Sistema de Rastreamento Veicular GPS com comunicação SMS

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1 Centro Universitário Positivo UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas NCET Engenharia da Computação João Miguel Martynyszyn Sistema de Rastreamento Veicular GPS com comunicação SMS Curitiba 2004

2 2 Centro Universitário Positivo UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas NCET Engenharia da Computação João Miguel Martynyszyn Sistema de Rastreamento Veicular GPS com comunicação SMS Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à. conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Professor Marcelo Mikosz Gonçalves. Curitiba 2004

3 Sumário 1 INTRODUÇÃO ESPECIFICAÇÃO Descrição Motivação Objetivos Descrição Descrição Geral do Sistema Módulos do sistema Módulo de Controle Descrição do Software Descrição do uso do Arc Map Módulo Veicular Descrição do Hardware Módulo Adicional ESTUDO TEÓRICO NAVSTAR GPS Características dos sinais GPS Descrição dos receptores GPS Classificação dos receptores GPS GPS Garmin Microcontrolador Microcontrolador Porta Serial Modo Síncrono de Comunicação Modo Assíncrono de Comunicação Canais Simplex, Half-Duplex e Full-Duplex Interface serial no Comunicação RS-232 para o Transmissão Transmissão via telefonia celular Listagem dos comandos AT para celulares GSM Mensagens em Modo PDU Geoprocessamento Sistemas de Informações Geográfica (SIG) Características dos dados espaciais Especificação do Hardware Módulo de Controle Módulo Veicular Especificação do Software Software do módulo de controle Software para demonstração da localização do veículo Software Embarcado no módulo veícular Especificação da validação do projeto Estimativa de Custos Cronograma PROJETO Visão geral Funcionamento Descrição do Hardware Lista de componentes

4 3.3.2 Diagrama de Hardware Diagrama esquemático do Hardware Descrição do software Casos de uso Descrição dos casos de uso Diagrama de Classes Diagrama de banco de dados Tela do Software Tela do Software Arc Map RESULTADOS Resultados Módulo de controle Software Desenvolvido ARC MAP Resultados do módulo Veicular Resultados de Hardware Resultados do Software Embarcado CONCLUSÃO REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS

5 5 Lista de Figuras Figura 1 - Funcionamento do Módulo de Controle Figura 2 Funcionamento do Módulo Veicular Figura 3 - Diagrama em blocos do GPS Figura 4 - Aparelho GPS Garmin Etrex Figura 5 - Pinagem do microcontrolador Figura 6 - Execução a partir da memória externa Figura 7 - Hardware Módulo de Controle Figura 8 - Hardware Módulo Veícular Figura 9 - Fluxograma do programa do módulo veicular Figura 10 - Fluxograma do programa do microprocessador (Kit 8051) Figura 11 - Diagrama Esquemático do Circuito Auxiliar Figura 12 - Diagrama de Casos de Uso...50 Figura 13 - Diagrama de Classes - Software de Controle Figura 14 - Diagrama de Banco de Dados Figura 15 - Tela principal do software Figura 16 - Tela do projeto Unicenp - Arc Map Figura 17 - Software de Controle - Envio de Mensagem Figura 18 - Software de Controle - Recebendo a mensagem de localização Figura 19 - Software de Controle - Recebendo mensagem de GPS sem sinal...56 Figura 20 - Banco de Dados do Software Rastreador...57 Figura 21 - Tela do Arc Map com mapa da Unicenp Figura 22 - Tela do Arc Map com a localização do veículo em destaque

6 6 Lista de Siglas UNICENP Centro Universitário Positivo V Volts KHz Kilo Hertz MHz Mega Hertz A/D Analógico/Digital Freq. Freqüência Kbps Kilo bits por segundo Rx módulo de recepção Tx módulo de transmissão SMS Short Mesage Service (Serviço de Mensagens Curtas) PC Personal Computer (Computador Pessoal) PDU Packet Data Unit (Unidade de Pacote de Dados) GSM Global System for Mobile

7 7 Resumo Este documento descreve um sistema de rastreamento de veículos utilizando um aparelho acoplado a um veículo juntamente com um circuito microprocessado e um aparelho telefônico de celular. Foi desenvolvido um software no qual gerencia todo o sistema de rastreamento onde será feita a comunicação com o veículo. O software contém um banco de dados para armazenar as informações das coordenadas de localização do veículo. Para visualização foi utilizado o aplicativo ARC GIS (ARC MAP) que contem o mapa viário do Centro Universitário Positivo - UNICENP. O usuário que opera o software poderá solicitar a localização do veículo, preenchendo o número do celular que está no veículo e em seguida verificar no Arc Map a localização do mesmo dentro do mapa viário do Unicenp. O software se comunica com o aparelho de celular no qual envia uma mensagem de SMS para o celular instalado no veículo. O circuito microprocessado controla o telefone celular que recebe a mensagem de SMS. Quando o celular recebe a mensagem o circuito aciona o GPS e recebe as informações sobre a localização do veículo. As coordenadas de latitude e longitude são gravadas no microprocessador e é montada uma mensagem de SMS com as informações colhidas do GPS. O circuito então acionará novamente o telefone celular e enviará a mensagem com as informações de localização. O software recebe a mensagem através do telefone. Com a mensagem recebida o software processara as informações e armazena as informações em um arquivo de banco de dados. O software solicita para que o usuário abra o aplicativo Arc Map. Neste aplicativo terá uma rotina automática que acessa o banco de dados com as coordenadas e plota no mapa da Unicenp a localização do veículo.

8 8 Abstract This document together describes a system of tracking of vehicles using a device connected to a vehicle to a microprocessed circuit and a telephonic device of cellular. A software in which was developed manages the tracking system all where the communication with the vehicle will be made. Software contains a data base to store the information of the coordinates of localization of the vehicle. For visualization software ARC GIS was used (ARC MAP) that they will count the road map of Centro Universitário Positivo - UNICENP. The user who operates software will be able to request the localization of the vehicle, filling the number of the cellular one that he is in the vehicle and after that to verify in the Arc Map the localization of exactly inside of the road map of the Unicenp. Software if communicates with the device of cellular in which sends a message of SMS for the cellular one installed in the vehicle. The microprocessed circuit controls the cellular telephone that receives the message from SMS. When the cellular one receives the message the circuit sets in motion the GPS and receives the information on the localization from the vehicle. The coordinates of latitude and longitude are recorded in the microprocessor and are mounted a message of SMS with the harvested information of the GPS. The circuit then will set in motion the cellular telephone again and will send the message with the localization information. Software receives the message through the telephone. With the received message software processes the information and stores the information in an archive of data base. Software requests so that the user opens the software Arc Map. In this applicatory one will have an automatic routine that he has access the data base with the coordinates and locates in the map of the Unicenp the localization of the vehicle.

9 9 1 INTRODUÇÃO Com o crescimento das cidades, desemprego e outros fatores sociais aumentam o roubo de veículos nas cidades. As pessoas não sentem segurança ao deixarem seus carros estacionados nas ruas. Existem vários tipos de alarmes para veículos, mas com o aumento da violência mesmo com os dispositivos de segurança existentes nos veículos, a ousadia dos ladrões é tanta que eles estão assaltando os motoristas, tomando-os como reféns e desmanchando os veículos ou levando-os para serem vendidos em outros estados. Para evitar este tipo de roubo, o mercado está lançando equipamentos rastreadores de veículos. Fazendo uma análise sobre estes produtos, notamos que devido ao alto custo poucas pessoas podem ter acesso a este tipo de dispositivo de segurança. O projeto final desenvolvido atende a este ramo do mercado que está em crescimento. Existem poucas empresas no Brasil que desenvolvem este tipo de tecnologia. O roubo de veículos de cargas e particulares está aumentando assustadoramente, faz-se necessário desenvolver uma tecnologia de baixo custo que venha resolver este problema. A principal meta a ser alcançada é criar uma solução para as empresas que possuem frota de veículos e também para proprietários de caminhões e caminhonetes a diesel. Com este módulo de segurança desenvolvido, você poderá localizar seu veículo dentro de um mapa viário com um simples clicar no mouse. Desse modo o proprietário de veículos pode saber em tempo real onde este está localizado e controlar a rota do seu veículo. Esta nova tecnologia permite que os veículos tenham uma rastreabilidade de uma forma eficiente e rápida.

10 10 2. ESPECIFICAÇÃO 2.1 Descrição A princípio teremos um software que comanda um celular. O software é responsável pelo envio de uma mensagem SMS para o celular do automóvel a ser rastreado e pela recepção da mensagem com as informações de localização do automóvel. O software converte a mensagem recebida que está em formato PDU (protocolo de envio de mensagens) para o formato de dados, para poder trabalhar com as informações enviadas do automóvel rastreado. Após converter as informações o software armazena as informações das coordenadas de latitude e longitude em um banco de dados. Depois de armazenados os dados o software sugere para que o usuário entre no aplicativo Arc Map. No Arc Map foi criado um projeto no qual existe a planta viária do Centro Universitário Positivo. Existe uma rotina automática na qual o Arc Map acessa automaticamente o arquivo de banco de dados onde se encontram as informações com a localização do veículo. Com o acesso a estas informações será plotado no mapa da Unicenp a localização do veículo. O dispositivo instalado no veículo conterá um kit 8051 com um circuito auxiliar no qual auxiliará na comunicação entre o aparelho de telefone celular e o GPS. No kit 8051 terá um software embarca que comandará o telefone celular e o GPS. Primeiramente o kit 8051 fica monitorando o telefone esperando que chegue uma mensagem SMS. Quando o aparelho celular receber uma mensagem SMS. O programa fará a validação da mensagem. É verificado se a mensagem foi enviada pelo software rastreador. Caso a mensagem não seja do software rastreador a mesma é apagada do aparelho celular. Depois da validação da mensagem, o programa embarcado no circuito pede para que sejam lidos os dados do aparelho GPS. O aparelho de GPS fica enviando a cada segundo as informações de latitude e longitude onde está localizado. O GPS e o telefone celular se comunicam com o kit 8051 através da porta serial. Existe um circuito auxiliar comandado pelo software embarcado que comanda este circuito onde ele intercala a comunicação entre o telefone celular e o GPS. Depois de o circuito receber as informações do GPS, as informações são convertidas para o modo PDU a mensagem é montada e enviada para o telefone

11 11 celular. Após o envio da mensagem o software do 8051 volta para o começo e espera receber uma nova mensagem de SMS Motivação Acompanhando o noticiário do cotidiano pudemos verificar que, devido a vários fatores, a violência vem aumentando. Temos muitos assaltos, roubos de veículos, roubos de carga, seqüestros relâmpagos, etc. A insegurança é algo que está se tornando comum entre as pessoas. A industria automobilística tenta a cada dia criar novos dispositivos de segurança, que nunca tinha sido vista no mercado. É uma nova forma de atuar no ramo da segurança automobilística. Com a popularização deste tipo de tecnologia, poderá ser desenvolvido sistema cada vez mais moderno e mais preciso de rastreamento de veículos. Também estava muito interessado em aprender como funciona o envio de mensagens utilizando o telefone celular. Com o advento de envio de mensagens escritas através do telefone celular foi criada uma nova forma de comunicação. Mesmo que você não consiga entrar em contato com uma pessoa, de alguma forma ela vai receber a mensagem que você enviou. Outro fator importante que me motivou foi o aprendizado na área de geoprocessamento. Através de um GPS consigo obter as informações vindas de diversos satélites e consigo ter noção de onde eu estou localizado dentro do globo terrestre Objetivos O objetivo do projeto é do usuário rastrear seu veículo através do computador. Utilizando um software que mostra o mapa viário de uma localidade, com um clique no mouse você poderá saber em que ponto de uma determina localidade seu veículo está localizado. Através de um GPS e um telefone celular controlado por um microprocessador instalado no veículo. O sistema vai comandar o envio de mensagens de SMS para o computador. No software instalado no computador vai aparecer onde o veículo está localizado.

12 Descrição Descrição Geral do Sistema Módulos do sistema O sistema de rastreamento de veículos será dividido nos seguintes módulos. Módulo de Controle e Módulo Veicular Módulo de Controle Figura 1 - Funcionamento do Módulo de Controle Descrição do Software A princípio teremos um software onde o usuário solicita a localização do veículo, preenchendo o software o número do telefone celular que está no veículo. Quando o usuário solicita a localização um aparelho de telefonia celular acoplado no computador recebe um comando do software para enviar uma mensagem SMS para um aparelho celular que está no veículo. O software comanda o aparelho de celular

13 13 a partir da interface RS-232. Depois de enviar a mensagem, o software fica monitorando o telefone celular esperando receber a mensagem com a localização do veículo. Quando o software recebe a mensagem do telefone celular a mensagem é validade. Se a mensagem recebida não for do veículo rastreado à mensagem é apagada da memória do telefone. A partir da mensagem validada, ela é convertida para o formato de dados normal. Depois da conversão são extraídas da mensagem as informações de latitude e longitude onde o veículo está localizado As informações de latitude e longitude são enviadas na unidade de grau e minuto, o software faz a conversão de minuto para grau. Depois da conversão as informações são armazenadas em um arquivo de banco de dados. O banco de dados utilizado é o Paradox 7. Depois de armazenado as informações o software mostra na tela a mensagem recebida pelo celular e sugere para que o usuário abra o programa Arc Map Descrição do uso do Arc Map Quando o usuário abrir o Arc Map existe um projeto no qual está inserido o mapa viário do centro universitário positivo. Ao abrir o projeto existe um botão no qual deve ser pressionado. Este botão invoca uma rotina automática que acessa o mesmo arquivo de banco de dados onde o software inseriu as informações de latitude e longitude referente à localização do veiculo. Com o acesso a estas informações será mostrado no mapa um ponto onde está localizado o veículo. O mapa da Unicenp inserido no Arc Map é um mapa com formato vetorial georeferenciado. As informações de latitude e longitude nas quais foram gravadas no arquivo de banco de dados foram convertidas para a unidade grau para ser compatível com o modo no qual o mapa foi georeferenciado.

14 Módulo Veicular Figura 2 Funcionamento do Módulo Veicular Descrição do Hardware No automóvel a ser rastreado teremos um circuito utilizado na disciplina de microprocessadores, o kit Juntamente com o kit 8051 teremos um circuito auxiliar que contém três portas seriais. Este circuito é utilizado para acoplar o cabo de dados do telefone celular o cabo de dados do GPS e uma extensão de cabo serial que será ligado na porta serial do kit No kit 8051 não será utilizada a memória volátil do tipo Ram, utilizamos apenas a memória não volátil do tipo Eprom para fazer a gravação do software embarcado no qual comandará o telefone celular e o GPS. No circuito auxiliar utilizamos um que trabalha com uma lógica na qual a saída depende de três valores na entrada. Utilizamos também uma porta inversora. Este circuito permite que o 8051 não receba ao mesmo tempo os dados vindos do GPS e do telefone celular. Utilizando a porta T0 do 8051 poderei escolher qual dos dois equipamentos poderei acessar. O trabalha com o modo

15 15 TriState, com isso ligo a porta T0 do 8051 em um pino de habilitação que ativa somente os pinos que estão recebendo os sinais do telefone celular e o outro pino de habilitação recebe o valor de T0 do 8051, mas este valor passa antes por uma porta inversora(7404). Então quando T0 tem um valor alto é ativado um pino de habilitação do aparelho de GPS e quando T0 tem um valor baixo é ativado um pino de habilitação do telefone celular Módulo Adicional Futuramente, pretende-se implementar um dispositivo para mensuração da altitude com relação ao nível do mar. Com este dispositivo poderemos visualizar no software qual a altitude em que o automóvel está com relação ao nível do mar. Terá que ser estudado de que forma o medidor de altitude passará as informações para o celular para que sejam enviadas para o software.

16 ESTUDO TEÓRICO NAVSTAR GPS O GPS, ou NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite with Time And Ranging), é de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América DoD (Department of Defense), com o intuito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Ele resultou da fusão de dois programas financiados pelo governo norte-americano para desenvolver um sistema de navegação de abrangência global: Timation e System 621B, sob responsabilidade da Marinha e da força Aérea. Em razão da alta acurácia proporcionada pelo sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, uma grande comunidade usuária emergiu dos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas, etc). O GPS é um sistema de abrangência global. Esse sistema tem facilitado todas as atividades que necessitam de posicionamento, fazendo que algumas concepções antigas pudessem ser postas em prática. Um exemplo é o desenvolvimento da agricultura. O GPS permite que um usuário, em qualquer local da superfície terrestre, ou próxima a ela, tenha à sua disposição, no mínimo, quatro satélites para serem rastreados, esse número permite a realização de um posicionamento em tempo real. O conceito básico do GPS consiste na medida da distância entre o usuário e quatro satélites. Conhecendo as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do usuário no mesmo sistema de referência dos satélites. (GALERA MONICO, 2000.)

17 Características dos sinais GPS Cada satélite GPs transmite duas ondas portadoras: L1 e L2. Elas são geradas a partir da freqüência fundamental de 10,23 MHz, a qual é multiplicada por 154 e 120, respectivamente. Dessa forma, as freqüências (L) e os comprimentos de onda ( ) de L1 e L2 são: L1 = 1575,42 MHz e =19 cm. L2 = 1227,60 MHz e =19 cm. Essas duas freqüências são geradas simultaneamente, permitindo aos usuários, corrigir grande parte dos efeitos em razão da refração ionosférica. Os códigos que formam o PRN são modulados, em fase, sobre essas duas portadoras. Essa técnica permite realizar medidas de distâncias a partir da medida do tempo de propagação da modulação (LEICK, 1995). Um PRN é uma seqüência binária de +1 e 1, ou 1 e 0, que parece ter característica aleatória. Como é gerado por um algoritmo, pode ser univocamente identificado. Trata-se basicamente dos códigos C/A e P. O código C/A (Coarse Acquisition fácil aquisição), com comprimento de onda por volta de 300m, é transmitido a uma razão de 1,023 MHz. Ele é gerado a partir do produto de duas seqüências PN (Pseudorandom pseudo-aleatória), denominadas G1 e G2, cada uma com período de bits. O código C/A resultante também consistirá de bits, com período de 1ms. Cada satélite transmite um código C/A diferente, dentre os 37 definidos no ICD-GPS-200C (SPILKER, 1996). Isso poderia causar dificuldades para um receptor GPS distinguir entre todos os códigos possíveis. No entanto, o código C/A faz parte de uma família de códigos (gold codes), que tem como característica básica à baixa correlação entre seus membros. Isso possibilita a rápida distinção dos sinais recebidos, simultaneamente, de vários satélites (LEICK, 1995). Ele é modulado somente sobre a portadora L1. Esse é o código a partir do qual os usuários civis obtêm as medidas de distâncias que permitem atingir a acuracidade estipulado no SPS. Ele não é criptografado embora possa ter sua precisão degradada. (GALERA MONICO, 2000.).

18 Descrição dos receptores GPS Os principais componentes de um receptor GPS, tal como mostrado na figura, são (CF. SEEBER, 1993): - Antena com pré-amplificador; - Seção de RF (radiofreqüência) para identificação e processamento do sinal; - Microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados; - Oscilador; - Interface para o usuário, painel de exibição e comandos; - Provisão de energia; - Memória para armazenar os dados. Figura 3 - Diagrama em blocos do GPS Antena A antena detecta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e o envia para a parte eletrônica do receptor. Em razão da estrutura dos sinais GPS, todas as antenas devem ser polarizadas circularmente à direita.

19 19 Seção de RF os sinais que entram no receptor são convertidos na divisão de RF para uma freqüência mas baixa, denominada freqüência intermediária (fl), a qual é mais fácil de ser tratada nas demais partes do receptor. Isso é realizado pela combinação do sinal recebido pelo receptor com um sinal senoidal gerado pelo oscilador do receptor. Normalmente, os osciladores dos receptores GPS são de quartzo. Canais O canal de um receptor é considerado a sua unidade eletrônica primordial, podendo o receptor possuir um ou mais canais. Os tipos de canais podem ser divididos em multicanais (canais dedicados), seqüências e multiplexados. Nos receptores multicanais, também denominados canais paralelor, cada canal rastreia continuamente um dos satélites visíveis. No mínimo quatro canais são necessários para obter posição e correção do relógio em tempo real. Nos receptores seqüências, o canal alterna entre satélites dentro de intervalos regulares, normalmente não coincidentes com a transmissão dos dados, fazendo com que a mensagem do satélite só seja recebida completamente depois de vária seqüências. Microprocessador O microprocessador é necessário no controle das operações do receptor (obter e processa o sinal, decodificar a mensagem de navegação), bem como para calcular posições e velocidades, além de outras funções (controle dos dados de entrada e saída, mostrar informações). Ele utiliza dados digitais para efetuar suas funções. (GALERA MONICO, 2000.)

20 Classificação dos receptores GPS Os receptores GPS podem ser divididos segundo vários critérios. Um deles é, de acordo com a comunidade usuária, a classificação em: - Receptor de uso militar; - Receptor de uso civil. Podem ainda ser classificado de acordo com a aplicação: - Receptor de navegação; - Receptor geodésico; - Receptor para SIG (sistema de informações geográficas); - Receptor de aquisição de tempo, etc GPS Garmin Segundo fabricante (Garmin, 2004), no projeto foi utilizado o aparelho GPS Garmin. O GSP Garmin manda as informações no seguinte formato. Abaixo temos uma tabela na qual descreve o formato dos dados que são enviados pelo GPS para o computador através da interface RS 232. Tempo Descrição do Campo Tamanho Nota Começo da Mensagem Ano 2 Dois últimos dígitos do ano Mês 2 Mês, "01".."12" Dia 2 UTC dia do mês, "01".."31" Hora 2 UTC hora, "00".."23" Minuto 2 UTC minut0, "00".."59" Segundo 2 UTC segundo, "00".."59" Hemisfério de Latitude 1 'N' or 'S' Posição de Latitude 7 ddº mmmmm' (Grau = dd / Minuto = mmmmm) Hemisfério de Longitude 1 'E' or 'W' Posição de Longitude 8 dddº mmmmm' (Grau = ddd / Minuto = mmmmm) Posição d' posição 2D 'D' posição 3D 'g' posição corrente do GPS em 2D 'G' posição corrente do GPS em 3D 'S' posição de simulação Estatus da Posição 1 '_' posição inválida Erro Horizontal 3 EPH em metros Sinal de Altitude 1 '+' or '-' Velocidade Altitude 5 Posição de altitude acima ou abaixo no nível do mar.

21 21 Direção da Velocidade Longitudinal 1 'E' or 'W' Velocidade Longitudinal 4 Velocidade em m/s ("1234" = m/s) Direção da Velocidade Latitudinal 1 'N' or 'S' Velocidade Latitudinal 4 Velocidade em m/s ("1234" = m/s) Direção vertical da velocidade 1 'U' (up) or 'D' (down) Velocidade Vertical 4 Velocidade em m/s ("1234" = m/s) Final da mensagem 2 Retorno do Carro Tabela 01 Mensagem do GPS Garmin Etrex Figura 4 - Aparelho GPS Garmin Etrex Microcontrolador Microcontrolador é um dispositivo utilizado para controlar e monitorar funções durante um processo. A partir do advento dos circuitos integrados TTL, pode-se delinear três gerações no que diz respeito à implementação de controladores. Na primeira geração estão os projetos envolvendo circuitos integrados TTL, na sua maioria. O alto consumo de energia, a grande quantidade de chips envolvidos e a dificuldade em se realizar reengenharia tornou a segunda geração atraente aos projetistas. O advento dos microprocessadores tornou versátil o projeto de circuitos destinados ao controle: é a segunda geração de controladores. Boa parte das funções, antes implementadas por hardware, passou a ser implementadas por software. A terceira geração veio para integrar em um único chip boa parte dessa estrutura. Microcontroladores integram as funções de um microprocessador, memória de dados e de instruções e ainda, dependendo da complexidade, portas seriais e paralelas bidirecionais, conversores A/D, timers, watchdog e outros. (PEREIRA DA SILVA, 2000).

22 Microcontrolador 8051 A partir da década de 80, a família MCS-51 da Intel obteve grande sucesso, com microcontroladores de uso geral com capacidades de memória e I/Os diferenciados. A família MCS-51 pode incorporar memória de programa e dados internamente com a possibilidade de expansão de até 64K bytes de programa e mais 64 Kbytes de dados. Permite o acesso a portas internas de I/O, canal de comunicação serial UART full duplex, interrupções com estrutura nesting com 5 fontes mascaráveis e dois níveis de prioridade, timers/counters de 16 bits, oscilador interno, freqüência de clock típica de 12 MHz. A família MCS-51 permite facilidades de software que permitem a execução de complexas operações aritméticas e lógicas (multiplicação, divisão, permuta e deslocamento de bits, etc). Esta família trabalha com bancos de registradores nominais e também com bits endereçáveis na RAM. A figura ilustra a pinagem do microcontrolador 8051: (PEREIRA DA SILVA, 2000). Figura 5 - Pinagem do microcontrolador 8051

23 23 Figura 6 - Execução a partir da memória externa Para a implementação do hardware foi escolhido o microcontrolador 8051 por este atender aos requisitos básicos para funcionamento do projeto, estes requisitos são: - Porta serial; Outra vantagem para a sua utilização no projeto é que as ferramentas necessárias estão disponíveis no laboratório de lógica programável do curso de engenharia da computação do UnicenP.

24 24 Outras vantagens do 8051: - Popular: prontamente disponível e amplo suporte. Gama completa de produtos de suporte estão disponíveis de graça e comercialmente. - Rápido e eficaz: a arquitetura se correlaciona de perto com o problema sendo solucionado (sistemas de controle). Instruções especializadas significam que menos bytes precisam ser buscados e menos jumps condicionais são processados. - Baixo custo: alto nível de integração do sistema em um único componente. Poucos componentes são necessários para se criar um sistema que funcione. - Ampla gama de produtos: uma única família de microcontroladores cobre as opções que outros fornecedores só conseguem cobrir com um número razoável de diferentes e incompatíveis famílias. Desse modo, o 8051 proporciona economia real em termos de custo de ferramentas, treinamento e suporte para software. - Compatibilidade: opcodes e código binário são os mesmos para todas as variações do 8051, diferente de outras famílias de microcontroladores. - Multi-Sourced: mais de 12 fabricantes, centenas de variedades. - Aperfeiçoamentos constantes : melhorias na manufatura aumentam a velocidade e potência anualmente. Há ainda versões de 16 bits vindo de diversos fabricantes.

25 Porta Serial Diante da necessidade de comunicar equipamentos a grande distância, foi criada a transmissão serial. Atualmente, o meio mais utilizado para o transporte serial de informação é a linha telefônica, privada ou pública, que com a ajuda de aparelhos dedicados permite a ligação de dois ou mais computadores, por exemplo, em países diferentes, bastando para tal a disponibilidade da linha telefônica e seus sistemas próprios (centrais, antenas e até mesmo satélites) Na transmissão serial, o envio de um certo caractere (vários bits) é feita de tal forma, que cada bit de cada caractere é transmitido de forma seqüencial, um após o outro. Para que vários sistemas se comuniquem, foi criado um código binário para cada caractere, de tal forma que exista compatibilidade. Atualmente usa-se o código ASCII (American Standart Code for Interchange of Information), neste código, cada caractere possui se corresponde em binário, incluindo-se aí vários caracteres de controle e sinais especiais Modo Síncrono de Comunicação Este modo necessita de um sincronismo entre dois sistemas em comunicação, este sincronismo é gerado por um conjunto de bits, denominado bits de sincronismo, que ao serem recebidos pelo elemento receptor, ajustam seu relógio (clock) interno para receberem um conjunto de bits referentes aos dados. Logo após o último bit de dado, o transmissor envia um conjunto de bits chamado bits de parada, que ao serem detectados pelo receptor informam que acabaram os bits de dados. Estes bits de parada podem conter ou não informações a respeito dos bits transmitidos, para permitirem ao receptor confirmar se recebeu os bits corretamente.

26 Modo Assíncrono de Comunicação Neste modo não existe a necessidade de gerar sincronismo, cada caractere é transmitido individualmente, e para cada caractere (transmitido bit a bit) existe bits de início de transmissão (Start bit) e bits de fim de transmissão (Stop bit). O Start bit é reconhecido pela transição do nível presente na linha de 1 para 0. Neste instante, o clock interno do sistema efetua uma varredura da linha de tempos em tempos para detectar o nível na mesma, nível que será associado a cada bit de forma conveniente. Ao reconhecer o sétimo bit, o sistema fica esperando o Stop bit, que é a transição de 0 para 1, ou a permanência em nível 1, se já estava em 1. Neste ponto, o sistema entra em repouso e fica na espera de um novo Start bit, para iniciar a recepção de um novo caractere. Neste modo de transmissão, deve-se garantir que o transmissor e o receptor operem com a mesma taxa de transmissão e recepção Canais Simplex, Half-Duplex e Full-Duplex Existem três maneiras de interligar dispositivo digitais: O modo simplex de interligação de dispositivos possui um elemento que apenas transmite e outro que apenas recebe. Exemplo: terminais de dados e impressoras. Outro modo é o Half-Duplex, ou Semiduplex, este modo permite elementos que recebem e transmitem dados, embora as duas operações não possam ocorrer simultaneamente. E o último modo é o Full-Duplex, onde os sistemas podem transmitir e receber dados simultaneamente.

27 Interface serial no 8051 No 8051, a interface serial é do tipo Full-Duplex, isto significa que o microcontrolador pode receber e transmitir dados simultaneamente, sendo que para tal existe registros especiais para este fim. Este registro chama-se SBUF (Serial Buffer) e uma escrita no mesmo implica em automática transmissão do dado escrito, assim como um dado que chegue no pino de recepção, independente do controle do usuário (desde que o canal serial esteja habilitado e corretamente ajustado) (PEREIRA DA SILVA, 2000). Existe na realidade, dois registros com o mesmo nome SBUF. Sendo um para recepção e outro para transmissão. O reconhecimento é feito pelo sistema através das instruções que acessarão o mesmo Comunicação RS-232 para o 8051 Na implementação do projeto será necessário efetuar as comunicações com o módulo GPS e com o módulo de transmissão celular através do padrão RS-232 ao invés dos níveis TTL presentes nos pinos do chip. A comunicação RS-232 nasceu da necessidade de criar um padrão para a comunicação serial, através da definição de níveis de tensão e de impedância para a transmissão de dados, permitindo que equipamentos incompatíveis entre si pudessem ser interligados. Os níveis de tensão o padrão RS-232C (o mais difundido atualmente) vão de 15 até +15 Volts, divididos da seguinte forma: Nível lógico 0 Nível lógico 1 +5 a + 15 Volts -5 a 15 Volts A região entre 5 e +5 Volts é conhecida como região de transição, e não é reconhecida pelo sistema. Para que a comunicação possa ser efetuada entre os módulos e o microcontrolador será necessário à transformação do padrão TTL (natural ao microcontrolador) para o padrão RS-232 (padrão dos módulos).

28 Transmissão No módulo de transmissão foram estudadas três alternativas diferentes para a comunicação de dados, são elas: - Transmissão por rádio freqüência. - Transmissão via satélite. - Transmissão via celular. Uma análise aprofundada sobre cada uma das tecnologias foi feita para saber qual empregar. Foram avaliadas questões como distância de alcance, capacidade de transmissão, viabilidade econômica, etc. Abaixo uma descrição de cada tecnologia com suas vantagens e desvantagens Transmissão via telefonia celular No Brasil, a telefonia celular tornou-se popular a partir dos anos 90, (com o aparecimento do AMPS) seguido pelos sistemas celulares digitais TDMA, CDMA e a poucos anos a tecnologia GSM. A finalidade de um sistema de telefonia celular é permitir a comunicação entre dois telefones móveis ou entre telefones móveis e fixos. Para isso, é utilizado um sistema composto pela rede de telefonia pública comutada (RTPC), que atende os telefones fixos, e por uma rede de telefonia móvel, composta pela CCC (Central de Controle Celular) e algumas ERBs (Estações Radiobase), além dos TCs (telofones Celulares). A CCC comunica-se com ERBs por meio de circuitos de voz e dados. A comunicação de telefone celular para telefone celular, desde que na mesma localidade, não passa pela rede telefônica pública comutada. O percurso será via rádio entre o TC1 e a ERB1, via tronco entre a ERB1 e a CCC e entre a CCC e a ERB2. A ERB2 comunica-se via rádio com TC2. A estrutura do sistema celular oferece várias vantagens. A presença de uma rede de ERBs espalhadas pela cidade proporciona uma menor distância média entre elas e os telefones celulares. Por esses motivos, a potência necessária para a transmissão é menor, permitindo que as freqüências empregadas na transmissão possam ser reutilizadas por ERBs afastadas, aumentando o número de usuários atendidos pelo sistema. A baixa potência de transmissão permite o emprego de

29 29 telefones celulares de peso e tamanho reduzidos, além de aumentar a duração da carga da batera. De forma a utilizar uma rede de comunicação de dados já inteiramente pronta, a sua confiabilidade perante o sistema de rádio transmissão e ao seu custo médio, a tecnologia adotada para o projeto é a de telefonia celular. Usando transmissão de mensagens de texto (SMS) como meio de transmissão de dados do coletor para a estação central de geoprocessamento. O cálculo do custo para a transmissão via celular inclui a aquisição de dois aparelhos celulares com preço entre R$ 100,00 e R$ 150,00. O preço cobrado pelas companhias de telefone celulares para mensagens de texto está em média R$ 0,20 este valor viabiliza o pequeno volume de dados que será transmitido, para um sistema comercial de grande escala e grande volume de dados transmitido este valor se tornaria inviável Listagem dos comandos AT para celulares GSM (SIEMENS CELLULAR ENGINES. 2003) AT+CMGF Seleciona o tipo do formato da mensagem SMS Este comando seleciona o modo de operação de envio das mensagens SMS para os módulos GSM, se este parâmetro for selecionado em modo 0 o celular irá trabalhar em modo PDU, se for selecionado modo 1 o celular irá trabalhar em modo texto. AT+CMGR Lê uma mensagem SMS O comando para leitura de mensagens exige um parâmetro que identifica quais mensagens estão sendo lidas. O comando apresenta como resposta além do modo PDU um índice da mensagem. Este comando segue a definição dos seguintes parâmetros: 0 Mensagens recebidas não lidas (padrão) 1 Mensagens recebidas lidas 2 Mensagens não enviadas salvas 3 Mensagens enviadas salvas

30 30 AT+CMGS Envia uma mensagem SMS Este comando serve para enviar uma mensagem SMS, ele exige como parâmetros o comprimento da string da mensagem e a string do modo PDU. AT+CMGL Lista as mensagens de SMS armazenadas no celular. Este comando lista as mensagens SMS existentes na memória preferencial do celular e para indicar qual o tipo de mensagem queremos ver devemos indicar os parâmetros segundo a seguinte definição: 0 Mensagens recebidas não lidas (padrão) 1 Mensagens recebidas lidas 2 Mensagens não enviadas salvas 3 Mensagens enviadas salvas 4 Todas as mensagens AT+CMGD Apaga as mensagens armazenadas no celular. Este comando ao ser enviado para a serial do computador e recebido por um celular compatível provoca a deleção de uma mensagem SMS que está na memória preferencial.

31 Mensagens em Modo PDU Este é o formato PDU no qual os celulares GSM utilizam para fazer o envio de mensagens SMS. Assim está descrita como é montada uma mensagem de SMS utilizando o formato PDU Valor Enviado Descrição Comprimento da informação de SMSC (em octetos deste caso 7). Parte inferior do formulário Tipo do endereço SMSC(formato internacional de 91 meios do número de telefone). Parte inferior do formulário Número da central de serviços de SMS representada no formato de semi-octetos. O comprimento do número de telefone é impar (11), assim um F foi adicionado aos octetos apropriados do formulário. O número de telefone deste centro de serviço é " ". Parte inferior do formulário F5 04 Primeiro octeto do envio de mensagem SMS. 0B Comprimento do número do remetente (hex 0B = dec 11). Parte inferior do formulário Número do remetente (semi-octetos decimais), com um F adicionado. " ". Parte inferior do formulário F1 00 TP-PID. Identificador de Protocolo. 00 TP-DCS. Esquema de codificação dos dados. TP-SCTS. Ano, mês, dia, hora, minuto, segundo e timezon representado no formato de semioctetos. 0A Comprimento da Mensagem E8329BFD4697D9EC37 Mensagem "hellohello". Formato octetos 8-bit, que representam os dados 7-bit. Na tabela abaixo podemos ver como escrever uma mensagem utilizando o modo PDU. A mensagem escrita é transformada da representação de 7-bits para o formato octetos 8-bits. Cada caracter é representado por um valor em código ASCII. Este valor é representado em 7-bits, mas este valor é convertido para o formato octeto 8-bits como demonstrado abaixo.

32 32 Mensagem h e l l o h e l l o Caracter em Ascii Valor Ascii em binario E Conversão para representação em 8bits Representação em Hexadecimal E8 32 9B FD D9 EC Geoprocessamento Sistemas de Informações Geográfica (SIG) O SIG, possui como característica básica, a integração de dois tipos distintos de dados: gráficos e não-gráficos. Os gráficos correspondem à base cartográfica, na qual as entidades como pontos, linhas e polígonos representam os diversos aspectos existentes e possíveis de serem mapeados (residências, curvas de nível, rede hidrográfica, etc). Os dados gráficos podem ser de modelo vetorial e raster. O modelo vetorial caracteriza-se pela facilidade de localizar, relacionar e descrever as entidades. O modelo de dados raster consiste de um grid regular, composto por linhas e colunas, onde cada posição, definida por uma linha e por uma coluna, representa um pixel (picture element ou picture cell) ou célula; os não gráficos, também conhecidos por descritivos ou atributos, caracterizam quantitativamente e qualitativamente as entidades contidas na base cartográfica digital (tipo de solo, pluviosidade, estrutura geológica, etc). Comumente, nos sistema do tipo SIG, usa-se a topologia para armazenar e permitir o relacionamento entre os vários modelos de dados ou objetos espaciais. A topologia que envolve o uso da teoria de grafos para separa e relacionar objetos cartográficos, usando-se uma série de arcos e nós, dá inteligência à BD cartográfica. Este tipo de modelo de dados representa uma diferença, e para muitas aplicações, é uma estrutura superior de gerenciamento de dados geográficos se comparado com os modelos gráficos. O SIG manipula grande coleção de informações espaciais. Além de ser uma ferramenta gráfica flexível, um SIG é fundamentalmente direcionado para manipular grande coleção de informações espaciais. Recursos operacionais são incluídos para executar recobrimentos de dados geográficos de grandes áreas, para serem

33 33 eficientemente organizados, pesquisados e visualizados. Também, recursos funcionais são incluídos como ferramentas analíticas e de manipulação, que são difíceis ou complexas de serem executadas numa BDs geograficamente estruturada. Esses recursos incluem ferramentas como identificação automática de relacionamento entre e dentro dos mapas, seleção de rotas ótimas numa rede de linhas e análise de fluxos dentro de relevos. O modelo de dados de um SIG envolve armazenamento de dados tabulares (atributos) em associação com muitas entidades cartográficas simples (pontos, linhas e polígonos). Na abordagem ferramentalista do SIG, este está desenhado para a entrada, gerenciamento, manipulação, análise, pesquisa, e visualização de grande coleção de dados espaciais. As ferramentas operacionais são tipicamente organizadas em torno de uma BD do SIG, de modo a prover múltiplos usos com referência na BD. (PAREDES, 1994) Características dos dados espaciais Os dados espaciais são aqueles que se referenciam no espaço terrestre por meio de coordenadas x, y (que descrevem a localização) e uma variável z, que representa o atributo. Os dados espaciais descrevem objetos do mundo real em termos de posição com relação a um sistema de coordenadas, de atributos (cor, custo, etc) e parâmetros espaciais pelas relações topológicas, e descreve a união desses dados entre si. Assim a: - Localização define a condição geométrica das entidades; normalmente identificada por coordenadas; - Relação define a topologia das entidades, sempre identificadas por apontadores; - Descrição define os atributos das entidades, geralmente identificados por códigos. De acordo com The American Cartographer (Janeiro, 1998), a padronização dos dados espaciais estã baseada em entidades do mundo real e o mecanismo para representá-los é feito a nível de objetos numa BD Cartográfica. Dentro dessa proposta existem conjuntos de definições dos

34 34 objetos espaciais, os quais estão divididos em classes baseadas na dimensão espacial dos mesmos. Um objeto 0-dimensional é um ponto que especifica uma localização geométrica. Pelo enfoque matemático o ponto é uma localização primitiva que não possui área. Esses pontos são usados também para posicionar textosx, símbolos, etc. Um objeto 1-dimensioanal é uma linha entre dois pontos. Possuem muitas formas complexas: retas e curvas resultantes de funções matemáticas. Nessa linha, diferenciam-se perfeitamente o ponto final como início da linha e ponto final como fim da linha, aspectos importantes numa análise de redes. Um objeto 2-dimensional é uma área que também apresenta diversas formas.

35 Especificação do Hardware No funcionamento do sistema de monitoração do veículo, temos um hardware que será instalado no computador (módulo de controle). Teremos também o hardware que será instalado no veículo (módulo veicular) Módulo de Controle Para fazer a comunicação entre o módulo de controle e o módulo veicular será utilizado um aparelho telefônico celular. A comunicação entre o aparelho telefônico será feita através de um cabo acoplado ao aparelho que se acopla ao computador utilizando a interface serial (RS-232). O módulo de controle será comandado pelo software. O usuário que opera o software que ativará a comunicação do celular com o computador. Será utilizado um aparelho celular Siemens C60 (GSM). Figura 7 - Hardware Módulo de Controle Módulo Veicular O sistema será responsável por controlar um aparelho telefônico SMS modelo Siemens C60 e um módulo GPS modelo Garmin. O hardware será microprocessador. Será utilizado um microprocessador O funcionamento do sistema será da seguinte forma: O microprocessador 8051 vai monitorar o aparelho telefônico, quando o aparelho receber uma mensagem SMS do módulo de controle o microprocessador deve acionar o GPS.

36 36 Existe um circuito auxiliar com três portas seriais. O circuito serve para ligar o circuito do microprocessador ao aparelho telefônico e ao GPS. O circuito vai acionar o GPS o microprocessador vai receber as coordenadas de latitude e longitude vindas do GPS. O microprocessador acionará novamente o aparelho de celular, enviará para ele as informações armazenadas da localização do veículo. O aparelho de celular receberá as informações e através de comandos enviados pelo microprocessador enviará uma mensagem SMS com as informações colhidas do GPS para o módulo de controle. Serão utilizados um microprocessador 8051, um aparelho celular Siemens C60 e um aparelho GPS Garmin Etrex. Figura 8 - Hardware Módulo Veícular.

37 Especificação do Software Software do módulo de controle. Para implementar o software que comanda um aparelho telefônico celular e que armazenamento as coordenadas de localização em um banco de dados. Foi levantado os requisitos do software utilizando os conceitos aprendidos em Engenharia de Software. Foi utilizada uma linguagem de programação orientada a objeto. A linguagem a ser utilizada será o C++. Para realizar a comunicação do software com o aparelho telefônico, foi utilizado conceito de comunicação com interface RS232. Para o armazenamento dos dados recebidos através do telefone celular são armazenados em um banco de dados. O banco de dados utilizados é o paradox Software para demonstração da localização do veículo Foi desenvolvido também um algoritmo para automatizar o processo para plotar um ponto no mapa viário da Unicenp. Foi utilizado o software Arc Map, para monstrar o mapa da Unicenp. Foi utilizada uma macro desenvolvida utilizando a linguagem visual basic. Foi feita uma rotina na qual faz com que seja acessado um arquivo de banco de dados no qual contem as informações de latitude e longitude de onde o veículo está localizado Software Embarcado no módulo veícular Foi desenvolvido um software embarcado no qual funciona na plataforma do kit O software controla o telefone celular e o aparelho de GPS. O software monitorá se o celular recebe uma mensagem de SMS. Quando o celular recebe uma mensagem a mesma é validade. Depois de validada o software pega as informações que são enviadas pelo GPS. Após armazenar estás informações o software monta uma mensagem de SMS converte para o formato PDU e envia está mensagem para que o aparelho de celular envie está mensagem para o módulo de controle. O software desenvolvido utiliza a linguagem C e o compilador utilizado foi o Keil uvision 2.

38 Especificação da validação do projeto O módulo veicular tem seu processamento controlado pelo microprocessador 8051, envolveram conceitos de microprocessadores, sistemas digitais e instrumentação eletrônica tanto no módulo controlador quanto no módulo de transmissão. Os testes de funcionamento do telefone celular, do aparelho GPS e do funcionamento foram utilizados o hyperterminal. Software auxiliar que faz comunicação com interface RS 232. Os testes com software embarcado: Primeiramente foram realizados vários testes fazendo execusões passo a passo através do compilador Keil. Em seguida foram realizados testes com o telefone celular e o hyperteminal. Por último foram feitos testes juntando o módulo de controle e o módulo veicular. Os módulos de software envolvem conceitos de programação em linguagem C++, Visual Basic e a utilização do ARCVIEW. Foram envolvidos conceitos de geoprocessamento e conhecimentos em banco de dados. Os testes de software foram realizados da seguinte forma: Primeiramente com execuções passo a passo utilizando o Builder 5.0. Em seguida foram feitos testes com o aparelho celular acoplado a porta serial do computador. Por último foram feitos testes com o módulo de controle e o módulo veicular.