasta el momento de la investigación productos de llevar a cabo la metodología de trabajo basado en el modelo para la construcción de prototipos es el diseño de un proceso que contribuya al ahorro de gasolina para vehículos automotrices. A continuación se describe el proceso.

El proceso está dividido en dos fase, una física y una lógica. La primera consiste en adquirir la cantidad de litros almacenados en el tanque de vehículo en un tiempo y fecha determinada y la segunda en procesar estos datos para convertirlos en información significativa para el usuario del proceso.

La fase física está constituida para un dispositivo registrador del consumo de combustible conectado en un vehículo automotriz que utilice un motor de combustión interna alimentado por gasolina, dicho dispositivo es conectado en el modulo de la bomba de gasolina.

El modulo de la bomba de combustión en los vehículos automotrices como los de la línea Chevrolet  contiene la bomba de combustión, el dispositivo de combustible, el sensor de nivel, el colector de entrada, el filtro regulador de presión de combustible como principales elementos. El modulo de la bomba de combustible es una unidad incorporada al depósito con un sensor de nivel de combustible y regulador de presión integrado.

Un sensor de nivel convencional es un flotador el cual mide la cantidad de existencia de gasolina en el tanque, el flotador puede ser redondo o de cualquier otra forma hueca sellada, este vacío hace que no se hunda, el flotador contiene un pequeño brazo que va adherido a una base tipo pedestal tiene un movimiento de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba, en esta misma base va un eje vertical al que se encuentra adherido una resistencia variable. Cuando el tanque esta vacio el flotador permanece abajo, pero a medida que aumenta el combustible, el flotador sube y con el contacto del brazo la resistencia va aumentado el recorrido, a mayor combustible mayor recorrido sobre  la resistencia. Este conjunto de señales son enviadas al dispositivo registrador de consumo de combustible del proceso el cual se encarga de anquirir, procesar y almacenar las señales enviadas por el flotador de la bomba de gasolina.

Dentro del dispositivo registrador se encuentra un micro controlador que contiene un software embebido encargado de procesar y almacenar la cantidad de combustible que tiene el tanque en un hora y fecha determinada, lo anterior es la primer fase lógica que constituya el proceso.

En los dispositivos indicadores del nivel de combustible tradicionales incorporados en los vehículos, se procesa la señal de cuanto combustible existe en un momento dado para que el conductor verifique las gasolina que tiene el vehículo y de esa forma ver su rendimiento de combustible, capacidad de recorrido para una distancia. Existen indicadores más inteligentes que avisan al conductor la eficiencia en su consumo y en casos como aceleración informan el porcentaje de combustible que se está gastando de forma instantánea , así como los litros que se van consumiendo mientras aumenta la velocidad, promoviendo en los conductores una cultura más ecológica y fomentar hábitos que reduzcan el consumo de combustible. Mas sin embargo no existe en estos sistemas un seguimiento del cómo se está dando el consumo de combustible en un periodo de tiempo bajo algún recorrido y es aquí, donde el proceso de control de combustible basado en bitácora ofrece sus ventajas.

Mediante el procesamiento de la cantidad de litros con los que cuenta el tanque, en un tiempo y fecha determinada y su almacenamiento en dispositivo de memoria SD se podrá tener un seguimiento basado en bitácora de las diversas trayectorias que tiene un vehículo asignado a un chofer. Estos datos almacenados en la memoria serán vaciados en una aplicación de alto nivel. Instalada en una computadora personal que cuenta con el puerto de lecturas de memorias SD-MS necesario para leer los datos. Una aplicación de alto nivel es un programa informática desarrollado en un lenguaje de alto nivel como Java que cumple con un propósito especifico para realizar un determinado tipo de trabajo. Para el proceso se encargara de generar la bitácora, procesar los datos para transformarlos significativas para el usuario, y convertirá en reportes que contribuyen a la toma de decisiones esta aplicación constituye la segunda fase lógica  del proceso.

Hasta el momento los resultados de la investigación han permitido contar con un primer diseño esquemático del circuito de la tarjeta que conformara el modulo electrónico del dispositivo registrador de combustible.

5. Conclusión :

No existe un sistema de control de combustible basado en bitácora que contribuye a la toma de decisiones en un periodo de tiempo determinado bajo variables de litros consumidos. Fecha y hora consumo. Es necesario establecer un proceso para dar seguimientos del cómo se está dando el consumo de combustible en una flotilla de vehículos. Además de ser deseable contar con reportes que den cuenta de cómo se dio el consumo. Cual fue el total de litros consumidos en un periodo, total de dinero gastado, total de dinero gastado, consumo de combustible en una trayectoria.

A la fecha se ha comprobado que es factible contar un poseso y un dispositivo para el ahorro de combustible en vehículos automotrices con motor a gasolina.se ha logrado pruebas con el entorno de trabajo EasyPIC para sistemas embebidos. Se cuenta ya con el análisis del software embebido para el registro de combustible y se han logrado almacenar datos en una memoria SD (Secure Digital Card).

 

 

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