implementacion de un sistema de cicloparqueadero con...
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IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE CICLOPARQUEADEROS CON
TECNOLOGIA NFC
Proyecto de grado
Modalidad: Monografía
ANDRÉS CAMILO LÓPEZ GARCÍA
JHOAN MANUEL MURILLO YARA
DIRIGIDO POR:
PH.D, MSC. ROBERTO FERRO ESCOBAR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2018
2
IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE CICLOPARQUEADEROS CON
TECNOLOGIA NFC
ANDRÉS CAMILO LÓPEZ GARCÍA
20121005064
JHOAN MANUEL MURILLO YARA
20111005011
Trabajo de grado para optar al título de:
Ingeniero Electrónico
DIRIGIDO POR:
PH.D, MSC. ROBERTO FERRO ESCOBAR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2018
3
CONTENIDO
Contenido ...................................................................................................................................................... 3
INTRODUCCION ........................................................................................................................................ 5
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................. 6
2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO .................................................................................................. 7
2.1 Justificación Social: ...................................................................................................................... 7
2.2 Justificación Investigativa: ............................................................................................................ 7
2.3 Justificación Ambiental: ............................................................................................................... 7
3 OBJETIVOS DEL PROYECTO .......................................................................................................... 8
3.1 Objetivo Principal: ........................................................................................................................ 8
3.2 Objetivos Específicos:................................................................................................................... 8
4 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................. 9
4.1 Tecnología NFC ............................................................................................................................ 9
Introducción .......................................................................................................................... 9
Desarrollo y Evolución ....................................................................................................... 11
Tipos o Formas de Comunicación....................................................................................... 12
Seguridad ............................................................................................................................ 13
4.2 Ciclo parqueaderos ...................................................................................................................... 14
Introducción ........................................................................................................................ 14
Modelos de Estacionamientos ............................................................................................. 15
4.3 Software de Aplicación ............................................................................................................... 18
Base de Datos ...................................................................................................................... 18
Servidor ............................................................................................................................... 24
Cliente ................................................................................................................................. 25
4.4 Hardware ..................................................................................................................................... 26
Módulos de desarrollo ......................................................................................................... 26
Sistema de potencia y actuadores ........................................................................................ 29
5 ANTECEDENTES ............................................................................................................................. 34
5.1 Tecnología NFC .......................................................................................................................... 34
5.2 Grupo de Investigación L.I.D.E.R .............................................................................................. 34
5.3 Ciclo parqueaderos ...................................................................................................................... 35
5.3.1 BIGLOO ............................................................................................................................. 35
5.3.2 BICEBERG ......................................................................................................................... 36
6 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA ....................................................................................... 37
4
6.1 ESTUDIO ................................................................................................................................... 37
6.1.1 BIKED APP ESTRUCTURA – BOGOTA, COLOMBIA ................................................. 37
6.1.2 BICIBOX ESPAÑA ............................................................................................................ 38
6.1.3 BIKEDISPENSER – HOLANDA ...................................................................................... 39
6.1.4 CICLO PARQUEADERO JAPÓNES ................................................................................ 40
6.1.5 BIKE TOWER .................................................................................................................... 42
6.1.6 QATAR VERTICAL .......................................................................................................... 43
6.1.7 BICIMAD ........................................................................................................................... 44
6.1.8 Bicicleta como Mercancía ................................................................................................... 45
6.2 SELECCIÓN ............................................................................................................................... 49
Recopilación de Datos ........................................................................................................ 49
Selección de Criterios ......................................................................................................... 50
Modelado y análisis 3D ....................................................................................................... 56
Dimensiones de Bicicletas .................................................................................................. 57
6.3 DISEÑO ...................................................................................................................................... 59
Diseño Mecánico................................................................................................................. 59
Diseño Electrónico .............................................................................................................. 61
Diseño de Software ............................................................................................................. 63
6.4 IMPLEMENTACION ................................................................................................................. 71
Implementación de Software .............................................................................................. 71
Implementación Mecánica .................................................................................................. 86
Implementacion Electronica ............................................................................................... 92
7 ANALISIS DE LOS RESULTADOS ................................................................................................. 94
7.1 Análisis Mecánico ....................................................................................................................... 94
7.2 Análisis Electrónico .................................................................................................................... 94
7.3 Análisis de Software ................................................................................................................... 95
8 ANEXOS ............................................................................................................................................ 96
8.1 Costos Aproximados de Implementación Real ........................................................................... 96
8.2 Videos en el Repositorio de la Red RITA ................................................................................... 99
8.3 Repositorio Algoritmos ............................................................................................................... 99
9 CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 100
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................... 101
5
INTRODUCCION
La definición de Smart Cities es un tema que cada vez toma más fuerza y poder en los temas de
sostenibilidad y calidad de vida. El crecimiento demográfico de las ciudades de América Latina ha afectado
estos dos aspectos, al principio se planteó como un problema, pero este problema trajo con él la evolución
en el ámbito de gobernanza y la toma de decisiones, uso eficiente de los recursos naturales y el nacimiento
de las ciudades inteligentes (relación de tecnología y eficiencia en el uso de los recursos naturales).
El uso de la bicicleta en Bogotá cada vez es mayor “En Bogotá se calcula que se llegará a 2
millones de viajes en bicicleta en los próximos 10 años. Hoy en día se hacen 500 mil” [1], debido a los
problemas de movilización (comodidad, tiempo de viaje, seguridad, etc.), a la conciencia ciudadana y
compasión con el medio ambiente, ya muchas personas son conscientes del daño que se le está causando al
planeta con los altos índices de contaminación. “Ante la declaratoria de alerta roja en Medellín por los
altos niveles de contaminación del aire, en especial en su zona céntrica, la pregunta que ha salido a flote
ahora es si Bogotá va por el mismo camino, dado que también presenta un incremento de su parque
automotor, carros chimenea y concentración de partículas contaminantes [2] “ este es un párrafo de El
Tiempo el cual advierte a Bogotá con la alerta roja en Medellín.
Viendo la bicicleta como una gran opción de ayuda para el desarrollo sostenible y teniendo en
cuenta el auge que han tomado las ciudades inteligentes, se están desarrollando los ciclo parqueaderos
inteligentes que se basan en el almacenamiento de las bicicletas ofreciendo la seguridad de estas, apoyados
en dispositivos electrónicos para el reconocimiento de personas y evitar el fraude o robo de bicicletas por
la suplantación de personas. Estos dispositivos han sido equipos de biometría huella dactilar, uso de teclados
para la identificación mediante claves privadas, tecnologías de identificación por radiofrecuencia (RFID),
basadas en el uso de etiquetas (tarjetas que usa cada persona para realizar la identificación) y lectores
(ubicados en cada ciclo parqueadero para verificar que la etiqueta sea válida).
RFID es el proceso en el cual objetos son identificados de manera única usando ondas de radio y
NFC es una tecnología especializada dentro de la familia de tecnologías RFID. El sistema de comunicación
NFC tiene ciertas ventajas de seguridad, por ejemplo, el alcance de la etiqueta con el lector es de máximo
20 cm, aunque en la práctica es de aproximadamente 8 cm, esto es una gran ventaja porque es casi imposible
la interferencia de un tercero en el intercambio de la información. Otra ventaja es su transmisión de
información casi inmediata, su tasa de transferencia es de 424 kbit/s.
En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se ha venido presentando un problema de
infraestructura y falta de espacio para el almacenamiento de las bicicletas de los estudiantes, profesores y
funcionarios de esta. Al brindar la posibilidad de poder implementar un modelo de ciclo parqueadero
automatizado existe la posibilidad de mejorar opciones para almacenar una bicicleta y mejorar la seguridad
de esta al ser respaldada por la tecnología NFC, pues cada etiqueta es única, agilidad en el proceso de
registrarla, pues como se explicó anteriormente el intercambio de información entre etiqueta y lector es casi
inmediata.
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad hay un aumento en el uso de sistemas alternativos de transporte como el uso de
bicicletas, ciclomotores y motos eléctricas en la ciudad de Bogotá, debido a factores como la movilidad y
el cambio climático. En la sede de ingeniería de la Universidad Francisco José de Caldas se evidencia un
problema de organización, almacenamiento y seguridad en los ciclo-parqueaderos.
La Universidad se ha encontrado con un problema de infraestructura considerable en cuanto a
sus ciclo-parqueaderos, ya que no está preparada para recibir la cantidad de bicicletas que se presenta. Se
han buscado soluciones para este problema con solicitudes de los usuarios para financiar más ciclo-
parqueaderos, pero sin ninguna respuesta. En cuanto a la seguridad se ha puesto vigilancia, pero esto no
asegura la tranquilidad dado que el volumen de bicicletas es muy grande. En cuanto al espacio, se
encuentran al aire libre con un espacio reducido ya que la sede de ingeniería se encuentra en una zona
reducida en el centro de la ciudad.
NFC (Near Field Comunication) o en español, Comunicación de Campo Cercano, consiste en
comunicación inalámbrica de datos la cual puede transferir información de forma rápida y segura. Ha tenido
una gran acogida para los pagos de servicios de transporte masivo como Transmilenio y el SITP, en los
sistemas de pagos a través de celulares [2], conexión inmediata de dispositivos móviles [1] e inclusive como
accesos para edificios y conjuntos.
La Universidad Francisco José de Caldas implementó este tipo de tecnología en los identificadores
más recientes de la comunidad educativa en la Facultad de Ingeniería para el uso en el sistema de transporte
Transmilenio y SITP. La idea es el acoplamiento de este sistema de comunicación para resolver los
problemas de seguridad, almacenamiento e ingreso de las bicicletas usadas por comunidad educativa.
Actualmente el registro de los usuarios se hace mediante documentación escrita, lo cual genera un retraso
de tiempo en horas pico. El sistema NFC como explicamos anteriormente permite el intercambio de
información casi inmediata lo cual agiliza el procedimiento de registro y almacenamiento de las bicicletas. Nuestra pregunta a solucionar será:
¿Cómo se puede mejorar el registro, almacenamiento y seguridad de los usuarios en los ciclo-
parqueaderos usando la tecnología de comunicación de campo cercano (NFC) en la Sede de ingeniería de
la Universidad Francisco José de Caldas?
7
2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL:
Debido a problemas en el aspecto de la movilidad, espacio, ambiente y uso de recursos, en las
ciudades debido a la congestión y la contaminación vehicular (Comercio, Movilidad En Bicicleta En Bogotá
Año 2009, 2017), se ha optado por formas alternativas de transporte, entre ellos la bicicleta, la cual puede
ofrecer muchos beneficios, desde tipo ambiental, hasta tipo económico y de salud. La justificación social
es fomentar el uso de la bicicleta como alternativa de transporte mostrando los posibles beneficios de viajar
en un medio de transporte más sustentable y mejorar la movilidad de la comunidad educativa.
2.2 JUSTIFICACIÓN INVESTIGATIVA:
La identificación personal se modifica a medida que la tecnología lo permite. La tecnología NFC ha
sido acogida en países altamente desarrollados para el acceso inmediato y seguro de cada individuo a un
respectivo lugar. En ciudades como Bogotá se ha implementado de forma masiva en el pago de servicios
de Transporte Masivo como Transmilenio y el SITP y Empresas como Sony las usan para la identificación
y conexión de dispositivos móviles y accesorios de forma inmediata (Tiempo, 2017). Esta Tecnología Ha
mostrado que tiene gran potencial no solo de implementación, sino de acoplamiento, escalabilidad y
seguridad en el mercado.
2.3 JUSTIFICACIÓN AMBIENTAL:
El uso de las bicicletas es tendencia por muchos de sus beneficios, entre ellos el beneficio ambiental
ya que montar en bicicleta ahorra 1,5 kg de CO2 por cada 5km recorridos. Poder ofrecer una alternativa de
solución a este problema que se presenta, además de ofrecer un gran incentivo para que la universidad sea
un lugar que fomente el desarrollo sustentable es la mayor justificación a realizar este proyecto (Comercio,
Movilidad En Bicicleta En Bogotá Año 2009, 2017).
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3 OBJETIVOS DEL PROYECTO
3.1 OBJETIVO PRINCIPAL:
Solucionar un problema de organización del ciclo parqueadero (robos, identificación,
almacenamiento, organización, etc.) mediante el uso de la tecnología NFC, implementando un sistema de
ciclo parqueaderos, creando un método de ingreso y almacenamiento de las bicicletas
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Realizar un estudio acerca de los sistemas de ciclo parqueaderos ya implementados observando
cuidadosamente la implementación de tecnologías.
Seleccionar los requerimientos base mínimos para lograr implementar el sistema y el posible uso
en la universidad.
Realizar el diseño de software y hardware del sistema de ciclo parqueadero.
Desarrollar el piloto del sistema y realizar la respectiva validación.
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4 MARCO TEÓRICO
Dado que el proyecto se centra en la tecnología NFC como llave de accesos personal, será necesario
plantear algunos parámetros que sirvan de ejes conceptuales sobre los que apoyar la lectura interpretativa
de dicha tecnología.
4.1 TECNOLOGÍA NFC
A continuación se dará un breve resumen de la tecnología NFC incluyendo normativas
principales, desarrollo, evolución y en que consiste este método de comunicación
INTRODUCCIÓN
Para empezar, Near Field Communication (NFC) que en español significa Comunicación de campo
cercano la cual es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance desarrollado por NXP
semiconductor, Sony y Nokia (Forum, nfc-forum.org, 2012).
La normativa que rige este tipo de comunicación inalámbrica, es el ISO/IEC 18092 o el ISO/IEC
21481 los cuales definen la interfaz y el protocolo de comunicación de NFC. Sin embargo, Las empresas
NXP semiconductor, Sony y Nokia desarrollaron un foro libre llamado NFC Fórum donde se ha
desarrollado varios estándares adicionales.
Tabla 1. Resumen de los estándares para la aplicación de la tecnología NFC. (Vedat Coskun, 2013)
ENTIDAD DE
ESTANDARIZACION ESTANDAR DESCRIPCION
ISO/IEC
ISO/IEC 18092 Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano
(NFCIP-1)
ISO/IEC 21481 Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano
(NFCIP-2)
ISO/IEC 28361 Interfaz cableada de comunicación de campo cercano (NFC-
WI)
ISO/IEC 14443 Tarjetas inteligentes de proximidad sin contacto y sus
características técnicas
ISO/IEC 15693 Tarjetas inteligentes de vecindad sin contacto y sus
características técnicas
ETSI
ETSI TS 102 190 Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano
(NFCIP-1)
ETSI TS 102 312 Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano
(NFCIP-2)
ETSI TS 102 541 Interfaz cableada de comunicación de campo cercano (NFC-WI)
10
ETSI TS 102 613
Interfaz sin contacto (CLF) Interface para UICC, características
físicas y de enlace de datos; Protocolo de cableado simple
(SWP)
ETSI TS 102 622 Contactless front end (CLF) interface for UICC, Host Controller
Interface (HCI)
ECMA
ECMA 340 Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano
(NFCIP-1)
ECMA 352 Interfaz y Protocolo de comunicación de campo cercano
(NFCIP-2)
ECMA 356 NFCIP-1 -Métodos de prueba para la interfaz de RF
ECMA 362 NFCIP-1 - Métodos de prueba de protocolo
ECMA 373 Interfaz cableada de comunicación de campo cercano (NFC-
WI)
ECMA 385 NFC-SEC: NFCIP-1 protocolo y servicios de seguridad
ECMA 386 NFC-SEC-01: NFC-SEC Criptografía estándar usando ECDH y
AES
ECMA 390 Comando de configuración de interfaz para NFC-WI
NFC Fórum
NFC Especificación de
protocolo digital
Interfaz digital y protocolo de transmisión half duplex de los
dispositivos del NFC Fórum Device
NFC Especificación de
actividad NFC Actividades para establecer el protocolo de comunicación
NFC Especificación
analógica NFC Interfaz analógica para los dispositivos del NFC Fórum
Especificación para la
Interfaz de controlador
NFC (NCI)
Interfaz de controlador NFC (NCI) entre un controlador NFC
(NFCC) y un dispositivo anfitrión (DH)
Especificación del
protocolo de control
de enlace lógico
(LLCP)
Soporta la operación P2P para aplicaciones NFC
Especificación del
formato de
intercambio de datos
NFC (NDEF)
Formato de datos común para dispositivos y etiquetas
Especificación de
definición de tipo de
grabación (RTD) de
NFC
Tipos de registro estándar utilizados en los mensajes entre
dispositivos / etiquetas
Especificación de
RTD de Poster
Inteligente
Para carteles con etiquetas, texto, audio u otros datos
Especificación RTD
de texto Para registros que contengan texto sin formato
Especificación
Uniforme de
Identificador de
Recursos (URI)
Para los registros que hacen referencia a un recurso de Internet
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Tipos de NFC 1-4
Operaciones de
etiquetas
Especificaciones
Define los tipos de etiqueta obligatorios del foro NFC
Especificación de
transferencia de
conexión
Cómo establecer una conexión con otras tecnologías
inalámbricas
Las transmisiones NFC funcionan a una frecuencia de 13.56 MHz y usa un funcionamiento similar
al de las etiquetas RFID que se usan en bonos de transporte o tarjetas de seguridad. Lo que permite hacer
su transmisión de información casi inmediata es su tasa de transferencia de 424 kbit/s. Una de sus mayores
ventajas es la posible comunicación sin emparejamiento y tiene un rango máximo de 20 cm.
ELF Frecuencia Extremadamente Baja HF Frecuencia Alta
VF Frecuencia de Voz VHF Muy Alta Frecuencia
VLF Muy Baja Frecuencia UHF Ultra Alta Frecuencia
LF Baja Frecuencia SHF Súper Alta Frecuencia
MF Frecuencia Media EHF Extremadamente Alta Frecuencia
Figura 1: Frecuencia de Trabajo Para la Tecnología NFC (Vedat Coskun, 2013)
DESARROLLO Y EVOLUCIÓN
En la era moderna, se le ha dado un peso importante al concepto de conectividad y comunicación.
Ser capaces de conectarse y acceder a cualquier lugar; y de esta forma se ha desarrollado la telefonía móvil
en torno a las comunicaciones inalámbricas. En paralelo a esto en el ámbito empresarial se han logrado
12
desarrollar métodos de registro electrónico como los códigos de barras en un supermercado y las tarjetas
de banda magnética o chip en la realización de transacciones. NFC se desarrolló como una alternativa de
comunicación similar a la comunicación RFID [16]. Al mismo tiempo se desarrolló como una alternativa
para las Tarjetas de Tipo Contactless o “Sin contacto”.
Figura 2. Desarrollo y evolución Hacia la Tecnología NFC (Vedat Coskun, 2013)
La tecnología NFC actúa como un vector de clave para el comercio móvil, permite la identificación
de cada individuo como único en una base de datos. Lo cual nos lleva a la seguridad y facilidad de realizar
procesos relacionados con la actividad del dinero (Realizar un pago), acceder a ciertos lugares o eventos
(Ingresar a un concierto, oficina, universidad), el poder reconocer e interactuar con una base de datos solo
con un acercamiento de un aparato que cuente con esta tecnología.
Como meta la tecnología NFC desea integrar toda la información privada de una persona como
tarjetas de crédito, llaves, etc. en un teléfono móvil.
TIPOS O FORMAS DE COMUNICACIÓN
Para Saber que formas de comunicación hay se deben indicar los agentes. Existen 3 actores, los
emuladores de tarjetas NFC (Activos) las Etiquetas NFC (Pasivos) y Los Teléfonos Inteligentes o
Smartphone (Activo/Pasivo).
NFC puede funcionar de dos formas: La primera es generando un campo electromagnético propio
e intercambiando datos (caso de los Smartphone y los emuladores de tarjetas NFC)
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Figura 3. Intercambio de Información Smartphone – Smartphone (Vedat Coskun, 2013)
Figura 4. Intercambio de Información Emulador – Smartphone (Vedat Coskun, 2013)
Y la segunda, usando un campo electromagnético ajeno para intercambiar la información (caso de
las pegatinas)
Figura 5. Intercambio de Información Smartphone- Pegatina (Vedat Coskun, 2013)
SEGURIDAD
NFC es un medio de transmisión inalámbrico seguro dado que fue diseñado con el fin de operar
con tecnología móvil con reducida distancia de acción la cual hace que sea muy difícil que un tercer
dispositivo interfiera en la conexión, por otro lado, las transmisiones pueden usar encriptaciones de
seguridad tales como SSL (Secure Sockets Layer, es un protocolo diseñado para permitir que las
aplicaciones para transmitir información de ida y de manera segura hacia atrás. (Digicert, 2018)), ECDH
(Elliptic curve Diffie–Hellman, Es un protocolo de acuerdo de clave anónima que permite a dos partes,
cada una con un par de claves público-privado de curva elíptica, establecer un secreto compartido sobre un
canal inseguro) y AES (Advanced Encryption Standard, es un esquema de cifrado por bloques adoptado
14
como un estándar de cifrado por el gobierno de los Estados Unidos) por lo que los datos viajan a salvo entre
dispositivos. (Android, 2018).
4.2 CICLO PARQUEADEROS
El segundo tema principal a observar es la infraestructura de ciclo-parqueaderos básicos ya
implementados en todo el mundo, dado que se piensa en mejorar estos factores iniciales de manejo (Carlos
Felipe Pardo, 2013)
INTRODUCCIÓN
La bicicleta es un medio de transporte barato, fácil de usar y efectivo además de disfrutarse en
competencias mundiales, sin embargo, cuando de transporte se trata existen varios factores a tratar. (Carlos
Felipe Pardo, 2013)
Seguridad
El objetivo de usar el estacionamiento es evitar el posible robo y maltrato de la bicicleta (o partes
de esta). El usuario considera que un estacionamiento es seguro si cumple con estos requisitos:
Permite sujetar el cuadro/marco y una o ambas ruedas de la bicicleta
Permite usar cualquier tipo de candado
Está ubicado en un lugar que ofrece control y vigilancia, bien sea del usuario o de la entidad o
establecimiento encargado del ciclo parqueadero
La comodidad de uso del estacionamiento
Se refiere al espacio que tiene el usuario para asegurar y desasegurar la bicicleta de manera rápida
y eficaz y sin mayor esfuerzo físico.
Facilidad de uso del estacionamiento
El estacionamiento debe funcionar de tal manera que el usuario, independientemente de su
condición física, género, edad o estatura, no necesite asistencia para acomodar la bicicleta.
Protección contra la intemperie
Se prefiere este tipo de estacionamientos, especialmente si los usuarios requieren dejar su bicicleta
por varias horas durante el día, por ejemplo, los que van al trabajo.
Factores Adicionales
Adicional a esto se debe tener en cuenta el marco institucional como entidad promotora del servicio,
en este caso la Universidad, la cual se enfrenta a ciertos factores (Carlos Felipe Pardo, 2013):
Organizar el espacio público de manera fácil y económica
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Generar políticas para que se garantice la creación de espacios para estacionamientos de bicicletas
al interior de los edificios residenciales, comerciales, edificios públicos, oficinas, centros de
actividades y estacionamientos públicos y privados,
Disponer de ciclo-parqueaderos no sólo en el espacio público sino en los diferentes puntos de origen
y destino de los usuarios, mejorando la cobertura en la ciudad.
Sencillez en el diseño del estacionamiento
El costo de construcción debe ser económico sin sacrificar calidad.
MODELOS DE ESTACIONAMIENTOS
Actualmente se han implementado varios sistemas de ciclo-parqueaderos en distintos sitios del
mundo. A continuación, se presentan un conjunto de soluciones de parqueo:
Onda o Wave:
Figura 6. Tipo Onda o M100 (Carlos Felipe Pardo, 2013)
Este ciclo parqueadero tiene algunos problemas de diseño, debido a que se puede poner la
bicicleta de forma paralela reduciendo la capacidad del mismo
Tostador o Cepillo
Figura 7. Tipo Tostador o M101 (Carlos Felipe Pardo, 2013)
16
Es el modelo más utilizado en Bogotá, en parques, aceras e inclusive en el ciclo-parqueadero de la
sede de Ingeniería de la Universidad Distrital, ya que tiene gran capacidad. Sin embargo, necesita de
mucho espacio para su implementación y solo se puede asegurar parte de la bicicleta
Gancho Vertical
Figura 8: tipo Gancho vertical (Carlos Felipe Pardo, 2013)
Es el parqueadero más económico de implementar ocupa un espacio mínimo, sin embargo, es
difícil de usar para personas con poca fuerza o baja estatura
U Invertida
Figura 9: Tipo U Invertida (Carlos Felipe Pardo, 2013)
A nivel internacional es el de más uso debido a que se puede asegurar la bicicleta de forma
completa (Marco y Llantas), sin embargo, para una protección del ambiente necesita una estructura
adicional.
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“Post and Loop”
Figura 10: Tipo U Invertida (Carlos Felipe Pardo, 2013)
Muy parecido a la U invertida, se puede anclar la bicicleta completamente y es de bajo costo, pero
necesita de estructura adicional para la protección del sol y la lluvia
Dos Niveles
Figura 11: Tipo Dos Niveles (Carlos Felipe Pardo, 2013)
Este parqueadero es el mejor en cuanto a espacio, ya que tiene dos niveles, sin embargo, puede
presentar gastos en cuanto a su mantenimiento
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4.3 SOFTWARE DE APLICACIÓN
Para poder realizar la implementación del software asociado al ciclo-parqueadero existe un gran
número de lenguajes de programación, modelos de servidores, aplicaciones y modelos de bases de datos
capaces de ayudarnos a solucionar el paradigma de registro, acceso y control del ciclo parqueadero. Sin
embargo dada la comodidad que ofrece el software libre y las aplicaciones web, la cual se puede compilar
en cualquier dispositivo que maneje un explorador como Google Chrome, Mozilla Firefox, Opera, entre
otros, se piensa la implementación en lenguaje como HTML JavaScript y afines
BASE DE DATOS
Existen Varios modelos de bases de datos, generados de acuerdo a cierto conjunto de necesidades,
sin embargo existen dos grupos donde se pueden catalogar un gran conjunto de bases de datos, las bases de
datos relacional o SQL, y las bases de datos no relacional o No SQL, donde se observaran
Base de Datos Relacional (SQL)
Una base de datos relacional es un conjunto de una o más tablas estructuradas en registros (líneas)
y campos (columnas), que se vinculan entre sí por un campo en común, en ambos casos posee las mismas
características como por ejemplo el nombre de campo, tipo y longitud; a este campo generalmente se le
denomina ID, identificador o clave. A esta manera de construir bases de datos se le denomina modelo
relacional. El modelo relacional, es un modelo de datos basado en la lógica de predicados y en la teoría de
conjuntos.
Tabla 2: Ejemplo de una tabla que contiene varios clientes en un establecimiento
Su idea fundamental es el uso de relaciones. Estas relaciones podrían considerarse en forma lógica
como conjuntos de datos llamados tuplas. La mayoría de las veces se conceptualiza de una manera más
fácil de imaginar, pensando en cada relación como si fuese una tabla que está compuesta por registros (cada
fila de la tabla sería un registro o "tupla") y columnas (también llamadas "campos").
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Figura 12: Diagrama del modelo relacional para un ejemplo de facturación (Programacion, 2017)
Es el modelo más utilizado en la actualidad para modelar problemas reales y administrar datos
dinámicamente.
Base de datos No Relacional (No SQL)
Una base de datos no relacional es una base de datos que no necesariamente cumple con este modelo
relacional, sin embargo puede cumplir con otro tipo de requerimientos requeridos por algún problema.
Este tipo de base de datos aparece por la necesidad del manejo de grandes cantidades de
información, generada por aplicaciones como Facebook, Twitter, o YouTube, donde cada persona puede
generar contenido, haciendo que la cantidad de datos crezca de forma abrumadora, generando un problema
de gestión en el almacenamiento de las bases de datos relacionales. (Acens, 2014) (Danny Mora, 2017)
Gracias a este fenómeno se generaron varias soluciones e bases de datos para problemas
específicos; entre ellos están:
Base de Datos Clave-Valor:
Son el modelo de base de datos No SQL más popular, además de ser la más sencilla en cuanto a
funcionalidad.
En este tipo de sistema, cada elemento está identificado por una llave única, lo que permite la
recuperación de la información de forma muy rápida, información que habitualmente está almacenada como
un objeto binario (BLOB). Se caracterizan por ser muy eficientes tanto para las lecturas como para las
escrituras. Algunos ejemplos de este tipo son Cassandra, BigTable o HBase.
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Figura 13: Diagrama del modelo no relacional para dos conjuntos de valores de clave-valor (Acens,
2014)
Base de Datos Documentales
Este tipo almacena la información como un documento, generalmente utilizando para ello una
estructura simple como JSON o XML y donde se utiliza una clave única para cada registro. Este tipo de
implementación permite, además de realizar búsquedas por clave–valor, realizar consultas más avanzadas
sobre el contenido del documento. Son las bases de datos No SQL más versátiles. Se pueden utilizar en
gran cantidad de proyectos, incluyendo muchos que tradicionalmente funcionarían sobre bases de datos
relacionales. Algunos ejemplos de este tipo son MongoDB o CouchDB. (Danny Mora, 2017)
Figura 14: Diagrama del modelo no relacional para un ejemplo de almacenaje de información personal
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Base de Datos en Grafo
En este tipo de bases de datos, la información se representa como nodos de un grafo y sus relaciones
con las aristas del mismo, de manera que se puede hacer uso de la teoría de grafos para recorrerla. Para
sacar el máximo rendimiento a este tipo de bases de datos, su estructura debe estar totalmente normalizada,
de forma que cada tabla tenga una sola columna y cada relación dos. Este tipo de bases de datos ofrece una
navegación más eficiente entre relaciones que en un modelo relacional. Algunos ejemplos de este tipo son
Neo4j, InfoGrid o Virtuoso.
Figura 15: Diagrama del modelo no relacional para el almacenamiento de información conjunta (Acens,
2014)
Las ventajas de los sistemas de bases de datos No SQL son:
Se ejecutan en máquinas con pocos recursos: Estos sistemas, a diferencia de los sistemas basados
en SQL, no requieren de apenas computación, por lo que se pueden montar en máquinas de un coste
más reducido.
Escalabilidad horizontal: Para mejorar el rendimiento de estos sistemas simplemente se consigue
añadiendo más nodos, con la única operación de indicar al sistema cuáles son los nodos que están
disponibles.
Pueden manejar gran cantidad de datos: Esto es debido a que utiliza una estructura distribuida, en
muchos casos mediante tablas Hash.
No genera cuellos de botella: El principal problema de los sistemas SQL es que necesitan transcribir
cada sentencia para poder ser ejecutada, y cada sentencia compleja requiere además de un nivel de
ejecución aún más complejo, lo que constituye un punto de entrada en común, que ante muchas
peticiones puede ralentizar el sistema.
Algunas Diferencias que se destacan de estas bases de datos a las bases de datos relacionales son
las siguientes:
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No utilizan SQL como lenguaje de consultas. La mayoría de las bases de datos No SQL evitan
utilizar este tipo de lenguaje o lo utilizan como un lenguaje de apoyo. Por poner algunos ejemplos,
Cassandra utiliza el lenguaje CQL, MongoDB utiliza JSON o BigTable hace uso de GQL.
No utilizan estructuras fijas como tablas para el almacenamiento de los datos. Permiten hacer uso
de otros tipos de modelos de almacenamiento de información como sistemas de clave–valor,
objetos o grafos.
No suelen permitir operaciones JOIN. Al disponer de un volumen de datos tan extremadamente
grande suele resultar deseable evitar los JOIN. Esto se debe a que, cuando la operación no es la
búsqueda de una clave, la sobrecarga puede llegar a ser muy costosa. Las soluciones más directas
consisten en desnormalizar los datos, o bien realizar el JOIN mediante software, en la capa de
aplicación.
Arquitectura distribuida. Las bases de datos relacionales suelen estar centralizadas en una única
máquina o bien en una estructura máster–esclavo, sin embargo en los casos No SQL la información
puede estar compartida en varias máquinas mediante mecanismos de tablas Hash distribuidas.
Elección de Base de Datos
Teniendo en cuenta los conceptos relacionados anteriormente, las características esenciales de la
base de datos a implementar dependerá de los siguientes aspectos
Recursos: La Base de Datos No SQL requiere de menos recurso de hardware para su
funcionamiento, a diferencia de la base de datos SQL que requiere la transcripción de cada
operación haciendo más compleja la acción final
Cantidad y Tipos de Datos: La Base de Datos Documental es la que mejor se adapta al registro de
eventos, dado que para este sistema es primordial la creación de registros y sus posibles
adaptaciones futuras dado el posible aumento de clientes y registros.
Seguridad: Todas las bases de Datos tienen cierto nivel de seguridad incluyendo autenticación y
comunicación encriptada
Compatibilidad: Aplicaciones Web implementadas en lenguaje JavaScript Como NodeJS del lado
del servidor ofrece soporte para manejo de bases de datos tanto SQL como No SQL, adicional al
usar el protocolo HTTP para realizar comunicaciones, ofrece compatibilidad con otros lenguajes
de programación como Python
Con respecto a los ítems anteriores, la base de datos a usar será MongoDB. A continuación se
presentaran sus principales características
MongoDB.
MongoDB es la base de datos No SQL líder, la cual está orientada a documentos, que trabaja bajo
el concepto de código abierto, es decir, que cada entrada puede tener un esquema de datos diferente que
nada tenga que ver con el resto de registros almacenados. Es bastante rápido a la hora de ejecutar sus
operaciones ya que está escrito en lenguaje C++. Para el almacenamiento de la información, utiliza un
sistema propio de documento conocido con el nombre BSON, que es una evolución del conocido JSON
pero con la peculiaridad de que puede almacenar datos binarios. En poco tiempo, MongoDB se ha
convertido en una de las bases de datos No SQL favoritas por los desarrolladores. (Danny Mora, 2017)
23
La base de datos MongoDB es adecuada para los siguientes usos:
Almacenamiento y registro de eventos
Para sistemas de manejo de documentos y contenido
Comercio Electrónico
Juegos
Problemas de alto volumen de lecturas
Aplicaciones móviles
Almacén de datos operacional de una página web
Manejo de contenido
Almacenamiento de comentarios
Votaciones
Registro de usuarios
Perfiles de usuarios
Sesiones de datos
etc.
Proyectos que utilizan metodologías de desarrollo iterativo o ágiles
Manejo de estadísticas en tiempo real
MongoDB guarda la estructura de los datos en documentos tipo JSON con un esquema dinámico
llamado BSON, lo que implica que no existe un esquema predefinido. Los elementos de los datos se
denominan documentos y se guardan en colecciones. Una colección puede tener un número indeterminado
de documentos. En un documento, se pueden agregar, eliminar, modificar o renombrar nuevos campos en
cualquier momento, ya que no hay un esquema predefinido. La estructura de un documento es simple y
compuesta por pares llave/valor, parecido a las matrices asociativas en un lenguaje de programación, esto
es debido a que MongoDB sigue el formato de JSON. En MongoDB la clave es el nombre del campo y el
valor es su contenido, los cuales se separan mediante el uso de “:”, tal y como se puede ver en el siguiente
ejemplo. Como valor se pueden usar números, cadenas o datos binarios como imágenes o cualquier otro.
{
"_id": ObjectId ("4efa8d2b7d284dad101e4bc7"),
"Nombre": "Carlos",
"Apellido": "Valbuena",
"Edad": 34,
"Dirección":
{
"Direccion_Local": "Calle 24 #14 23",
"Ciudad": "Bogotá D.C."
}
}
Figura 16: Ejemplo de un formato dinámico .JSON donde se guarda información de una persona
24
Adicional a lo anterior, se observa que en un documento se puede guardar otro documento como se
ve en el campo Dirección, en la cual se agrega un documento con Dirección local y Ciudad. Mongo DB
Ofrece un conjunto de características importantes para el manejo de documentos, como son:
1. Consultas Ad hoc: MongoDB soporta la búsqueda por campos, consultas de rangos y expresiones
regulares. Las consultas pueden devolver un campo específico del documento pero también puede
ser una función JavaScript definida por el usuario.
2. Indexación: Cualquier campo en un documento de MongoDB puede ser indexado, al igual que es
posible hacer índices secundarios. El concepto de índices en MongoDB es similar a los encontrados
en base de datos relacionales
3. Replicación: MongoDB soporta el tipo de replicación primario-secundario. Cada grupo de primario
y sus secundarios se denomina replica set. El primario puede ejecutar comandos de lectura y
escritura. Los secundarios replican los datos del primario y sólo se pueden usar para lectura o para
copia de seguridad, pero no se pueden realizar escrituras. Los secundarios tiene la habilidad de
poder elegir un nuevo primario en caso de que el primario actual deje de responder.
4. Balanceo de carga: MongoDB se puede escalar de forma horizontal usando el concepto de “shard”.
El desarrollador elige una clave de sharding, la cual determina cómo serán distribuidos los datos
de una colección. Los datos son divididos en rangos (basado en la clave de sharding) y distribuidos
a través de múltiples shard. Cada shard puede ser una réplica set. MongoDB tiene la capacidad de
ejecutarse en múltiple servidores, balanceando la carga y/o replicando los datos para poder
mantener el sistema funcionando en caso que exista un fallo de hardware. La configuración
automática es fácil de implementar bajo MongoDB y se pueden agregar nuevas servidores a
MongoDB con el sistema de base de datos funcionando.
5. Agregación: MongoDB proporciona un framework de agregación que permite realizar operaciones
similares a las que se obtienen con el comando SQL "GROUP BY". El framework de agregación
está construido como un pipeline en el que los datos van pasando a través de diferentes etapas en
los cuales estos datos son modificados, agregados, filtrados y formateados hasta obtener el
resultado deseado. Todo este procesado es capaz de utilizar índices si existieran y se produce en
memoria. Asimismo, MongoDB proporciona una función MapReduce que puede ser utilizada para
el procesamiento por lotes de datos y operaciones de agregación.
6. Ejecución de JavaScript del lado del servidor: MongoDB tiene la capacidad de realizar consultas
utilizando JavaScript, haciendo que estas sean enviadas directamente a la base de datos para ser
ejecutadas.
SERVIDOR
Del lado del servidor se desea que la aplicación consuma la mínima cantidad de recursos de
Hardware, que sea compatible con la base de datos a implementar y ofrecer escalabilidad. Para esto se usara
un servidor REST (Representational State Transfer) o de transferencia de representación de estado, donde
25
el cliente se encarga de manejar su actividad ante el servidor y donde el servidor no guarda datos del cliente.
Cada transacción o petición es limpia, independiente para el servidor, a menos que le cliente pueda mostrar
su estado ante él; este tipo de servidor tiene una gran ventaja, representada en escalabilidad, un sistema que
puede trabajar, mejorar y aumentar sobre sí mismo. Esta característica es la más importante para poder
desarrollar una aplicación acorde a unas necesidades que pueden cambiar en el tiempo, ya que el prototipo
así lo exige en cuanto a manejo de datos. Teniendo en cuenta una posibilidad de expansión en el campo
público y privado. (Danny Mora, 2017)
NodeJS
NodeJS es un entorno de ejecución para JavaScript del lado del servidor el cual funciona bajo el
paradigma de la programación dirigida por eventos. Este entorno de programación trabaja bajo el motor V8
JavaScript creado por Google, escrito en C++ y encargado de ejecutar programas como Google Chrome, el
cual ofrece la funcionalidad de trabajar de forma parecida a una interfaz de usuario, en la cual se leen
eventos generados por algún interfaz como el teclado, el mouse y se realiza la acción correspondiente, solo
que en este caso los eventos están orientados al momento de realizar una conexión, enviar o recibir datos
de una conexión, cerrar una conexión o bajo situaciones propias del servidor.
Este entorno de programación fue creado debido a un problema muy frecuente en el funcionamiento de los
servidores con programación estructurada como PHP, en el cual cada conexión requere de memoria, y entre
más conexiones se hacen, el servidor requiere de más memoria para mantener los datos y la conexión,
generando un aumento en los costos de operación, mantenimiento y el aumento de posibles eventualidades.
Esto nos lleva un concepto importante de Node, que el servidor puede capturar mas conexiones dado que
cada conexión dispara una ejecución de evento dentro del proceso del motor de Node, en lugar de generar
un hilo como lo haría un servidor PHP usando más recursos de hardware. (Danny Mora, 2017)
Express Generator
NodeJS por si solo tiene un problema, en referencia a que es el entorno para poder crear servicios
consumibles por otras aplicaciones, pero por si solo no tiene la facilidad de otros servidores como Apache
y PHP de generar el código necesario para hacer un esqueleto y poder modificar la aplicación en corto
tiempo. Para esto esta Express Generator, el cual funciona como plantilla o esqueleto para el desarrollo de
la mayoría de aplicaciones en donde se pueden diferenciar fácilmente los paquetes necesarios para correr
la aplicación, los esquemas de trabajo, los archivos de configuración y de ejecución. Adicional el esquema
se ha construido para obtener un servidor a prueba de errores. Express Generator nos provee de un esquema
minimalista de un servidor REST para el desarrollo de una API-REST. (Danny Mora, 2017)
CLIENTE
Es necesario crear un cliente capaz de consumir el servicio de la base de datos, para esto se piensa
implementar a través de Python un cliente operativo capaz de hacer las solicitudes y consumir los servicios.
Python
Python es un lenguaje de programación interpretado cuya filosofía hace hincapié en una sintaxis
que favorezca un código legible. Se trata de un lenguaje de programación multiparadigma, ya que soporta
orientación a objetos, programación imperativa y, en menor medida, programación funcional. Es un
lenguaje interpretado, usa tipado dinámico y es multiplataforma.
26
Es administrado por la Python Software Foundation. Posee una licencia de código abierto, denominada
Python Software Foundation License,que es compatible con la Licencia pública general de GNU a partir
de la versión 2.1.1, e incompatible en ciertas versiones anteriores
Al ser un lenguaje multiplataforma esto nos permite crear un cliente capaz de controlar algún tipo de
variable externa como serian controladores de motores, módulos NFC, testigos de funcionamiento y ser
capaz de consumir servicios a través de internet a través de la instalación de librerías capaces de hacer el
trabajo; entre ellas esta:
Requests: es una librería de Python en relación con el uso del protocolo HTTP (HiperText
Transfer Protocol) que comprende el uso de las peticiones HTTP como get, post, put y delete, los
tipos de mensaje a enviar como text, xml y json entre otros
MFRC522: es una librería desarrollada en Python para la Raspberry Pi para el uso de módulos
NFC la cual comprende comunicación con el módulo NFC, lectura y escritura de tarjetas NFC
Mifare
4.4 HARDWARE
Para poder realizar el desarrollo de físico del ciclo parqueadero es necesario tener en cuenta varios
aspectos como las placas de desarrollo, los sistemas de energía, o los actuadores capaces de realizar los
movimientos propuestos entre otros. Para ello es necesario separar estos elementos de la siguiente manera:
MÓDULOS DE DESARROLLO
Teniendo en cuenta que el desarrollo de software está relacionado con lenguajes de programación
orientados al desarrollo de aplicaciones web como HTML y JavaScript es necesario tener una placa de
desarrollo que soporte la conexión a internet con la posibilidad de crear y mantener servicios bajo la capa
de aplicación; adicional debe tener la posibilidad de conectar periféricos, módulos de control y los sistemas
de potencia.
Raspberry Pi
Raspberry Pi es un computador de placa reducida, computador de placa única o computador de
placa simple (SBC) de bajo costo desarrollado en Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi, con el
objetivo de estimular la enseñanza de ciencias de la computación en las escuelas.
El software es open source, siendo su sistema operativo oficial una versión adaptada de Debian,
denominada Raspbian, aunque permite usar otros sistemas operativos, incluido una versión de Windows
10. En todas sus versiones incluye un procesador Broadcom, una memoria RAM, una GPU, puertos USB,
HDMI, Ethernet (El primer modelo no lo tenía), 40 pines GPIO y un conector para cámara. Ninguna de sus
ediciones incluye memoria, siendo esta en su primera versión una tarjeta SD y en ediciones posteriores una
tarjeta MicroSD (Wikipedia, 2018)
27
Figura 16: Raspberry Pi 3 Modelo B+ 2015 (Wikipedia, 2018)
Al ser un computador de placa reducida, es una excelente opción para la generación de servicios en primer
lugar, dado que en ella se podrá subir y probar el desarrollo de servicios, y con los pines GPIO existe la
posibilidad de adaptar algún sistema electrónico adicional para crear la interconexión de un sistema físico
como un módulo NFC, Un controlador de motor a un servicio creado.
Figura 17: Disposición de Pines para la Raspberry Pi 3 B+ 2015
28
El sistema operativo oficial de la Raspberry es llamado Raspbian, el cual es una variación del sistema
operativo Debian para procesador ARM, sin embargo es capaz de soportar varias distribuciones Linux y
una versión de Windows 10.
El principal lenguaje de programación para el uso de la Raspberry a través de Raspbian es Python, un
lenguaje de programación interpretado multiparadigma (programación orientada a objetos, programación
imperativa y programación funcional). El cual permite trabajar bajo diferentes aspectos sin mucho problema
NFC Tags Mifare Classic
Los Tags NFC Mifare, son las de más amplio uso en el mercado encontrándose en tarjetas para su
uso en el transporte y movimientos financieros, en las instituciones educativas y entidades privadas, en
llaveros para ingreso a instalaciones y hogares. A pesar de que la norma ISO/IEC 14443A define los tags
del tamaño de las tarjetas de crédito, estas pueden venir en varios tamaños como tarjetas, llaveros e inclusive
stickers. Es posible encontrar en el mercado un gran conjunto de estas tarjetas, entre ellas: la NXP Mifare
Classic, el tipo de tarjeta o tag más usado en el mercado con presentaciones de 1k, 2k y 4k de
almacenamiento, la NXP Mifare Ultra light con capacidades de 48 bytes y 144 bytes, las Sony FeliCa con
capacidades hasta de 4k, las Mifare DESFire con capacidades hasta de 32k. Los tags NFC de mayor uso y
más encontradas en el mercado son las NXP Mifare Classic, encontradas en las tiendas de electrónica, las
tarjetas de transporte, llaveros y stickers (Forum, member.nfc-forum.org, 2009)
Figura 18: Varios tipos de Tags NFC NXP Mifare Classic usados en el mercado
Módulo MFRC522
El módulo MFRC522 es un circuito altamente integrado lector-escritor para la comunicación sin
contacto a 13,56Mhz el cual es soportado por la norma ISO/IEC14443A/Mifare y Ntag. (NXP, 2016)
El modulo cuenta con varios bloques, inicialmente de la interfaz analógica la cual recibe y transmite
información a través de la antena y se comunica con la máquina de estados interna del módulo además de
proporcionar energía al tag que se sitúa al lado de la antena. El buffer FIFO es el encargado de almacenar
29
los datos de entrada y salida del cliente y la máquina de estado del módulo sin tener restricciones de tiempo
en cuenta. El bloque de UART sin contacto está relacionada con la máquina de estado del módulo, la cual
tiene un flujo de información bidireccional entre el cliente y la interfaz analógica. El banco de registro es
el encargado de tener la información de funcionamiento del módulo y el bloque de comunicaciones se
encarga de establecer contacto con el cliente para enviar o recibir la información obtenida o a transmitir.
Figura 19: Diagrama de bloque del módulo MFRC522 (NXP, 2016)
Bajo el ámbito comercial es posible encontrar el modulo completo y listo para conectar bajo cualquier tipo
de comunicación soportada ya sea SPI, Serial UART o I2C con alimentación entre 2,5 V y 3,3 V. Adicional
es posible encontrar librerías en Python para la comunicación con el modulo implementados en Raspbian.
Figura 20: Diagrama de bloque del módulo MFRC522 (Phanquocdat, 2015)
SISTEMA DE POTENCIA Y ACTUADORES
En busca de dimensionar el modelo del sistema de ciclo parqueadero es necesario una reducción de escala
la cual permite observar de forma detallada todo el conjunto de inconvenientes que pueden ocurrir para una
implementación futura y a escala real. Para esto se piensa usar una configuración de motores paso a paso
con su respectivo controlador.
30
Controlador Pololu A4988
Este es un controlador de motor paso a paso con posibilidad de generar micro pasos y un traductor para una
fácil implementación cuando no se encuentra disponible un microcontrolador para que pueda cargar con la
tarea. La posibilidad de generar micro pasos o microstepping aumenta la precisión del motor
La importancia del módulo está en la facilidad de comandar el movimiento a los motores y de tener la
capacidad de controlar la corriente máxima suministrada esta corriente es controlada a través de dos
factores, un voltaje de referencia suministrado a un DAC un voltaje suministrado a través de una resistencia
situada en la salida de los pines que suministran corriente al motor y un porcentaje de corriente debidamente
programado en el control lógico del módulo:
𝐼 =𝑉𝑟𝑒𝑓𝑥
8 ∗ 𝑅𝑠𝑥∗
%𝐼𝑚𝑎𝑥
𝐼𝑚𝑎𝑥
La corriente I es la corriente que va a ser suministrada por el modulo a los motores e Imax es la corriente
máxima que usara el modulo la cual está dada por:
𝐼𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝑟𝑒𝑓𝑥
8 ∗ 𝑅𝑠𝑥
Figura 21: Diagrama de bloques del módulo Pololu A4988 (Microsystems, 2014)
31
Este voltaje de referencia se mide del lugar mostrado en la foto y en la tierra de la fuente que suministra la
potencia. El modulo comercial se encuentra ya listo para su funcionamiento y con capacidad de modificar
el voltaje de referencia. La ecuación de referencia de la corriente máxima se puede reducir a la siguiente
ecuación
𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 ∗ 2,5
Figura 22: lugares de referencia para medir el voltaje de referencia (Microsystems, 2014)
Controlador Texas DVR8825
Este módulo es un controlador de motor paso a paso pero, a diferencia del anterior este es capaz de
entregar una mayor cantidad de corriente promedio, su funcionamiento es similar al anterior, en el cual a
través de dos pulsos, uno de dirección y uno de movimiento, él tiene la capacidad de girar el motor. El
funcionamiento del módulo es similar al del Pololu A4988 salvo que la diferencia más grande es la
capacidad de manejar una corriente máxima más alta.
En el mercado se puede conseguir el modulo listo para su funcionamiento y la ecuación de corriente es
similar a la especificada en el módulo anterior
32
Figura 23: Modulo Texas DRV8825 (Instruments, 2014)
Figura 24: Señales de entrada y salida para el módulo Pololu A4988 y Texas DRV8825 para una fase o
Full Stepping (Instruments, 2014)
Motor Paso a Paso Motor King 17HS8401
Este es un motor paso a paso de 4 fases o Bipolar usado ampliamente en el mercado de las impresoras 3D
y las CNC y conocido comúnmente por el nombre de Nema 17 o Nema 23, lo cual hace referencia a la
presentación del mismo. Según las especificaciones este motor se puede manejar con voltajes de 12 V y 24
33
V a una corriente máxima de 1.7A por fase con una resolución de paso de 1.8º. Dado que es ampliamente
conocido en el mercado es posible encontrar acoples, correas y todo
Figura 25: Dimensiones del motor Motor King 17HS8401 de empaquetado Nema 17 con lmax = 48
(MotionKing, 2018)
Figura 26: Imagen alusiva al motor paso a paso MotorKing17HS8401 (MotionKing, 2018)
34
5 ANTECEDENTES
5.1 TECNOLOGÍA NFC
La tecnología NFC ha resuelto algunos problemas que otras tecnologías de comunicación no podían
haber asegurado resolver, en el proceso (Incluir un servicio de inicialización, realizar un Pedido, realizar
un pago de forma segura, lealtad, gestión, Servicio al cliente)
Veremos a continuación una serie de eventos que han sido realizados gracias a esta tecnología,
mostrando así las principales características y ventajas:
MasterCard, implementa PayPass en el 2005 (Card, 2018). Se equipan con dispositivos Master
Card PayPass, donde no es necesario pasar la tarjeta por algún dispositivo o banda, solo basta
acercarla, creando una comodidad en los usuarios (Card M. , 2018), Una encuesta realizada por la
red de tarjetas de crédito y débito MasterCard en E.U. demostró que las personas prefieren cada
vez más hacer sus pagos con otras opciones distintas al dinero en efectivo. Por eso, el nuevo sistema
PayPass se convierte en una buena alternativa de pago. Según la encuesta, el 49 por ciento de los
usuarios lleva un máximo de 20 dólares en efectivo en sus bolsillos (Tiempo, eltiempo.com, 2018).
La implementación de los sistemas de pago para el transporte en la ciudad de Bogotá con el SITP
y el Transmilenio
El Tiempo realizó un artículo acerca de la tecnología NFC y sus aplicaciones que poco conocíamos,
por ejemplo, el uso como una llave maestra (Ingreso a un vehículo, a un hotel, incluso el ingreso a
una vivienda), también nombra acerca de la inclusión de esta tecnología en el sistema de transporte
en la tarjeta Tullave, métodos de pago, etcétera (Tiempo, eltiempo.com, 2017).
5.2 GRUPO DE INVESTIGACIÓN L.I.D.E.R
El grupo de investigación LIDER (Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Electrónica
y Redes) fue creado en el año 2007 e institucionalizado a través de Acta 00509 del Centro de
Investigaciones y Desarrollo Científico (CIDC) de la universidad Distrital, en sesión realizada el 24
de Febrero del 2009, con el aval del Consejo de Facultad. Actualmente está conformado por su
director el Ph.D. Roberto Ferro, su codirector el Ing. Carlos Martínez, docentes de la Universidad
Francisco José de Caldas, estudiantes de doctorado y pregrado. El Grupo de Investigación se
encuentra estrechamente ligado al Doctorado en Ingeniería con un énfasis inicial en Ciencia y
Tecnología de la información y del conocimiento, y la red de investigación de tecnología avanzada
(RITA), convirtiéndose en un grupo de extensión en pregrado, dado que sus objetivos, misión y visión
tienen un alto grado de afinidad.
Misión: Generar y ejecutar en todas sus etapas, proyectos de investigación, desarrollo e
innovación, en las áreas de estudio de las líneas de investigación definidas, que propendan la creación
35
de soluciones basadas en tecnología emergente de alta calidad con aplicación en la solución de
problemas técnicos y de carácter práctico a nivel nacional e internacional.
Visión: El Grupo de Investigación LIDER será, en un lapso no superior a 5 años, un grupo de
excelencia reconocido a nivel universitario en el ámbito local y nacional, y valorado por la comunidad
científica internacional por sus aportes al estudio e innovación, en las área de interés.
Las aéreas de investigación donde está enfocado el grupo LIDER son las siguientes:
Aplicación en domótica, inmótica y telemedicina.
Electrónica aplicada a la industria.
Electrónica embebida para el diseño de aplicaciones de micro redes de
telecomunicaciones.
Estudio y diseño de protocolos de red y de enrutamiento para redes de alta velocidad.
Ingeniería aeronáutica.
Investigación y desarrollo de satélites.
Nanotecnología.
Redes de nueva generación (IPv6) y redes IPv4.
Redes de telefonía celular.
Redes inalámbricas.
5.3 CICLO PARQUEADEROS
Adicional a esto se ha encontrado diferentes sistemas de ciclo parqueaderos automatizados
5.3.1 BIGLOO
Es un sistema de almacenamiento, aparcamiento y gestión, automático e inteligente, que recibe y
devuelve la bicicleta a pie de calle en un período de tiempo inferior a 10 segundos y que permite además
guardar elementos necesarios para el uso de la bicicleta como la mochila, el casco, elementos reflectantes,
etc.
Figura 27: Sistema BIGLOO (Bigloo, 2017)
36
5.3.2 BICEBERG
Es un aparcamiento automático y subterráneo para bicicletas. Recibe y devuelve la bicicleta a pie
de calle y además permite guardar otros elementos necesarios para su uso, como la mochila o el casco.
El usuario realiza las operaciones mediante una tarjeta chip con código personal secreto, siguiendo
un proceso tan sencillo como el de los cajeros automáticos. El tiempo de acceso hasta cada plaza de
aparcamiento es de 30 segundos, tanto para su depósito como para su retirada.
Los aparcamientos Biceberg tienen capacidad para 23, 46, 69 o 92 bicicletas. Biceberg ofrece al
usuario una garantía del 100 % contra el robo de la bicicleta y el equipaje, rapidez de acceso y una total
comodidad de uso. [22]
Universidades como la UNIMINUTO y la Javeriana han realizado diferentes trabajos con respecto
al ciclo-parqueadero como la implementación de un ciclo-parqueadero automatizado [20], y como el
estudio de la implementación de ciclo-parqueaderos para los usuarios de Transmilenio [19] respectivamente
Figura 28: Sistema BICEBERG (Biceberg, 2018)
37
6 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA
Para poder realizar los objetivos de este documento se seguirán los pasos desarrollados en la
metodología teniendo en cuenta cada sección, las cuales son: Estudio, donde se observara el trabajo
realizado por varias empresas y estados extranjeros para la solución de ciertas problemáticas en el contexto
del uso masivo de bicicletas enfocadas al uso de parqueaderos; Selección, donde a partir de las soluciones
observados anteriormente se mostraran bocetos y modelos de implementación y se elegirán los requisitos
mínimos para la implementación del prototipo.
6.1 ESTUDIO
6.1.1 BIKED APP ESTRUCTURA – BOGOTA, COLOMBIA
Figura 29: Sistema Biked App (App, 2017)
Biked es una aplicación bogotana que mediante motivos como el número de viajes que se realizan
a diario en Bogotá y el número de bicicletas disponibles más que cualquier otro vehículo de motor, manejo
del tiempo, etc. Biked intenta dar soluciones al principal problema de usar bicicleta que es un parqueo
seguro y disponible, mediante un sistema de GPS podrá mostrar una disponibilidad de parqueadero
mediante la posición que se tenga para poder hacer uso de este ciclo parqueadero.
Estructura Mecánica:
Según las imágenes que se pueden ver anteriormente consta de una base con muchos agujeros
agrupados de a dos, son muchos porque las medidas de las bicicletas son diferentes y esta base ofrece que
se adapte cualquier tamaño. En los agujeros va una llave accionada mediante la comunicación realizada por
38
el usuario que activa o desactiva esta llave. Desafortunadamente la bicicleta queda expuesta y puede haber
un posible robo.
Estructura Eléctrica:
La estructura eléctrica se basa en el accionamiento de la llave, es decir, la parte eléctrica es solo
activar o desactivar esta. No se explica este funcionamiento en el vídeo de la aplicación ya que es algo que
hasta ahora se está lanzando una propuesta, pero es un mecanismo que se puede realizar mediante un
electroimán.
Estructura Electrónica:
Es una aplicación que usa constantemente el GPS para tener la ubicación del cliente como del ciclo
parqueadero disponible y generar un acuerdo de uso. La parte de comunicación directa entre el usuario y el
ciclo parqueadero se realizaría mediante una aplicación y un lector de etiqueta por comunicación NFC.
Un elemento adicional es la implementación de una aplicación que permite reservar puestos de
parqueo a través de una clave y verificar la ubicación de los parqueaderos a través de la ciudad
6.1.2 BICIBOX ESPAÑA
Figura30: Sistema Bicibox
Bicibox es una red de aparcamientos seguros para bicicletas privadas distribuidas por los diferentes
municipios del Área Metropolitana de Barcelona. Proyecto realizado por ICNITA EMOVITY para la
Entidad Promotora del Transporte.
Este servicio funciona mediante el registro previo de los usuarios y de sus bicicletas. Este registro
da derecho a estacionar gratuitamente una bicicleta, en cualquiera de los aparcamientos de la red, por un
tiempo máximo de 48 horas consecutivas los días laborables, y por un tiempo máximo de 72 horas en el
caso de estacionamientos que se realicen incluyendo días del fin de semana. Estas limitaciones se han
establecido para facilitar la rotación de usuarios.
39
Estructura Mecánica:
La estructura mecánica usada por Bicibox es un tipo de capsula dividida en siete espacios los cuales
son usados por los usuarios, es una estructura metálica en forma de casillero la cual cubre toda la bicicleta
protegiéndola del sol y la lluvia lo cual beneficia su uso, pero su problema radica en la necesidad de mucho
espacio para solo almacenar siete bicicletas por capsula. Mediante una puerta deslizable hacia arriba el
usuario realiza la acción completa para introducir o sacar la bicicleta. Una de las ventajas que se presume
es que este módulo se puede instalar y mover con facilidad, a diferencia de la mayoría de estructuras que
son fijas, dando una gran ventaja competitiva en el mercado de parqueaderos
Estructura Eléctrica:
La estructura eléctrica se basa en el accionamiento de la llave, es decir, la parte eléctrica es solo
activar o desactivar esta. Esta se encuentra en la parte inferior del casillero la cual se abre y asegura en el
mismo sitio, No se especifica el mecanismo, pero se puede presumir de un electroimán que se acciona al
interactuar con la interfaz de usuario. Una ventaja considerable es la adición de un panel solar el cual hace
que este módulo tenga autonomía energética.
Estructura Electrónica:
Cuenta con una interfaz de usuario con un lector de tarjeta RFID la cual debe tener el usuario para
poder guardar la bicicleta. Cuando se presenta la tarjeta al lector, este automáticamente le asigna un puesto
listo para guardar la bicicleta. Este proceso se repite cuando si se piensa recoger la bicicleta.
6.1.3 BIKEDISPENSER – HOLANDA
Figura 31: Sistema BikeDispenser
40
"Bikedispensers" son máquinas expendedoras de autoservicio de alquiler de bicicletas de
autoservicio. El concepto Bikedispenser fue creado en 2005 por diseñadores holandeses y Piloto en
Eindhoven en 2006. El sistema automatizado es ahora Siendo incorporado en el nacional OV-Fiets
(bicicleta de transporte público). Servicio en Holanda, que alquila bicicletas de alquiler-puntos en
estaciones de ferrocarril.
Estructura Mecánica:
La estructura mecánica se basa en un cuarto encerrado el cual protege del ambiente las bicicletas
de préstamo. Dado que todas las bicicletas son similares se aprovecha más el espacio utilizado, sin embargo
las bicicletas no tienen buena rotación y las primeras en espera son las que más se desgastan. Un sistema
mecánico compuesto de motores encarrila las bicicletas para poderlas acomodar en la estructura y
dependiendo del momento en que lleguen. Cuando se recibe la bicicleta, este asegura la llanta delantera
Estructura Eléctrica:
Este tipo de estructura puede tener un gasto de energía considerable y posiblemente continua dada
la utilización de motores, luces, interfaces de usuario y electroimanes para el aseguramiento.
Estructura Electrónica:
Utiliza un interfaz de usuario convencional con un teclado numérico y una pantalla en la cual se
pide el préstamo y se dispone de una bicicleta. Al final de usar la bicicleta, esta se coloca sobre rieles y se
oprime un botón para guardarla.
6.1.4 CICLO PARQUEADERO JAPÓNES
Figura 32: Sistema de Cicloparqueadero Japones (youtube.com, 2017)
41
Con un estimado de 9 millones de ciclistas, Tokio tiene un problema de estacionamiento. Su
estacionamiento subterráneo para bicicletas Eco Cycle tiene sólo 8.15 metros de diámetro, pero puede
almacenar hasta 204 bicicletas.
La idea comenzó con el aparcamiento subterráneo (Eco Park) hace 20 años. Posteriormente se
trasladaron a bicicletas de estacionamiento bajo tierra y hoy la firma cuenta con 47 unidades de Eco Cycle:
28 en Tokio y 19 en otras ciudades japonesas. Uno de sus sistemas subterráneos inteligentes en la estación
de tren Hachioji de Tokio, gira bicicletas hasta lugares de estacionamiento tan profundos como 11 metros
en tan sólo 13 segundos
Estructura Mecánica:
La propuesta de Japón presenta una estructura en forma de cilindro que está bajo tierra, con lo cual
no deteriora la percepción visual del ambiente y la bicicleta no es perceptible por ninguna persona. De
forma automática toma la bicicleta por la rueda delantera y la envía a un puesto en la estructura. Su
estructura cilíndrica mejora el espacio de movimiento para colocar la bicicleta dado que se requiere menos
espacio que en forma rectangular. Para que la bicicleta pueda ser guardada esta debe cumplir con unas
medidas, que a pesar de que son medidas muy generales, no todas las bicicletas pueden cumplir estas
medidas. Dado que utiliza el espacio bajo tierra para guardar, no es necesario mucho espacio en la superficie
para guardar muchas bicicletas
Figura 33: Vista interior del Sistema de Cicloparqueaderos (youtube.com, 2017)
Estructura Eléctrica:
El gasto de energía es considerable dado los motores y la construcción de toda la estructura, dado
que implica remoción de tierra y adecuación de soportes, sin embargo tiene un área de trabajo muy bueno
de 57 metros cuadrados para 204 bicicletas
Estructura Electrónica:
La interacción con el usuario es muy simple, solo se pide la bicicleta a través de una tarjeta y la
bicicleta queda lista en segundos para ser utilizada. La bicicleta debe tener un chip RFID instalado en el
tenedor para poder realizar el proceso de entrega y recibo. En cuanto a la parte de control, este sistema se
42
trabaja a través de una aplicación de control maneja el estado de los ciclo parqueaderos que se presume
pueda ser capaz de dar estadísticos para la gestión del mismo
6.1.5 BIKE TOWER
Bike Tower es un sistema de cicloparqueaderos que sitúa las bicicletas a lo largo de una torre y un brazo
mecanico capaz de almacenar y entregar las bicicletas de forma horizontal
Estructura Mecánica:
Esta es una idea similar a la planteada y construida por Japón, pero a diferencia de la anterior esta
está montada en una torre. Es una estructura sólida hecha con vigas de metal y vidrio que sostiene y deja a
la vista las bicicletas, además de tener incorporada una cámara la cual nos muestra el lugar donde queda
almacenada la bicicleta, el sistema de recogida Y entrega es similar al de Japón. Se diferencia en la interfaz
de usuario la cual entrega tickets, en vez de tarjetas. Dado que la estructura tiene componentes frágiles
como el vidrio, puede representar un problema de seguridad dado que las bicicletas no quedan sujetas una
vez hayan entrado a la estructura, estas están susceptibles a robos.
Figura 34: Sistema Bike Tower (Tower, 2018)
Estructura Eléctrica:
El gasto energético en la construcción es menor en comparación al de Japón, pero se requiere de
mucho material para montar la estructura, adicional requiere más energía para la alimentación de motores
y pantallas
43
Estructura Electrónica:
La implementación electrónica se limita al ingreso y salida de la bicicleta, una base de datos local
la cual genera y asocia un código de barras al parqueadero y a la bicicleta ingresada impreso en un papel.
6.1.6 QATAR VERTICAL
Este sistema de aparcamientos usa el espacio vertical para almacenar hasta 16 vehiculos motorizados en el
espacio en metros cuadrados que ocuparían 2 vehiculos
Figura 35: Sistema de parqueadero vehicular Qatar Vertical
Estructura Mecánica:
Esta es una estructura desarrollada para almacenar carros de forma vertical. Este sistema funciona
como una rueda de la fortuna la cual va rotando las posiciones de los puestos, entregando un puesto
disponible para el usuario. Esta estructura es considerablemente grande y requiere de motores, cadenas de
gran capacidad y demás elementos de movimiento, lo cual puede hacer difícil alguna labor de
mantenimiento. Una gran ventaja de esta estructura es el aprovechamiento del espacio vertical hasta un
aproximado de 6 pisos, logrando ocupar, en este caso hasta un máximo de 16 vehículos, la estructura es una
buena opción en cuanto a utilización de espacio.
Estructura Eléctrica:
Dado que es una estructura relativamente grande, que requiere de un continuo movimiento para que
se pueda disponer de los espacios y los vehículos guardados, requiere de un suministro constante de energía,
además de un gasto considerable en la construcción de la estructura.
Estructura Electrónica:
La interfaz de usuario es muy sencilla, la cual consta de un teclado en la cual se digita el número
del puesto ocupado por el vehículo. La asignación de lugares se hace de forma automática por la estructura,
44
la cual deja disponible en toda ocasión un espacio libre hasta que se llene, la única variable requerida por
el usuario es el número del puesto asignado.
6.1.7 BICIMAD
Este es un sistema de préstamo de bicicletas implementado en la ciudad de Madrid, España
el cual consta de varios módulos o estaciones que cubren la ciudad. Para poder acceder a ella es
necesario tener una tarjeta la cual se recarga y da acceso al dispositivo para sacar la bicicleta
Figura 36: Sistema de Alquiler de Bicicletas Bicimad
Estructura Mecánica:
Las bicicletas están organizadas por módulos los cuales aseguran la bicicleta. Adicional cuenta con
un panel para interactuar con el sistema pagar por el servicio. Este sistema está enfocado al préstamo de
bicicletas, por esta razón no requiere de demasiados módulos, sin embargo existe una gran inversión para
crear los módulos e instalarlos por toda la ciudad.
Estructura Eléctrica:
Los módulos requieren estar conectados a la red eléctrica para que funcionen correctamente.
Adicional la interfaz requiere estar en continuo funcionamiento lo cual requiere de más energía
Estructura Electrónica:
El sistema consta de módulos los cuales tienen un sensor de lectura para la tarjeta de pagos, y un
sensor para activar el seguro. Estos módulos están conectados a una interfaz de usuario que maneja el
45
acceso, la disponibilidad y el sistema de pagos. Dado que el sistema está distribuido por toda la ciudad, este
tiene un sistema de control central que está conectado el cual gestiona el estado de los módulos.
6.1.8 BICICLETA COMO MERCANCÍA
Adicional a observar las opciones proporcionadas por proyectos ya desarrollados y diseñados
específicamente para el almacenamiento de bicicletas y automóviles, no hay que dejar atrás el desarrollo
hecho por la industria en cuanto al almacenamiento y transporte de mercancía en general en las bodegas,
donde existen ya varios esquemas de almacenamiento y rotación de mercancía, y herramientas. En este caso
se van a mostrar dos herramientas de transporte y almacenamiento de mercancía las cuales juegan un papel
importante en la industria en general.
Grúa
Una grúa es una máquina destinada a elevar y distribuir cargas en el espacio suspendidas de un
gancho. Por regla general son ingenios que cuentan con poleas acanaladas, contrapesos, mecanismos
simples, etc. para crear ventaja mecánica y lograr mover grandes cargas. Las primeras grúas fueron
inventadas en la antigua Grecia, accionadas por hombres o animales. Estas grúas eran utilizadas
principalmente para la construcción de edificios altos. Posteriormente, fueron desarrollándose grúas más
grandes utilizando poleas para permitir la elevación de mayores pesos. En la Alta Edad Media fueron
utilizadas en los puertos y astilleros para la estiba y construcción de los barcos. Algunas de ellas fueron
construidas ancladas a torres de piedra para dar estabilidad adicional. Las primeras grúas se construyeron
de madera, pero desde la llegada de la revolución industrial los materiales más utilizados son el hierro
fundido y el acero. La primera energía mecánica fue proporcionada por máquinas de vapor en el s. XVIII.
Las grúas modernas utilizan generalmente los motores de combustión interna o los sistemas de motor
eléctrico e hidráulicos para proporcionar fuerzas mucho mayores, aunque las grúas manuales todavía se
utilizan en los pequeños trabajos o donde es poco rentable disponer de energía. (Arquitectura, 2018)
Figura 37: Foto de una Grúa
46
La imagen anterior corresponde a una grúa de construcción, ahora se mostrará las partes o
componentes de estas grúas para entender su funcionamiento. La grúa torre está compuesta por varias partes
que son fundamentales para realizar los trabajos en la construcción de una obra, estas partes son:
Mástil: Gracias a esta parte la grúa puede conceder una altura suficiente. Está compuesta por unos
módulos de celosía que ayudan eficazmente al transporte de la grúa. Estos módulos se unen con
tornillos para realizar el montaje. En esta parte de la grúa podemos ubicar la zona giratoria que
aporta a la grúa un movimiento horizontal de 360 grados, esta zona se encuentra en la parte superior
del mástil, también se puede encontrar una cabina en donde el operario manejará la grúa.
Flecha: Estructura metálica conocida con el nombre de pluma, que se encarga de proporcionarle a
la grúa el alcance necesario para transportar la carga, posee una estructura giratoria la cual facilita
el transporte. Esta también posee un cable fijador a lo largo de la flecha en el cual el trabajador
podrá sujetar la argolla del cinturón de seguridad para realizar el mantenimiento y la revisión de
esta.
Contra flecha: Esta está acoplada al mástil en la zona opuesta a la unión con la flecha, su distancia
oscila de 30 a 35 % de la longitud de la pluma, esta posee una especie de pasarela que facilita el
paso del trabajador desde el mástil hasta los contrapesos.
Contrapeso: Su función principal es estabilizar la grúa, tanto cuando está en funcionamiento como
cuando está en reposo, estas en sí, son estructuras de hormigón que se colocan para estabilizar la
inercia y el peso que se produce en la flecha grúa.
Lastre: Se encarga de estabilizar la grúa frente al viento y al peso que puede trasladar, está
compuesta por muchas piezas de hormigón que se colocan en la base de la grúa.
Carro: El carro soporta el peso de la carga, este es metálico y se desplaza en la misma dirección de
la flecha a través de unos carriles que esta posee.
Cable: Este es la parte más sensible y delicada de la grúa, este debe de estar sujeto a un
mantenimiento adecuado, ya que debe de estar perfectamente tensado para que no se entrecruce al
momento de enrollarlo en el tambor, de lo contrario produciría aplastamientos.
Gancho: Esta sujetará la carga a través de los cables que están sujetas a la carga, tiene un dispositivo
con una fácil entrada de las eslingas y estrobos que automáticamente retiene los cables impidiendo
su salida.
Motores: La grúa torre comúnmente está formada por cuatro motores eléctricos que son: el motor
de distribución; que provee el movimiento del carro a lo largo de la pluma, el motor de elevación;
que permite el movimiento vertical de la carga, el motor de orientación; este cede el giro de 360
grado y el motor de translación; que permite el movimiento de la grúa.
Al revisar todas las partes de la grúa se puede observar y concluir que no es necesario implementar
todos los componentes de este, pues el peso promedio de una bicicleta es de 20 Kg, el gancho o grúa no se
va a trasladar en principio, es decir, su posición va a ser en el ciclo parqueadero entonces el Carro no es
necesario. Por otra parte, se deben hacer ciertas modificaciones para acoplar el sistema al que necesitamos.
La adaptación principal, es cambiar el Cable de la grúa por una pieza robusta, para dar un
movimiento extra que se necesita implementar en el prototipo del ciclo parqueadero. Según las
especificaciones del diseño que se mostró anteriormente la parte de almacenamiento está más profunda que
el canal de conducción de las bicicletas, por lo que es necesario implementar otro movimiento para guardar
y sacar las bicicletas.
47
Anteriormente hay dos bases o mástiles de grúa los cuales se decidieron implementar para poder
cumplir con el último movimiento mencionado a la hora de almacenar una bicicleta. En la base de estos
mástiles se encuentra engranada a un riel el cual se va a encargar en el movimiento de profundidad del
gancho principal, cada mástil se encuentra en un extremo de la sala de almacenamiento, se escogieron dos
para distribuir el peso y también para estabilizar la parte que se encarga del movimiento del ancho de la
sala. (Arquitectura, 2018)
Transelevador
Un transelevador es un sistema que funciona con principios de robotica y que es utilizado para el
almacenamiento automático en bodegas. Estos aportan eficiencia y rapidez en los movimientos de una
bodega. Son usados desde el almacenamiento de mercancía pequeña (unidades o cajas), hasta unidades de
tipo industrial (paletas o estibas). Se han instalado este tipo de sistemas en lugares como Europa, para el
almacenamiento de repuestos de automóviles.
Figura 38: Transelevador Mecalux Funcionando en bodega de autopartes vehiculares (Mecalux, 2018)
En esta imagen se puede observar el sistema completo de transelevadores ya debidamente
instalados y funcionando. Como se puede apreciar en la imagen este sistema permite mejorar varios
aspectos importantes como son:
Utilización de espacio
Rapidez de entrada y salida de mercancía
Inventario permanente
Facilidad de adaptación para cualquier tipo de mercancía
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Adicional a eso se observa que el sistema tiene la facilidad de aumentar la capacidad instalada del
mismo haciendo que los elementos se almacenen en forma vertical. En principio el sistema requerirá de una
inversión inicial alta, dada la implementación de los elementos de control, motores energía eléctrica y
demás, sin embargo en el largo plazo el sistema no requerirá de mucha inversión para aumentar la capacidad
total dado el aprovechamiento de espacio y la rapidez de entrega y recolección. Adicional a esto ofrece
seguridad gracias al inventario permanente que es capaz de entregar, sabiendo en cualquier momento el
estado de la bodega y de sus elementos; teniendo en cuenta que la bodega está en un lugar cerrado y con
acceso restringido a cualquier persona ajena al trabajo
Este sistema se propuso gracias a la solución que se ofrece en cuanto al transporte de los elementos,
pudiendo observar que se usa una estructura rígida en su totalidad, diferente a la grúa, en la cual los tiempos
de traslado son menores debido al uso de cuerdas que no tienen soporte alguno generando posibles
problemas debido al efecto de péndulo que se puede producir por alguna fuerza ajena o incluso provocada
por el movimiento de la misma
Figura 39: Brazo del Transelevador de Mecalux (Mecalux, 2018)
En esta imagen se puede observar la estructura del transelevador construido por la empresa Mecalux
En Europa para la bodega de partes de automotores. Se aprecia que a diferencia de la grúa esta se desplaza
por R3 bajo ejes fijos, pudiendo realizar un desplazamiento más estable y por consiguiente con una mayor
rapidez. Está diseñado para almacenar elementos tipo estantería como se muestra en el dibujo anterior
mejorando la rotación de la mercancía y la rapidez de entrega. Se puede aumentar la capacidad de
almacenamiento de bicicletas tanto de forma vertical como horizontal con una inversión muy corta, ya que
solo se agregan espacios mientras que a grúa puede ser igual.
49
6.2 SELECCIÓN
Anteriormente se mostró el análisis sobre las diferentes soluciones que se han implementado en todo
el mundo con respecto al aparcamiento de bicicletas y otras soluciones de préstamo de las mismas. Se pudo
observar que han salido diversas propuestas para el almacenamiento de bicicletas, propuestas que se
analizaran a continuación bajo un formato más conceptual, y así poder elegir el sistema más apropiado para
la distribución del espacio y acceso del ciclo parqueadero
RECOPILACIÓN DE DATOS
La sede de Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en este momento cuenta
con una infraestructura con modelo de cepillo o tostador para el parqueo de bicicletas en la entrada principal
de la sede el cual no está cubierto, con una capacidad de 84 puestos y el cual cuenta solo con vigilancia
permanente. Desafortunadamente la infraestructura no cuenta con las condiciones necesarias para ofrecer
un buen servicio en cuanto a capacidad, seguridad, protección en la intemperie, control y registro.
Figura 40: Cicloparqueaderos Facultad de Ingeniería UDFJC
Encuestas realizadas evidencian que en la sede de ingeniería, la cual cuenta con 6170 estudiantes
en la comunidad educativa, el 25% (1543) está dispuesto a realizar viajes en bicicleta a la sede si esta tuviera
infraestructura disponible que ofrezca mayor seguridad y reducción en el deterioro de la bicicleta. Solo el
5 % (309) de los estudiantes de la comunidad educativa es capaz de realizar viajes en bicicleta en un
promedio de 5 horas de estadía de lunes a viernes y 2 horas los sábados, en este momento bajo la
infraestructura existente (Jose Cruzado, 2017).
50
Figura 41: Hacinamiento y desorden de las bicicletas parqueadas
Los incidentes de seguridad reportados en promedio son 4 por mes, es decir 48 al año, el 12,5 % de
estos hace referencia al robo de la bicicleta, el restante hace referencia a robos de partes (en general llantas,
a veces cadenas) de la cicla o equipo de seguridad (cascos, chalecos). En cuanto al detrimento por lo general
sufren daño en el color (pintura) de la cicla, algunas presentan oxidación, y cuarteamiento en el sillín [].
Las bicicletas parqueadas en los cicloparqueaderos de la sede son de todos los tipos, como bicicletas
de montaña, MTB, Fixed, de ruta, pista, entre otras. Sin embargo la gran mayoría pertenecen a bicicletas
de ruta, de llanta ancha (Jose Cruzado, 2017). Bajo medidas generales, una bicicleta ronda en la medida de
la llanta entre unas 26” y 29” o entre 66 cm y 74 cm; las medidas de manubrio se encuentran desde los 80
cm y 105 cm; las medidas de largo de las bicicletas se encuentran los 125cm y los 180 cm; y el peso oscila
entre los 15 kg y los 30 kg dependiendo del material, el tamaño y los elementos adicionales que estén
puestos en la misma
La mejor forma para almacenar una bicicleta es de forma lateral, dado que el espacio de parqueo por
metro cuadrado usado en menor para almacenar la misma cantidad de bicicletasm sin importar la altura de
la estructura almacenadora. Desafortunadamente el cicloparqueadero no usa de manera eficiente el
espacio
SELECCIÓN DE CRITERIOS
A continuación se mostrarán muchos prototipos que se han planteado, también se mostrarán sus
ventajas y desventajas para llegar a un prototipo que cumpla con las expectativas que se nombraron
anteriormente. Para crear un modelo apropiado
Modelado y análisis inicial:
Se analizaran los puestos a través de dos dimensiones para poder obtener criterios de parqueo y noción de
espacio
51
o Primer Modelo
Figura 42: Primer modelo de Funcionamiento 2D
En el primer modelo se plantearon dos poleas con un motor cada una, donde cada una cumple con
un tipo de movimiento, la que está en la parte superior se encarga del movimiento horizontal y la que se
encuentra en la parte inferior se encarga del movimiento vertical. También se cuenta con un gancho
principal que está de color amarillo, su función es trasladar a la bicicleta que ingrese a la posición que se le
indique, los ganchos rojos son ganchos de almacenamiento, es decir, su función es guardar las bicicletas.
Como se puede observar en la imagen las posiciones disponibles son nueve, tres filas y tres columnas, que
se hizo así para manejar las posiciones como una matriz de 3x3 y hacer más fácil el uso de datos en la
programación.
Ventajas:
1. Uso de posiciones manejado como una matriz de 3x3, lo cual facilita el manejo de datos.
2. Para realizar todas las acciones que se requiere en este modelo, tan solo basta con mover el gancho
principal, lo cual es una gran ventaja en el consumo de energía, ya que solo tendrá que mover una
bicicleta por acción.
Desventajas:
1. Solo funciona para cinco posiciones de las nueve posibles (1, 2, 3, 4, 7), lo cual hace que sea inútil
su implementación.
2. Se pierde mucho espacio al implementar dos poleas en este modelo.
3. Se requieren dos motores para poder implementar los dos movimientos necesarios.
52
4. Al desarrollarse este modelo en la superficie, es decir, implementarse como un edificio, se requiere
mucho espacio.
o Segundo Modelo:
Figura 43: Segundo modelo de Funcionamiento 2D
A diferencia del modelo anterior este sistema ya no está basado en dos poleas y para reemplazar el
movimiento que realizaba la polea, se implementó una Polea para cortina de enrollar galvanizada y su
función es enrollar o desenrollar según la posición que se requiera.
Ventajas:
1. Uso de posiciones manejado como una matriz de 3x3, lo cual facilita el manejo de datos.
2. Implementando el uso de este sistema de enrollar se pueden llegar a las nueve posiciones que se
tienen planteadas.
3. Al quitar la polea que se tenía anteriormente se puede ver que se está ahorrando más espacio, en el
cual se puede implementar más posiciones disponibles de almacenamiento.
4. Para realizar todas las acciones que se requiere en este modelo, tan solo basta con mover el gancho
principal, lo cual es una gran ventaja en el consumo de energía, ya que solo tendrá que mover una
bicicleta por acción.
Desventajas:
1. Se necesitan dos motores para realizar los movimientos necesarios.
2. Se necesitan dos sistemas diferentes.
53
3. Al desarrollarse este modelo en la superficie, es decir, implementarse como un edificio, se requiere
mucho espacio.
o Tercer Modelo:
Figura 44: Tercer modelo de Funcionamiento 2D
Este modelo es totalmente diferente a los anteriores dos, ya no cuenta con ningún tipo de polea ni
tampoco con un sistema de enrollar. Consta de un solo motor y una parte rígida con el gancho principal en
su extremo, con un movimiento similar al de un reloj barre todas las posiciones.
Ventajas:
1. Solo se necesita un solo motor para llegar a casi todas las posiciones que se requieren.
2. Para realizar todas las acciones que se requiere en este modelo, tan solo basta con mover el gancho
principal, lo cual es una gran ventaja en el consumo de energía, ya que solo tendrá que mover una
bicicleta por acción.
Desventajas:
1. No se puede llegar a la posición 5, pues es en donde se encuentra ubicado el motor que realiza todo
el movimiento.
2. Se pierde mucho espacio, se pierde el espacio del tamaño de la parte rígida donde se encuentra el
gancho principal.
3. Tocaría hacer otro sistema para que la bicicleta llegara de la Entrada al gancho.
4. Al desarrollarse este modelo en la superficie, es decir, implementarse como un edificio, se requiere
mucho espacio.
5.
54
o Cuarto Modelo:
Figura 45: Cuarto modelo de Funcionamiento 2D
Este modelo es igual que el segundo modelo, solo que este modelo está planteado para que se haga
debajo del suelo, algo subterráneo ahorrando todo el espacio que debería utilizarse, pero se incrementa el
costo al tener que realizarse todos los estudios de suelos para ver si es posible y como debe hacerse toda la
estructura subterránea.
Ventajas:
1. Uso de posiciones manejado como una matriz de 3x3, lo cual facilita el manejo de datos.
2. Implementando el uso de este sistema de enrollar se pueden llegar a las nueve posiciones que se
tienen planteadas.
3. Al quitar la polea que se tenía anteriormente se puede ver que se está ahorrando más espacio, en el
cual se puede implementar más posiciones disponibles de almacenamiento.
4. Para realizar todas las acciones que se requiere en este modelo, tan solo basta con mover el gancho
principal, lo cual es una gran ventaja en el consumo de energía, ya que solo tendrá que mover una
bicicleta por acción.
Desventajas:
1. Se necesitan dos motores para realizar los movimientos necesarios.
2. Se necesitan dos sistemas diferentes.
3. Al desarrollarse este modelo debajo de la superficie, se incrementa todo el costo de este modelo.
55
o Quinto Modelo:
Figura 46: Quinto modelo de Funcionamiento 2D
En este modelo se usó una estructura fija que realice siempre la misma rutina de movimiento
independientemente de la posición que se quiera ocupar, entonces la posición inicial del gancho principal
será al costado izquierdo de la polea 1, si hay una activación del servicio, es decir, que haya una bicicleta
para guardar en la entrada, el gancho realizará la siguiente rutina para llegar a la entrada. Primero se activa
el motor de la polea 1 hasta que llegue al costado derecho y se enganche a la polea 2, después se activará
el motor de la polea 2 hasta que llegue a la parte inferior de esta y se enganche a la polea 3 y se active este
motor, dando la vuelta entera hasta llegar a la polea 4, realiza su debido movimiento y cuando finalmente
esté en la polea 5 se engancha a un sistema de enrollar como el que se mostró en el modelo 2. Este
movimiento se realizará siempre que requiera hacer cualquier acción, la diferencia es que desenganchará la
bicicleta en el espacio que esté disponible.
Ventajas:
1. Siempre se realizará el mismo movimiento, esto facilitará la programación del hardware, ya que
simplemente será una rutina.
2. Con este tipo de sistema se tendrá acceso a todas las posiciones.
3. En este modelo no se necesita el uso del conducto por donde pasen las bicicletas ya que estas irían
por donde están puestas las poleas.
Desventajas:
1. Para cumplir con toda la rutina, sería necesario el uso de seis motores, cinco poleas y un sistema
de enrolle.
2. Si siempre se va a realizar la misma rutina, se va a incrementar el gasto de energía.
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3. El uso de cinco poleas van a minimizar el espacio de almacenamiento.
Cabe aclarar que todos los modelos que se mostraron anteriormente son los prototipos basados en
todas las opciones que se tienen en el mundo, y al manejar las posiciones como una matriz de 3x3 pues se
estaría trabajando en un plano de R2, lo cual no sería muy eficiente a la hora de implementar este ciclo
parqueadero, sin embargo, el estudio de comparaciones se realizó en R2 para poder facilitar el desarrollo,
y el prototipo que mejor sea en R2 se implementará en R3.
Según las características, que tenía más ventajas que los demás modelos, que su implementación
no es tan compleja, su costo es más bajo que los demás, el modelo seleccionado es el segundo modelo:
Teniendo en cuenta lo anterior, se implementará el gancho principal en R2 con una polea y un
sistema de enrolle, en R3 ese sistema está representado en las grúas de construcción, consta de tres motores
para poder realizar los tres tipos de movimientos necesarios para moverse en las tres dimensiones.
MODELADO Y ANÁLISIS 3D
Después de haber realizado una búsqueda de referentes el primer paso fue la creación de un modelo
tridimensional esquemático que ayudaría a tomar decisiones sobre el tamaño, los tipos de movimientos y
el tipo de materiales que posteriormente se usarían en la construcción de la maqueta. Para el modelado se
va a trabajar con una versión gratuita de Rhinoceros que es un programa de modelado CAD. El modelo
busca usar el espacio vertical para el almacenamiento de bicicletas, en el primer modelado se puede ver
una pared en la cual van las bicicletas, un rielen el cual va a trasladarse la estructura de acuerdo al
modelado 2D y otro riel vertical donde se encuentra el gancho, para el enganche y desenganche se piensa
en un gancho móvil que va de lado a lado para poner las bicicletas en la pared
Figura 47: Primer modelado del ciclo parqueadero
57
En este modelo se analizó en gran parte el uso del gancho vertical, dado que genera muchos
inconvenientes de enganche y desenganche para la bicicleta y en la cantidad de movimientos necesarios
para realizar las acciones
Realizar un modelado en esta etapa también tuvo como intención visualizar los distintos tipos de
mecanismos que se usarían en la maqueta final.
Figura 48: Modelado del gancho
DIMENSIONES DE BICICLETAS
Para poder almacenar las bicicletas, es necesario tener las medidas comerciales de los modelos guardados
y analizar los modelos más grandes de bicicletas para contemplar el espacio necesario a usar. A pesar que
se pueden guardar bicicletas de todo tipo, las bicicletas más usadas en la ciudad son las bicicletas de
montaña o MTB, las bicicletas de Ruta y las urbanas. En el mercado a pesar de haber tanta variedad al
momento de elegir y comprar bicicletas, estas tienen un estándar de medidas con las cuales pueden
ofrecer al consumidor la bicicleta con medidas ideales.
Para una bicicleta de ruta por ejemplo tiene un gran conjunto de medidas relacionadas entre ellas la
distancia de los ejes, la altura del tenedor, la altura del sillín entre muchas otras, y estas medidas son
diferentes para una bicicleta de montaña, donde la altura del tenedor es más grande y la altura del sillín es
más pequeña. Sin embargo existen un conjunto de medidas que no difieren mucho de bicicleta en
bicicleta como el tamaño de la rueda, la medida de la biela, y el manubrio.
58
El tamaño del rin para una bicicleta no varía demasiado entre bicicleta y bicicleta. Para bicicletas MTB y
de ruta el tamaño del rin es de 27,5” o 700mm el cual hace referencia al diámetro del rin en su parte
exterior
Figura 49: Lectura de las normas de medida de una llanta (Bicikleta, 2018)
La mayoría de bicicletas comerciales, excluyendo a bicicletas de bicicrós y las bicicletas para niños
pequeños, que tienen una medida de entre 15” y 20”, la medida comercial debido a la altura promedio de
las personas es de 27,5” o 26”
Figura 50: Medida de las llantas de bicicleta MTB (EsMTB, 2018)
La variación de la medida es poca, de 1” a 1,5” o 3cm a 4cm lo que nos permite usar la llanta para
enganchar la bicicleta con un margen de error bajo. A pesar que hay más llantas comerciales, las llantas
de 29” no se consiguen debido que es para personas con alturas de más de 2m y la estatura promedio en
Colombia es de entre 1.59m y 1.86m para hombres y 1.48m y 1.71m para mujeres (Tiempo,
eltiempo.com, 2013)
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6.3 DISEÑO
DISEÑO MECÁNICO
Con decisiones tomadas sobre cómo se realizaría la maqueta se procede a realizar el modelado final, que
sería usado para mandar a fabricar las distintas piezas.
Figura 51: Modelado Final
Como se ve en el diseño, en este se encuentra el mástil que lleva el gancho y una base giratoria para poder
guardar las bicicletas como lo haría un transelevador, hacia los dos lados del mástil, sin embargo para
efectos demostrativos el sistema esta con solo una pared. Se piensa en las bicicletas con mayor distancia
de eje a eje de rueda que serían las MTB de geometría 29.
El modelo tiene 4 movimientos, el de traslación de la base, rotación y traslación del mástil y elevación de
gancho existe un grado de libertad adicional debido a varios factores como la orientación e la bicicleta, el
uso de dos paredes laterales para guardar la bicicleta y el análisis en el enganche y desenganche de la
bicicleta.
La base tiene unas dimensiones grandes en comparación a la bicicleta debido a la traslación necesaria
para ingresar, enganchar y desenganchar la bicicleta
60
Figura 52: Estructura de la base
La estructura del gancho se simplifico considerablemente debido a que el mecanismo inicial previsto era
innecesario y difícil de implementar. Se redujo el efecto péndulo al levantar la bicicleta al agregar una
placa en el mástil que limita el movimiento
Figura 53: Estructura del gancho
El gancho se pensó de forma lateral para poder ser enganchado fácilmente tanto por el usuario como por
la maquina
Una vez terminado el modelado final y hechos los cambios necesarios se procede organizar los planos que
se usarían para el corte laser.
61
DISEÑO ELECTRÓNICO
Para el Diseño Electrónico se estableció el uso de una Raspberry Pi 3 B+ para realizar el diseño del
sistema, que incluye varios elementos como son: Base de Datos, Servidor y Cliente operativo mientras
que la otra parte del sistema tiene los motores y el control de los mismos los cuales se comunican a través
de Python con el cliente operativo. Para poder conectar ambos sistemas es necesario el diseño de una
placa de circuito impreso PCB el cual contiene la conexión entre la Raspberry y los drivers de los
motores. En el siguiente esquema se relacionan los ítems hablados con anterioridad los cuales tienen las
siguientes características:
Figura 54: Diagrama del modelo funcional para el sistema de ciclo parqueaderos
Es Necesario pensar en el diseño de la electrónica involucrada en el diseño. Para esto es necesario
modelar los módulos involucrados en el mismo
62
Figura 55: Modelado estructural para el diseño electrónico
Teniendo en cuenta el modelo estructural para el diseño electrónico, es necesario realizar el modelo
esquemático para la implementación de la PCB
Figura 56: Modelo esquemático para el diseño de la PCB
63
En este modelo se pretende realizar las conexiones de los módulos MFRC522, dos Módulos Pololu
A4988, dos Módulos Texas DRV8825, un Botón de Emergencia y teniendo en cuenta el desacople de
Tierras para la protección del circuito de potencia y control
s
Figura 57: Diseño de la PCB que tendrá las conexiones de los módulos de potencia, testigos y botones de
emergencia
DISEÑO DE SOFTWARE
Para el Diseño del sistema de cicloparqueaderos es necesario pensar en la manipulación de información y
como se accederá a la misma. Para esto se empezó con el modelamiento de la base de datos. El
modelamiento se realizó con el modelo Entidad-Relación el cual permite realizar una extrapolación con
un entorno real. A pesar que este tipo de modelo está basado en un esquema de bases de datos relacional,
con MongoDB es posible crear una base de datos relacional.
64
Figura 58: Modelo Entidad Relación de la Base de Datos
En la Imagen se muestra el modelo entidad relación donde se muestran las siguientes entidades y
relaciones:
Existe en principio una entidad Estudiante el cual tiene una relación de pertenencia con una o más
Bicicletas
En segundo lugar, el Parqueadero se convierte en una entidad la cual contiene un conjunto de
Espacios generando una relación de pertenencia
La Bicicleta al tomar el servicio de parqueo esta se guarda en el parqueadero ocupando un
espacio
El Estudiante, La Bicicleta, El Espacio de parqueo y el Parqueadero se convierten en las entidades y las
dos relaciones de pertenencia con la relación de guardado se convierten en relaciones. En teoría para cada
una de estas entidades y relaciones se obtiene una tabla sin embargo en la relación de pertenencia del
parqueadero y el espacio se puede convertir en un atributo de la entidad espacio, relacionando el
parqueadero asociado al mismo. En cuanto a las relaciones de pertenencia entre el Estudiante y la
Bicicleta y a la relación de guardado entre la bicicleta y el espacio estas tablas se relacionaran como el
TagNFC o Tarjeta y el Registro del parqueadero respectivamente. La tabla de Registro se genera debido a
una relación muchos a muchos generada donde no es posible asociar una bicicleta a un espacio específico
sino que en el transcurso del tiempo esta puede estar ocupando otro espacio, y la tabla de Tarjeta hace
referencia a la relación entre el estudiante que puede tener una muchas o ninguna bicicleta, entonces es
necesaria una tabla adicional para tener esta relación. Luego de esto se obtienen las siguientes tablas
Tabla 2: Esquema de Estudiante.
Estudiante
Variable Tipo
estado String
proyectoCurricular String
numero Number
65
codigoEstudiante Number
nombreEstudiante String
codigoProyecto Number
estado2 String
descripcion String
estado3 String
correoInstitucional String
correoPersonal String
Tabla 3: Esquema de Bicicleta.
Bicicleta
Variable Tipo
Marca String
color String
Tipo String
Placa String
Medida_Rin Number
Descripcion String
Tabla 4: Esquema de Espacio.
Espacio
Variable Tipo
isFull Boolean
row Number
column Number
parkingId mongoose.Schema.Types.ObjectId
Tabla 5: Esquema de Parqueadero
Parqueadero
Variable Tipo
Sede String
Capacidad Number
descripcion String
Ubicacion String
66
Tabla 6: Esquema de Registro
Registro
Variable Tipo
BikeId mongoose.Schema.Types.ObjectId
Fecha_Entrada String
Fecha_Salida String
SpaceId mongoose.Schema.Types.ObjectId
Descripcion String
Tabla 7: Esquema de Tarjeta
Tarjeta
Variable Tipo
CodigoUID String
StudentId mongoose.Schema.Types.ObjectId
BikeId String
Una vez la diseñada la base de datos es necesario poder acceder a la información para poder operarla,
para esto se ha diseñado un servidor capaz de acceder a la base de datos y realizar las peticiones
pertinentes de forma automática. Para esto se diseñó un Servidor API-REST en NodeJS con ayuda de
Express como plantilla donde cada esquema requiere de una tabla de enrutamiento.
Tabla 8: Tabla de enrutamiento para Bicicleta
Bicicleta(BikeRouter)
Ruta Metodo Descripcion Entrada
/ get
Retorna todas las bicicletas Registradas en la base de datos
post Crea una nueva Bicicleta /models/Bicicleta
/:bikeId
get Retorna una bicicleta por el ID asignado en la Base de Datos
put Actualiza los datos de la bicicleta a través de ID /models/Bicicleta
delete Borra La bicicleta Asociada al ID
/Marca/:Marca get Retorna un conjunto de bicicletas dependiendo de la marca registrada
/Tipo/:Tipo get Retorna un conjunto de bicicletas dependiendo del tipo los cuales pueden ser: MTB, Fixed, Ruta, Panadera, Cross
/Placa/:Placa get Retorna una bicicleta dependiendo de la Placa
67
/Rin/:Medida_Rin get Retorna un conjunto de bicicletas dependiendo de la medida del Rin los cuales pueden ser: 26, 700, 29, 20
/Color/:Color get Retorna un conjunto de bicicletas dependiendo el color
Tabla 9: Tabla de Enrutamiento para Estudiante
Estudiante(StudentRouter)
Ruta Metodo Descripcion Entrada
/ get
Retorna todos los estudiantes Registrados en la base de datos
post Crea un nuevo Estudiante
/models/Estudiante
/:studentId
get Retorna un Estudiante por el ID asignado en la Base de Datos
put Actualiza los datos del Estudiante a través de ID
/models/Estudiante
delete Borra El Estudiante asociado al ID
/Proyecto_Curricular/:proyectoCurricular get
Retorna un conjunto de Estudiantes dependiendo del proyecto curricular
/Codigo_Estudiante/:codigoEstudiante get Retorna un Estudiante dependiendo del Codigo
/Nombre_Estudiante/:nombreEstudiante get Retorna un Estudiante dependiendo de la Placa
/Correo_Institucional/:correoInstitucional get Retorna un Estudiante dependiendo del correo institucional
/Correo_Personal/:correoPersonal get Retorna un Estudiante dependiendo del correo personal
Tabla 10: Tabla de Enrutamiento para Tarjeta
Tag o Tarjeta NFC(CardRouter)
Ruta Metodo Descripcion Entrada
/ get Retorna todos los TagsNFC Registrados en la base de datos
68
post Crea un nuevo TagNFC /models/Tarjeta
/:TarjetaId
get Retorna un TagNFC por el ID asignado en la Base de Datos
put Actualiza los datos del TagNFC a través de ID
/models/Tarjeta
delete Borra el TagNFC asociado al ID
/CodigoUID/:CodigoUID get Retorna un TagNFC dependiendo de Codigo UID asociado
/Estudiante/:StudentId get Retorna un TagNFC dependiendo del ID del Estudiante Asociado
/Bicicleta/:BikeId get Retorna un TagNFC Dependiendo del ID de la bicicleta Asociada
Tabla 11: Tabla de Enrutamiento para Parqueadero
Parqueadero(ParkingRouter)
Ruta Metodo Descripcion Entrada
/ get
Retorna todos los Parqueaderos Registrados en la base de datos
post Crea un nuevo Parqueadero /models/Estudiante
/:ParqueaderoId
get Retorna un Parqueadero por el ID asignado en la Base de Datos
put Actualiza los datos del Parqueadero a través de ID
/models/Estudiante
delete Borra el Parqueadero asociado al ID
Tabla 12: Tabla de Enrutamiento para Espacio
Espacio(SpaceRouter)
Ruta Metodo Descripcion Entrada
/ get
Retorna todos los Espacios Registrados en la base de datos
post Crea un nuevo Espacio /models/Espacio
/:SpaceId
get Retorna un Espacio por el ID asignado en la Base de Datos
put Actualiza los datos del Espacio a través de ID
/models/Espacio
delete Borra el Espacio asociado al ID
/Guardar/:SpaceId put Actualiza el estado del Espacio a lleno (True)
{"isFull": True}
/Entregar/:SpaceId put Actualiza el estado del Espacio a Vacio (False)
{"isFull": False}
69
/Estado/:parkingId/:isFull get Retorna un Espacio Dependiendo del ID del Parqueadero su estado: lleno o Vacio
Tabla 13: Tabla de Enrutamiento para Registro
Registro(RegisterRouter)
Ruta Metodo Descripcion Entrada
/ get Retorna todos los Registros creados en la base de datos
post Crea un nuevo Registro /models/Registro
/:RegistroId get Retorna un Registro por el ID asignado en la Base de Datos
put Actualiza los datos del Registro a través de ID
/models/Registro
delete Borra el Registro asociado al ID
/Fecha_Entrada/:Fecha_Entrada get Retorna un conjunto de registros por Fecha de entrada
/Fecha_Salida/:Fecha_Salida get Retorna un conjunto de registros por Fecha de salida
/Parqueadero/Espacio/:SpaceId get Retorna el último registro realizado asociado al ID del Espacio
/Bicicleta/:BikeId get Retorna el último registro realizado asociado al ID de la Bicicleta
Una vez obtenidas las tablas de enrutamiento para la base de datos es necesario realizar la comunicación e
interpretación a través del cliente que en este caso se hace referencia al dispositivo final que recibirá las
bicicletas y creara los registros de ingreso y actualizaciones de salida. El cliente debe seguir el diagrama
de flujo para realizar las consultas y para la creación del registro de parqueo.
70
Figura 59: Diagrama de Flujo de la operación del Cliente Operativo
71
6.4 IMPLEMENTACION
IMPLEMENTACIÓN DE SOFTWARE
A continuación se va a especificar el Hardware que se va a utilizar, mostrar sus especificaciones,
comunicación, capacidad, puertos, etc.
Se seleccionó la Raspberry Pi Modelo B+ 512 MB, sus especificaciones son:
700 MHz Broadcom BCM2835 CPU con 512 MB RAM
40 pin extended GPIO
Full size HDMI
4 USB ports
Micro SD.
Para inicializar la Raspberry se descargó raspbian desde la página oficial
https://www.raspberrypi.org/downloads/ en este link está la opción de descargar el NOOBS que es la forma
más sencilla de instalar el sistema operativo RASPBIAN, que es un debian adaptado para la Raspberry.
Entonces para poder utilizar la Raspberry es necesario el sistema operativo, como vimos en las
especificaciones anteriores tiene una Micro SD la cual es el disco duro de la Raspberry, entonces se descarga
ese NOOBS de la página oficial, se descomprime y se guarda en la Micro SD, ya después se extrae la Micro
SD y se introduce a la Raspberry Pi. Se recomienda energizar la raspberry con 2A, aunque con el puerto
USB 3.1 del PC es suficiente para energizarla. A continuación se conectan el mouse, el teclado y una entrada
HDMI para visualizar, y ahora simplemente es instalar el sistema operativo.
Comunicación entre Raspberry Pi y módulo MFRC522
A continuación se mostrara el paso a paso para hacer una breve conexión entre los dos dispositivos que se
explicó anteriormente.
Figura 60: Conexión entre Raspberry y Modulo MFRC522
72
Lo primero que se debe hacer es ingresar a la página de Raspberry https://www.raspberrypi.org/downloads/
y descargar el NOOBS, después de tener este archivo lo guardamos en la micro SD que básicamente es el
disco duro de la Raspberry, se expulsa la micro SD del PC, después de que esté en la Raspberry, se agrega
un mouse y un teclado a la raspberry, también una entrada HDMI para visualizar. Ahora se instala el
Raspbian con las configuraciones que se desee. Por ejemplo el horario, países, etc.
Después de tener instalado raspbian no es necesario tener una pantalla conectada para visualizar, porque
después de activar el SSH en la Raspberry, se puede ingresar a la terminal de raspbian directamente en la
terminal de un PC, en este caso se hizo con Ubuntu 16.04. El comando es
ssh pi@IP -X
Ahora ya se puede trabajar en la Raspberry directamente del PC, como se puede ver en la figura anterior.
El segundo paso es realizar las conexiones físicas entre los pines de la Raspberry y el módulo MFRC522,
pero es necesario saber cuáles son los pines de la Raspberry, teniendo en cuenta estos pines se va a realizar
la siguiente conexión.
Tabla 14: Conexión de pines entre Raspberry y Modulo MFRC522
Pines Raspberry Pi 3 B+ Módulo MFRC522
Pin 1 3.3V
Pin 6 Ground
Pin 19 MOSI
Pin 21 MISO
Pin 22 Reset
Pin 23 SCK
Pin 24 SDA
El tercer paso es verificar que el protocolo SPI esté activo.
sudo nano /boot/config.txt
Y verificar
dtparam=spi=on
El cuarto paso es instalar Python 2.7 en la raspberry con el siguiente comando
sudo apt-get install python2.7-dev
73
Ahora se debe instalar SPI-P para poder ejecutar la comunicación, se deben seguir estos comandos
git clone https://github.com/lthiery/SPI-Py.git
cd SPI-Py
sudo python setup.py install
El último paso es instalar MFREC522 para poder reconocer las etiquetas que se acerquen, así:
git clone https://github.com/mxgxw/MFRC522-python.git
cd MFRC522-python
python Read.py
En el último comando ya se puede ver en el terminal de la Raspberry cuando se acerca una tarjeta.
Figura 61: Prueba con varios Tags NFC tipo Mifare Classic
En la figura anterior se pueden ver diferentes pruebas que se hicieron con etiquetas diferentes, se puede
observar que cada prueba tiene una dirección diferente, es decir, cada etiqueta es única lo cual es muy bueno
porque a cada usuario se le dará una etiqueta para identificarlo.
74
Teniendo la conexión entre la Raspberry y el módulo MFRC 522 el siguiente paso es relacionar esta
conexión con los pines GPIO de la Raspberry, es decir, que se realice alguna acción cuando se detecte una
tarjeta. Para desarrollar esta parte se hizo un programa el cual reconociera las etiquetas NFC y dependiendo
la UID seleccionara si es permitido el acceso o no y con los pines 3 y 5 para prender dos leds, uno amarillo
que sea el que identifica al usuario que el acceso es correcto y otro rojo que dice que acceso es incorrecto
porque esa UID no está en la base de datos que pueden ingresar
Figura 62: Solicitud de acceso por Código UID
La imagen anterior es el programa en la terminal, en ese momento se hicieron dos pruebas con dos etiquetas
NFC, una estaba en la base de datos y fue la de “ACCESO CORRECTO” y otra que no estaba registrada
que decía “ACCESO INCORRECTO”.
75
Cliente operativo en Python
Para la instalación del cliente es necesario descargar git y crear el clon del código
sudo apt-get install git
git clone https://github.com/JhoanMurillo12/Cliente_Python
Y con esto ya quedara listo el cliente ejecutando el archivo lecturamovimiento.py
En la figura anterior se encuentra el diagrama de flujo del proceso que se realiza desde el momento en que
se acerca el Tag NFC en el lector, como se genera el registro y se guarda la bicicleta. Entonces se explicará
a continuación todo el proceso.
Lo primero es explicar los módulos usados en Python para el desarrollo del correcto funcionamiento del
algoritmo.
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf8 -*-
#Por Camilo Lòpez y Jhoan Murillo
import RPi.GPIO as GPIO
import MFRC522
import signal
import time
import requests
import json
import datetime
from Movimiento_Motores import *
Figura 63: Librerías usadas para trabajar en Python
El módulo Rpi.GPIO as GPIO, GPIO (General Purpose Input Output ) es un sistema de entrada – salida de
propósito general que ofrece la Raspberry PI, representan la interfaz entre la Raspberry y el prototipo, es
decir, es la que permite el funcionamiento de los motores. Entonces esta librería permite el control de estos
pines desde Python que es el lenguaje de programación seleccionado.
Los módulos MFRC522 y signal permite la conexión entre la Raspberry y el módulo MFRC522.
El módulo time proporciona funciones para trabajar con la fecha y hora, se utiliza para el registro de fecha
y hora de entrada y salida de las bicicletas.
El módulo requests provee múltiples métodos para obtener todo tipo de información de una URL. Se usa
para realizar las peticiones al servidor.
El módulo json permite el tratamiento de datos tipo JSON.
Y finalmente Movimiento_Motores es una librería propia creada con el fin de poder traducir los datos del
servidor con respecto al espacio en una secuencia de pulsos para el movimiento de los motores.
76
La primera acción que se realiza en este proceso es acercar el Tag NFC al módulo MFRC522, se consulta
la UID de este Tag y se compara en la base de datos si está asociado a un estudiante, si no se encuentra
asociado se advierte que este Tag primero debe ser registrado y asociado a un estudiante para poder
continuar con el proceso.
Figura 64: Solicitud del Cliente Operativo para Buscar la tarjeta leída a través del módulo MFRC522
Para hacer esta consulta se realizar esta consulta al servidor se define la URL donde se encuentra el servidor,
uid_estudiante es la UID asociada al Tag NFC, entonces si se encuentra asociada es porque esa URL ya
existe en el servidor. Si solicitud_1.text devuelve algún dato y su estado es igual a 200 es porque
efectivamente existe algo en esa URL.
Figura 65: Solicitud de Espacio para guardar Bicicleta
77
Convertir_Texto es una función que recibe el dato de la URL y devuelve un JSON para que su tratamiento
de datos sea sencillo. ID_Card, ID_Bike, ID_Student guardan los datos almacenados en la URL para poder
realizar el registro.
Después de verificar que la UID si se encuentra asociada a un estudiante, se continua a la búsqueda de
espacios disponibles, los cuales si están disponibles son False y si están ocupados es True y son
seleccionados directamente en el servidor. Se hace una petición get al servidor el cual devuelve que Fila,
Columna, ID_Space se encuentran disponibles, ya con estos tres datos se identifica la posición (1 al 9) y se
procede al movimiento de los motores hasta esta posición. Después se actualiza la fecha de entrada del
registro. Si el servidor no devuelve nada quiere decir que el parqueadero ya está lleno.
La segunda vez que se detecte el mismo Tag entra al siguiente condicional:
Figura 66: Actualización del Registro en caso de haber estado ya en el parqueadero
Ya que el registro de ingreso no tiene Fecha_Salida, esta es la forma en que se detecta que una bicicleta se
encuentra guardada, se actualiza la fecha para llenar el espacio Fecha_Salida y completar el registro.
Después se continúa con el proceso de devolución de bicicleta sabiendo la Fila y Columna que fueron
registrados anteriormente.
78
Servidor y Base de datos
Para implementar el servicio se procede a inicializar el servicio en Mongo para lo cual se una a la
siguiente línea de código
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install mongodb-server
sudo service mongod start
Ya con esto, el servicio por defecto queda en el puerto 27017
Para implementar el servidor es necesario la instalación de git, npm y node js para crear un clon del
código subido por internet con la siguiente línea de códigos
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install git npm
sudo npn install node -g
git clone https://github.com/JhoanMurillo12/Servidor_Tesis
Despues es necesario instalar los módulos de node usados en el servidor e inicializarlo para lo cual hay
que dirigirse a la carpeta Servidor_Tesis/ServidorNode y usarlas siguientes líneas de código
sudo npm install
sudo npm start
Ya con esto se puede observar el contenido de la carpeta donde está el servidor donde se encuentran las
configuraciones, rutas de acceso y modelos de la base de datos teniendo en cuenta las tablas de diseño
79
Figura 67: Modelos y las rutas de acceso del servicio en MongoDB
Una vez visto esto es necesario observar el funcionamiento del servicio usando un conjunto de solicitudes
para guardar los datos enviados entre ellos los de la bicicleta, estudiante, espacio de parqueo, parqueadero,
registro y tarjeta o Tag NFC. Las entradas para que el servicio sea capaz de guardar son las siguientes
{
"estado": "",
"proyectoCurricular": "INGENIERIA ELECTRONICA",
"numero": ,
"codigoEstudiante": ,
"nombreEstudiantes": "MURILLO YARA JHOAN MANUEL",
"codigoProyecto": ,
"estado2": "",
"descripcion": "",
"estado3": ,
"correoInstitucional": "[email protected]",
"correoPersonal": "[email protected]",
"": ""
},
Figura 68: documento JSON para estudiante
80
{
"Marca": "GW",
"color": "Negro",
"Tipo": "MTB",
"Placa": "GW458576",
"Medida_Rin": "26",
"Descripcion": "en mal estado"
}
Figura 69: documento JSON para bicicleta
{
"CodigoUID":"193_83_197_48",
"StudentId":"5ad396e70d3d1d06b989a130",
"BikeId":"5ad3a1321e20310809e6dd1b"
}
Figura 70: Documento JSON para TagNFC
{
"isFull": false,
"row": 1,
"column": 1,
"parkingId": "5ad396e70d3d1d06b989a130"
}
Figura 71: Documento JSON para Espacio de parqueo
{
"Sede":"Ingenieria",
"Capacidad": 150,
"descripcion": "",
"Ubicacion":"Carrera 7 No. 40B - 53"
}
Figura 72: Documento JSON para Parqueadero
81
{
"BikeId": "5ad3a1321e20310809e6dd1b",
"Fecha_Entrada": "2018-04-15T18:27:48.097Z",
"Fecha_Salida": "2018-04-15T18:27:48.097Z",
"SpaceId": "5ad3a1321e20310809e6dd1b",
"Descripcion": ""
}
Figura 73: Documento JSON para Registro
Luego al usar las rutas establecidas para crear y consultar, se puede observar el formato de guardado de
los datos en la base de datos
{
"__v": 0,
"updatedAt": "2018-04-15T18:27:48.097Z",
"createdAt": "2018-04-15T18:27:48.097Z",
"estado": "",
"proyectoCurricular": "INGENIERIA ELECTRONICA",
"numero": ,
"codigoEstudiantes": 20111005011,
"nombreEstudiante": "MURILLO YARA JHOAN MANUEL",
"codigoProyecto": ,
"estado2": "",
"descripcion": "",
"estado3": "",
"correoInstitucional": "[email protected]",
"correoPersonal": "[email protected]",
"_id": ""
},
Figura 74: Documento generado por MongoDB para Estudiante
{
"__v": 0,
"updatedAt": "2018-04-15T18:38:06.711Z",
"createdAt": "2018-04-15T18:38:06.711Z",
"isFull": false,
"row": 1,
"column": 1,
"parkingId": "5ad396e70d3d1d06b989a130",
"_id": "5ad39c0e29d585074e7af4c2"
}
Figura 75: Documento generado por MongoDB para Espacio de Parqueo
82
{
"__v": 0,
"updatedAt": "2018-04-15T19:00:02.703Z",
"createdAt": "2018-04-15T19:00:02.703Z",
"Marca": "GW",
"color": "Negro",
"Tipo": "MTB",
"Placa": "GW458576",
"Medida_Rin": 26,
"Descripcion": "en mal estado",
"_id": "5ad3a1321e20310809e6dd1b"
},
Figura 76 : Documento generado por MongoDB para Bicicleta
{
"__v": 0,
"updatedAt": "2018-04-15T20:10:15.691Z",
"createdAt": "2018-04-15T20:10:15.691Z",
"CodigoUID": "193_83_197_48",
"StudentId": "5ad396e70d3d1d06b989a130",
"BikeId": "5ad3a1321e20310809e6dd1b",
"_id": "5ad3b1a7a99cc605e5b10791"
},
Figura 77: Documento generado por MongoDB para TagNFC
{
"__v": 0,
"updatedAt": "2018-04-15T18:16:07.083Z",
"createdAt": "2018-04-15T18:16:07.083Z",
"Sede": "Ingeniería",
"Capacidad": 150,
"descripcion": "",
"Ubicacion": "Carrera 7 No. 40B - 53",
"_id": "5ad396e70d3d1d06b989a130"
}
Figura 78: Documento generado por MongoDB para Parqueadero
83
{
"__v": 0,
"updatedAt": "2018-04-15T19:00:02.703Z",
"createdAt": "2018-04-15T19:00:02.703Z",
"BikeId": "5ad3a1321e20310809e6dd1b",
"Fecha_Entrada": "2018-04-15T18:27:48.097Z",
"Fecha_Salida": "2018-04-15T18:27:48.097Z",
"SpaceId": "5ad3a1321e20310809e6dd1b",
"Descripcion": "",
"_id": "5ad3a1321e20310809e6dd1b"
}
Figura 79: Documento generado por MongoDB para Registro
Control de Motores
El control de los motores se va a realizar a travez de una caracterización de las distancias necesarias por
recorrer relacionadas a travez de registros, con un código que define los movimientos del motor usando el
sentido, la velocidad y el numero de pasos representado en una función. Algunos de estos movimientos se
ajustaron para suavizar el culetazo o efecto péndulo del mástil de la estructura. Adicional el control tiene
una función de ajuste y calibración al punto inicial para no perder el punto de partida
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import math
step1 = 3 fin1 = 16
dir1 = 5 fin2 = 18
step2 = 11 fin3 = 38
dir2 = 13 fin4 = 40
step3 = 31
dir3 = 33
step4 = 35
dir4 = 37
Figura 80: librerías usadas para el manejo de los motores, registros de los pines de las entradas de
control de los drivers y los fines de carrera de cada eje
velocidad = 0.01
velocidad2 = 0.01
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setwarnings(False)
84
GPIO.setup(3,GPIO.OUT)#motor1, estado
GPIO.setup(5,GPIO.OUT)#motor1, direccion
GPIO.setup(11,GPIO.OUT)#motor2, estado
GPIO.setup(13,GPIO.OUT)#motor2, direccion
GPIO.setup(31,GPIO.OUT)#motor3, estado
GPIO.setup(33,GPIO.OUT)#motor3, direccion
GPIO.setup(35,GPIO.OUT)#motor4, estado
GPIO.setup(37,GPIO.OUT)#motor4, direccion
GPIO.setup(16, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_UP) #Fin de Carrera Motor
GPIO.setup(18, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_UP) #Fin de Carrera Motor
GPIO.setup(38, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_UP) #Fin de Carrera Motor
GPIO.setup(40, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_UP) #Fin de Carrera Motor
Figura 81: Inicialización de los pines encargados de la dirección y el movimiento de los motores y los
fines de carrera
# posiciones eje 1
# pasos 200, distancia 3,93cm , p/d = 50,89 para el motor 4 es 2*p/d
P1 = 76 # posiciones eje 4
P2 = 346 P_1 = 1098*2
P3 = 1033 P_0 = 300*2
P4 = 1300 P_b = 110*2
P5 = 1900
P6 = 2240 # posiciones eje 3
P7 = 2800 P_min = 225
P8 = 3130 P_c = 255
PP = 356 P_o = 387
# posiciones eje 2
Giro = 1080
Figura 82: Registros de movimiento para el funcionamiento de la maqueta y los motores con sus
respectivas reglas de 3 para el calculo de los pasos
def mover_motor1(pasos, direccion, velocidad): # para la bodega 5
if direccion == True:
for i in range(0, pasos): # 1
if i <= 200:
v = velocidad -(velocidad - 0.001)*i/200
else:
v = 0.001
85
print(str(i) + " 1 "+ str(v))
GPIO.output(step1, True) # Movimiento hacia arriba
GPIO.output(dir1, True)
time.sleep(v) # se apagara durante 2 segundo
GPIO.output(step1, False)
GPIO.output(dir1, True)
time.sleep(v)
if GPIO.input(fin1) == GPIO.LOW and pasos != 1:
for j in range(0, 20): # 1
print(str(j) + " 1 ")
GPIO.output(step1, True) # Movimiento hacia arriba
GPIO.output(dir1, False)
time.sleep(velocidad) # se apagara durante 2 segundo
GPIO.output(step1, False)
GPIO.output(dir1, False)
time.sleep(velocidad)
break
else:
for i in range(0, pasos): # 1
if i <= 200:
v = velocidad -(velocidad - 0.001)*i/200
else:
v = 0.001
print(str(i) + " 1 "+str(v))
GPIO.output(step1, True) # Movimiento hacia arriba
GPIO.output(dir1, False)
time.sleep(v) # se apagara durante 2 segundo
GPIO.output(step1, False)
GPIO.output(dir1, False)
time.sleep(v)
if GPIO.input(fin1) == GPIO.LOW and pasos != 1:
for j in range(0, 20): # 1
print(str(j) + " 1")
GPIO.output(step1, True) # Movimiento hacia arriba
GPIO.output(dir1, True)
time.sleep(velocidad) # se apagara durante 2 segundo
GPIO.output(step1, False)
GPIO.output(dir1, True)
time.sleep(velocidad)
break
Figura 83: Funcion implementada para el manejo de los motores teniendo en cuenta los fines de carrera,
el sentido, la velocidad y la distancia recorrida por el motor en el sistema
86
Teniendo en cuenta los posibles casos de funcionamiento se procede a colocar la secuencia de cada posición
del ciclo parqueadero en el tanto para la entrada de la bicicleta al sistema y la salida de la misma
def pos1():
mover_motor3(P_c, True, velocidad)
mover_motor1(P1,False, velocidad) # el motor se mueve a la posicion X deseada
mover_motor2(Giro,False, velocidad) # el Mastil gira 90 grados hacia la izquierd
mover_motor3(P_o+50,False, velocidad) # el mastil avanza hasta posicionarse con el gancho
mover_motor1(PP,False,velocidad) # la base avanza un poco mas para meter la bici al gancho
mover_motor4(P_b,False,velocidad) # la grua baja para asegurar el gancho y la bicicleta
mover_motor1(PP,True,velocidad)# la base de devuelve a la posicion anterior para
mover_motor3(P_o + 50,True,velocidad)# el mastil regresa a una posicion central para
mover_motor2(Giro, True, velocidad) # el mastil gira 90 grados a la derecha para
mover_motor1(P1,True,velocidad) # la base llega a su posicion inicial
mover_motor3(P_c, False, velocidad)
mover_motor4(P_b, True, 0.001)
def pos1d():
mover_motor4(P_b, False, 0.001) # la grua baja para asegurar el gancho y la bicicleta
mover_motor3(P_c, True, velocidad)
mover_motor1(P1, False, velocidad) # el motor se mueve a la posicion X deseada
mover_motor2(Giro, False, velocidad) # el Mastil gira 90 grados hacia la izquierda
mover_motor3(P_o + 50, False, velocidad)# el mastil avanza hasta posicionarse con el ga
mover_motor1(PP, False, velocidad) # la base avanza un poco mas para meter la bici al
mover_motor4(P_b, True, velocidad) # la grua baja para asegurar el gancho y la bicicleta
mover_motor1(PP, True, velocidad)# la base de devuelve a la posicion anterior para soltar
mover_motor3(P_o+50, True, velocidad) # el mastil regresa a una posicion central para su
mover_motor2(Giro, True, velocidad) # el mastil gira 90 grados a la derecha para regresar
mover_motor1(P1, True, velocidad) # la base llega a su posicion inicial
mover_motor3(P_c, False, velocidad) # el mastil regresa a una posicion central para
Figura 84: Funcion para la secuencia de ubicación de la bicicleta en la posición 1 teniendo en cuenta los
registros de distancia en pasos, velocidad y sentido
IMPLEMENTACIÓN MECÁNICA
Montaje de Estructura
Inicialmente de genera el archivo para poder realizar el corte laser de las piezas
87
Figura 85: Separación de piezas de corte laser mostrando bicicletas y mástil
Una vez hecho el corte se procede a separar las piezas de la lámina principal.
Figura 86: Corte laser de la base
El proceso de armado se hace desde el elemento más pequeño hasta llegar al total, en este caso se comienza
el armado de la maqueta por el “ascensor central” usando unión mecánica entre las piezas y reforzando
estas uniones con pegante especial para madera
Una vez armado el ascensor se comienza el armado de la estructura vertical sobre el cual este realizará el
desplazamiento.
88
Figura 87: Unión de Piezas del montaje del gancho
Figura 88: Unión de Piezas del Mástil
Figura 89: Unión del gancho y el mástil
89
El siguiente paso fue armar la estructura de soporte principal ya en este punto se puede tener una visión de
cómo funcionarían las principales partes de la maqueta.
Figura 90: Unión de piezas de la base
Figura 91: Unión del mástil con la base
Con los elementos principales de la maqueta ya ensamblados se procede a fabricar el resto de la estructura
que conformará el ciclo parqueadero. Inicialmente se crea el área donde se ubicarán los rieles que guiarán
la estructura principal, se hace el ensamble de los ganchos que sostendrán las bicicletas y finalmente todo
se acopla.
90
Figura 92: Construcción del modelo completo
Figura 93: Vista desde el usuario del ciclo parqueadero
91
Montaje de Actuadores, Transmision mecánica y sensorica
En este punto se procede a instalar los motores, los sistemas de transmisión de los grados de libertad y la
sensorica correspondiente a los fines de carrera para realizar las pruebas de funcionamiento y arreglar los
posibles desperfectos de diseño.
Figura 94: Modificaciones realizadas a los ganchos de la estructura
Figura 95: Anclaje y desanclaje de bicicleta en la estructura a travez de los ganchos
92
Para lograr el funcionamiento del diseño se tuvieron que modificar varias partes de la estructura, como los
ganchos, la posición de los motores, con la agregación de rodamientos adicionales para evitar rozamiento
y la colocación estratégica de los cables de alimentación y transmisión de energía
Figura 96: Acomodacion de los motores en la estructura con la acomodación de los respectivos sistemas
de transmisión por correa y polea
IMPLEMENTACION ELECTRONICA
En la implementación electrónica se monto el diseño de la placa de circuito impreso con la conexión de la
fuente de alimentación, los motores, los sensores, los drivers y los demás elementos necesarios para su
funcionamiento
93
Figura 97: PCB implementada ya conectada el sistema con todos los circuitos electrónicos y los
perifericos
94
7 ANALISIS DE LOS RESULTADOS
Es necesario analizar el diseño e implementación del modelo funcional desde varios puntos de vista
7.1 ANÁLISIS MECÁNICO
Después de haberse realizado el análisis y estudio de los ciclo parqueaderos alrededor del mundo, se
compararon diferentes mecánicas de desarrollos de estos ciclo parqueaderos, realizar esquemas propios de
posibles soluciones del gancho principal planteando como se realizarían sus movimientos necesarios para
cumplir con los requisitos, se llegó al modelado funcional propuesto y elaborado, se presentaron muchos
inconvenientes cuando se juntó el modelado con la parte electrónica.
Inicialmente al realizar las primeras pruebas, el movimiento del brazo mecánico tuvo muchos problemas
de ajuste y calibración debido a la falta de sensores de fin de carrera para ajustar una posición inicial.
Adicional a esto, el modelado mecanico implementado en primera instancia sufrio de varios desperfectos,
entre ellos problemas con el eje rotacional, el cual sufria de estancamientos y trabas de forma aleatoria en
cualquier punto del movimiento, problemas de ajustes de correas y engranes en la transmisión de
movimiento debido a los elementos usados para la unión de correas en la estructura, problemas de vibración
de motores que en cierta forma hacían muy difícil realizar el trabajo de desplazamiento sobre el eje inicial
que mueve toda la estructura y el eje rotacional, generando un problema de reducción de tensión de las
correas y los posibles desajustes de posición de los motores. También hubo problema con el ajuste de los
ganchos, debido a la implementación de los mismos en la maqueta, por lo cual se sometieron a varios
ajustes.
Se evidenció un gran inconveniente en la transmisión de fuerza entre los motores y el modelo funcional,
entre ellos problemas de rozamiento, problemas de tensión en las poleas, problemas en la implementación
de engranes de transmisión. Para solucionar este inconveniente se tuvo que usar el estándar de correa
dentada 2GT para la construcción de máquinas CNC e impresoras 3D donde se pudieron encontrar acoples
y engranes en el mercado.
El modelado funcional cumplió con lo planteado en las simulaciones, llegando así al objetivo deseado de
poder implementar un ciclo parqueadero automático.
7.2 ANÁLISIS ELECTRÓNICO
Observando el uso de la raspberry en la implementación del sistema, fue posible emular el servicio en
NodeJS, instalar y poner en funcionamiento la base de datos en MongoDB, realizar el control de los motores
y de los módulos de lectura de NFC sin mucho inconveniente.
La conexión entre Raspberry y módulo MFRC522 fue muy sencilla debido a los módulos que ofrece
Python, por este mismo motivo se escogió como sistema operativo Raspbian que trae por defecto instalado
Python 2.7 y Python 3.5.
El módulo MFRC522 permite la lectura de toda la familia de Tags NFC Mifare permitiendo hacer uso de
cualquier Tag NFC dependiendo la necesidad del usuario.
95
El primer driver usado para los movimientos de los motores paso a paso fue Pololu A4988 debido a la
limitación en corriente del integrado, el motor no tenía la capacidad de mover la estructura mecánica
(modelado funcional) así que fue necesario cambiar el driver por un Texas DRV8825 aumentando la
corriente hasta 1.7 A dándole más torque al motor y cumpliendo con el objetivo de mover la estructura.
Fue necesario el uso de Opto Acopladores que separara el circuito de control (Raspberry) con el circuito de
potencia (Motores). Para evitar así problemas de picos de corriente y tensión en la Raspberry debido a las
inductancias de los motores.
7.3 ANÁLISIS DE SOFTWARE
La implementación del servidor a través del MEAN Stack, fue capaz de desarrollar herramientas para la
implementación en Raspbian. Se observó que el montaje y uso del servidor y la base de datos tienen un
bajo consumo de recursos de la Raspberry, haciendo posible la implementación de más herramientas y
servicios en una misma placa de desarrollo.
El trabajo de software realizado en Python se convirtió en una herramienta robusta y de gran facilidad de
manejo, en este caso se pudo observar con la implementación de una librería especial para el manejo de la
posición de los motores, la secuencializacion de los movimientos y el ajuste y calibración de los mismos.
Adicional se han podido usar librerías para el manejo de el tiempo, menejo de datos de formato JSON y la
interaccion de otros sistemas a travez del protocolo HTTP
La creación del servidor en NodeJS bajo la plantilla de Express permitió una fácil reestructuración de
modelos y rutas de acceso al observar los inconvenientes presentados al momento de acoplar el servicio
creado en el cliente operativo en Python como problemas de sintaxis y cambios en la interpretación de
archivos .JSON entre Python y NodeJS.
El acceso a todos los algoritmos de desarrollo usados en esta tesis se pueden encontrar en
https://github.com/JhoanMurillo12.
96
8 ANEXOS
8.1 COSTOS APROXIMADOS DE IMPLEMENTACIÓN REAL EL costo del proyecto es un factor determinante para la ejecución del mismo y para el caso del ciclo
parqueadero inteligente en la sede de ingeniería de la Universidad Distrital FJDC está asociado a:
Costo del desarrollo de las tarjetas NFC para usuarios
Costo de la adquisición e instalación de sensores (bien sean de vigilancia, nivel o inclinación)
Costo del trabajo de desarrollo de generación de bases de datos automatizadas del nuevo registro
de entradas, salidas, que usuario dispone de cual espacio, cuanto tiempo, en qué fecha, etc.
Costo de la conexión realizada entre los tres ítems anteriores
Costo de la adquisición de los anclajes.
Costo de la adquisición de los anclajes, estructura electromecánica y control electrónico, estructura
elevador, Estructura principal
Costo pantallas interfaces de interacción usuario
Costos de cadenas o guayas de seguridad
Costo Conteiner 40 pieza estándar (cobertura)
Costo mano de obra
Costo Escalabilidad del programa
Para el desarrollo de los costos de la implementación real, se tomó un almacenamiento de cien posiciones
para usuarios del ciclo parqueadero, en la siguiente tabla está la aproximación de los costos reales para el
desarrollo de esta implementación en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas, teniendo en cuenta que no se cuenta con gran infraestructura, se decidió simular una bodega
simular a la planteada en este trabajo de grado, con un manejo de posiciones matricial para que el servidor
siga teniendo la escalabilidad de asignar posiciones independientemente que sean ocho posiciones o cien
posiciones para este caso.
Figura 97: Vista lateral de la simulación general con 100 bicicletas
97
Figura 98: Vista de perspectiva del sistema con 100 bicicletas
Figura 99: Vista del gancho
En la figura anterior se ve la simulación de la escalabilidad del modelado funcional a un modelo final
funcional, ya se manejan cien posiciones, las dimensiones cambiaron notablemente.
98
A continuación se mostrará la tabla de costos aproximados de la construcción del ciclo parqueadero
inteligente para una capacidad de cien posiciones.
Tabla 15: Costos aproximados implementación real para 100 posiciones
Para el control de la Raspberry mediante SSH es necesario configurar un Access point con una dirección
IP fija.
Para poder crear una implementación completa de 100 bicicletas, es necesario pensar en un mantenimiento
preventivo y correctivo teniendo en cuenta la longevidad del sistema. En el mantenimiento se deben tener
en cuenta los siguientes aspectos:
Revisión, Diagnóstico y Mantenimiento de Motores
Revisión de Sensoria (NFC, Sensores Inductivos, Fin de Carrera)
Revisión, Diagnostico y mantenimiento de Sistemas de Control (PLC, Red Eléctrica)
Ajuste y Actualización de Software y Hardware
Revisión, Diagnostico y Reemplazo de piezas estructurales (Ganchos, Vigas, Transmisión
Mecánica, entre otros)
Capacitaciones al personal operario
99
8.2 VIDEOS EN EL REPOSITORIO DE LA RED RITA A continuación se encuentran dos enlaces de dos pruebas realizadas en el modelo funcional
implementado.
https://youtu.be/o9-LWjgh0Mo
https://youtu.be/k_M-gLzOZNs
8.3 REPOSITORIO ALGORITMOS En el siguiente enlace se encuentran almacenados los códigos desarrollados para este trabajo de grado.
https://github.com/JhoanMurillo12/Cliente_Python
https://github.com/JhoanMurillo12/Servidor_Tesis
100
9 CONCLUSIONES
Gracias a la recopilación de información de los estudiantes y almacenamiento en la base de datos generada
en la tesis, la implementación de un prototipo real se puede desarrollar con el mismo software usado
(Servidor, Base de Datos). Al usar NodeJS con Express es posible dejar un código más ordenado y de fácil
comprensión para trabajos futuros con posibilidad de escalar el diseño realizado en esta tesis sin perder
funcionalidad alguna
Debido a la selección del módulo MFRC522, es posible asociar cualquier Tag NFC Mifare, incluyendo los
carnets de la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Haciendo probable el futuro uso de los carnets
para un posible control de acceso.
El disco duro de la Raspberry es una MicroSD, la cual permite el almacenamiento del sistema operativo
Raaspbian, las configuraciones y los algoritmos que se ejecutan. Si se presentan problemas de
funcionamiento físico de cualquier especie, como el daño en un GPIO, Errores de reconocimiento de USB
HDMI, se puede reemplazar y migrar toda la información cambiando la MicroSD a otra Raspberry.
La realización del modelo funcional, permitió plasmar una idea tangible del desarrollo de un ciclo
parqueadero que aporte al desarrollo “Ciudad Inteligente Sostenible”. Para su posible adaptación y
mejoramiento
Un aspecto fuerte de esta implementación es la cobertura que tiene al tratar de entrar en muchos aspectos
de la ingeniería, desde el diseño de base de datos, diseño de servidor, aspecto mecánico y diseño de
hardware
101
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