Aplicaciones de Los Módulos Xbee en Sistemas Inalámbricos Para La Enseñanza

APLICACIONES DE LOS MÓDULOS XBee EN SISTEMAS INALÁMBRICOS PARA PARA LA ENSEÑANZA APPLICATIONS XBee MODULES IN WIRELESS SYSTEMS FOR TEACHING Pedro Landaeta. 09-Julio-2014

Universidad Politécnica Territorial del Estado Aragua “Federico Brito Figueroa” Figueroa ” (UPT-Aragua-“FBF”). Av. Universidad. Al lado del Comando FANB-Peaje de La Victoria. La Victoria. Edo. Aragua [email protected]

Resumen Los módulos XBee se usan para comunicaciones inalámbricas. Son fabricados por la empresa DIGI y usan el estándar estándar IEEE 802.15.4. Las aplicaciones aplicaciones de estos módulos son son variadas y este este artículo se va a centrar en Educación por medio de la creación de unos módulos didácticos para la enseñanza de sistemas sistemas inalámbricos. inalámbricos. Esto lleva a la expresión equipamiento equipamiento para la enseñanza. Teniendo así una mezcla de ingeniería aplicada a educación, y como se está construyendo equipos didácticos se introduce el termino Didáctica de la Ingeniería. Estos módulos para la enseñanza se podrán usar en escuelas técnicas, tecnológicos y universidades. Hablar de educación es hablar de modelos de enseñanza, y ahí se entra en que tipo de método de enseñanza-aprendizaje aplicar. En la Universidad Politécnica Territorial del Estado Aragua “Federico Brito Figueroa” (UPT de Aragua “FBF”) se aplica educación constructivista y eso lleva a que el uso de estos módulos reforzará la aplicación de: Aprender haciendo, aprendizaje colaborativo y aprendizaje significativo. La metodología se fundamenta en una investigación de campo con nivel descriptivo no experimental y una modalidad de proyecto factible. El propósito es construir unos módulos para la enseñanza que suplan una necesidad en el aula al no contarse en ésta con material didáctico de apoyo al docente. El objetivo, contar con un equipamiento didáctico que coadyuve en el proceso enseñanza-aprendizaje. Los resultados de la investigación se ven plasmados en el hecho de haber construido unos módulos para la enseñanza de sistemas inalámbricos totalmente operativos.

Palabras claves: Módulos XBee, Sistemas Inalámbricos, Constructivismo, Educación

Abstract The XBee modules are used for wireless communications. They are manufactured by the company DIGI and use the IEEE 802.15.4 standard. The applications of these modules are varied and this article will focus on education through the creation of didactic modules for teaching wireless systems. This leads to the expression equipment for t eaching. Thus having a mixture of engineering applied to education, and as teaching equipment is building the Engineering Teaching term is introduced. These modules for teaching may be used in technical Schools, technological and universities. Speaking of education is about teaching models, and there you will enter that kind of teaching-learning method applied. In the Territorial Aragua State Polytechnic University "Federico Brito Figueroa" (UPT Aragua "FBF") applies constructivist education, and that leads to the use of these modules will reinforce the application of: Learning by doing, collaborative learning and meaningful learning. The methodology is based on field research with non-experimental non-experimental descriptive level and mode of feasible project. The purpose is to build a teaching modules that replace a need in the classroom to uncountable with this support material for teachers. The goal, to have a teaching

equipment that assists in the teaching-learning process. The research results are reflected in the fact that he built a teaching modules for fully functional wireless systems Key Words: Xbee Modules, Wireless Systems, Constructionism, Education

Introducción

Los módulos Xbee son producidos por la empresa DIGI usando el protocolo ZigBee y el estándar IEEE 802.15.4. Las aplicaciones de estos dispositivos son variadas y pasan por el hogar y la industria, telemedicina, telemetría, sistemas de seguridad, agricultura y otr os. Entre esos otros se va a mencionar Educación. Para efectos de este artículo se usan los módulos Xbee para construir un Sistema de Control Supervisorio y Adquisición de Datos SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition en Inglés) para así poder contar en el salón de clases con un equipo que posee Tarjeta de Adquisición de Datos DAQ (Data Acquisition en Inglés), Antena, Modulador/Demodulador digital e Interfaz Humano Máquina HMI (Human Machine Interface en Inglés). Al poder contar con este equipamiento el profesor podrá verificar muchos aspectos de la transmisión de datos en forma inalámbrica: Distancia, interferencia y velocidad de transmisión. El equipamiento para la enseñanza es necesario, mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje obliga a los investigadores a buscar nuevos métodos para lograr que el estudiante capte mejor y más rápido el conocimiento transmitido. Hablando de nuevos métodos (Robinson, 2012), habla de romper paradigmas y se pregunta por la necesidad de enfrentar nuevos retos para transformar la educación que se le está transmitiendo a los niños y a las niñas en las escuelas. Por supuesto esto debe impactar positivamente hasta la universidad. De ahí sale entonces la idea de desarrollar estos módulos, una propuesta para mejorar la enseñanza. En este caso lo relacionado a sistemas inalámbricos. En la construcción de este equipamiento para la enseñanza se mezclan términos como: Educación, enseñanza y didáctica de la Ingeniería. Aquí está la importancia de este trabajo, el poder mezclar conceptos de ingeniería para coadyuvar en la formación de los técnicos, Técnicos Superiores Universitarios TSU y los Ingenieros en electrónica, Instrumentación&Control; y telecomunicaciones. Se puede hacer todo esto porque el Sistema Inalámbrico propuesto contiene éstas tres áreas. Todo lo anterior tiene que ver con transformación educativa, (Bonilla, 2012) en su video da ejemplos que resaltan la necesidad de salir del modelo tradicional educativo donde el docente es el único que tiene la razón y que siempre hay una única respuesta a cada situación planteada. Nuestra educación es constructivista en la Universidad Politécnica Territorial del Estado Aragua “Federico Brito Figueroa”, UPT Aragua “FBF”. Algo que identifica a esta filosofía es el hecho que en la mayoría de las unidades curriculares que se dictan en las carreras se trabaja por proyectos, se cuenta con una unidad curricular dedicada especialmente al tema de los proyectos y para completar todo esto, en las carreras de Electrónica y Telecomunicaciones, Instrumentación&Control, y en Ingeniería Eléctrica se cuenta con una unidad curricular llamada Taller en la cual se trabaja con proyectos de Electrónica, Electricidad, Telecomunicaciones, Instrumentación&Control, Máquinas Eléctricas y Robótica, (Paniagua, 2009) explica muy bien en su video sobre los fundamentos del constructivismo y sus principales exponentes. Así, en la UPT Aragua estudiante está en contacto con el objeto de aprendizaje, aquí se nota el aporte de Jean Piaget. Además de lo anterior, siguiendo la secuencia dada por (Mercado, 2011), se le enseña a trabajar en equipo en todas las unidades curriculares. Aquí se tiene entonces el aprendizaje colaborativo promocionado por Lev Vigotsky. Y se cierra con la pertinencia para el estudiante de lo que se está enseñando. David Ausubel hizo su aporte en este punto en el también llamado aprendizaje significativo. Las bases anteriores ayudan a construir el andamiaje para hablar de equipos didácticos. Los

equipos didácticos que se tratarán en este articulo son los utilizados en sistemas inalámbricos, especialmente se trabajará con los módulos Xbee. Radios digitales, de modulación OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying), espectro expandido DSSS (Digital Sequence Spread Spectrum), poco ancho de banda (256 Kbps), potencia desde 1 mW hasta 60 mW (dependiendo del modelo) y distintos tipos de antenas ( Dipolo, Chip, U-FL y RPSMA). Todas estas características se ajustan a los requerimientos deseados para el diseño desde el punto de vista de la ingeniería. ¿Por qué no usar otro sistema de comunicaciones?. Una razón es por las variables que se van a usar, estas son variables industriales y son lentas es decir, no cambian tan rápidamente. Las mismas son: Temperatura, Nivel, Caudal y Presión. La otra, el poco ancho de banda que hace falta. Por eso no se usa Bluetooth, además que estos tienen poco alcance. Gracias a la técnica de espectro expandido se tiene inmunidad ante las interferencias y la potencia que se maneja va acorde con la distancia que se desea entre transmisor Tx y receptor Rx. Las otras tecnologías no brindan estas ventajas. Por ejemplo los radios VHF y UHF tradicionales o clásicos antes de los Xbee no poseen la inmunidad a la interferencia. El MODEM (Modulador-Demodulador) GSM (Global System for Mobile communicatios) depende de una plataforma privada montada por una empresa particular de telecomunicaciones, esto quita independencia al proyecto. Los Xbee no dependen de ninguna empresa para poder transmitir sus datos y la mínima distancia es 30 m en espacio cerrado, conocido como INDOOR. Y la máxima puede llegar a 40 Km con línea de vista. Todas las consideraciones anteriores son de ingeniería, y los equipos que se van a construir son para la enseñanza. Es decir, didáctica. Se podría hablar tranquilamente de  Didáctica de la Ingeniería.  Esta expresión se usará para definir todo aquel esfuerzo de unir un conjunto de conocimiento y técnicas científicas para la creación e implementación de equipos didácticos para resolver problemas en ambientes educativos, (Carvajal, 2009) hace un estudio bastante completo de lo que es la didáctica, sus distintas definiciones y sus diferentes vertientes que coadyuvan a comprender el porque de esta investigación y los investigadores deben tomar este análisis para unir lo que es el trabajo del ingeniero y su aporte a la educación. Se pueden encontrar en Internet muchas definiciones de Ingeniería pero se puede resumir así  Aplicación de Conocimiento Científico para la resolución de problemas en la sociedad  . Viendo el problema como la ausencia de fabricación de equipos didácticos en el país, ahí se usarían la definición anterior para empezar a generar esos primeros prototipos que motoricen el inicio fabril de los equipos didácticos. La metodología se fundamenta en una investigación de campo con nivel descriptivo no experimental y una modalidad de proyecto factible. El propósito es construir unos módulos para la enseñanza que suplan una necesidad en el aula al no contarse en ésta con material didáctico de apoyo al docente. El objetivo, contar con un equipamiento didáctico que coadyuve en el proceso enseñanza-aprendizaje. Los resultados de la investigación se ven plasmados en el hecho de haber construido unos módulos para la enseñanza de sistemas inalámbricos totalmente operativos que servirán para probar sistemas SCADA, hacer practicas de telemetría, telemedicina, emular procesos industriales y domóticos.

Aplicaciones de los Xbee

Las aplicaciones son muy diversas y van desde el hogar a la industria. Pasando por la telemetría, la telesupervisión y sistemas de automatización en red bastante complejos. La figura 1 muestra un listado de aplicaciones. Los módulos Xbee están basados en el protocolo ZigBee y éste está montado sobre el estándar IEEE 802.15.4 . Cuando se trabaja con estos módulos es común oír hablar de ZigBee o Xbee no hay diferencia en la jerga de los desarrolladores de proyectos.

Figura 1.- aplicaciones de los módulos XBee.

La presente investigación ha arrojado una serie de resultados previos relacionados con aplicaciones de los Xbee en la educación. Por ejemplo Briceño y Parra (2014) hicieron su trabajo de grado relacionado con transmisión de señales médicas. Marturet (2010) hizo su proyecto basado en transmisión de variables industriales usando además Interfaz HMI. También se encuentra Alvarez y Guevara (2010) con la aplicación en automatización de hogares conocida como Domótica en el que construyeron un control remoto para abrir el portón de la casa, encender y apagar luces y emular otras acciones en la vivienda. Manganiello (2006) trabajó en robótica móvil usando una HMI hecha en Visual Basic. Aquí se usó el módulo Xbee para controlar el robot en su movimiento hacia adelante, hacia atrás y detenerlo. Por último Ordoñez y Picón (2011) hablaron de Tarjetas de Adquisición de Datos DAQ (Data Acquisition en Inglés) con formato inalámbrica. Todas las aplicaciones mencionadas se pueden resumir en la figura 2. las mismas sirvieron para corroborar y verificar el funcionamiento y así dar pie a la instalación y puesta a punto del sistema de transmisión de datos en forma inalámbrica que se desea hacer como investigación base a este artículo. Habiendo hecho todas las pruebas anteriores se puede decir que se cuenta con toda la capacidad de crear un equipamiento para la enseñanza de sistemas inalámbricos usando módulos Xbee. Entonces la aplicación es en educación en el área de telecomunicaciones e Instrumentación y Control.

Figura 2.- Ejemplo de aplicaciones con Xbee hechas en la UPT Aragua “FBF”

Sistemas Inalámbricos

Figura 3.- Diferentes formas de comunicaciones inalámbricas Este aparte viene a servir como contextualización para el lector en lo que respecta a los módulos XBee y a que tipo de tecnología inalámbrica pertenece. La figura 3 resume rápidamente todos los sistemas inalámbricos existentes sin pretender caer en detalles en ninguno de ellos. Como era de esperarse, la tecnología ZigBee está presente. Los módulos XBee se basan en esta tecnología y caen en la categoría WPAN (Wireless Personal Area Network en Inglés) junto a BLUETOOTH. Por otra parte, las regulaciones de los países hablan de bandas libres y bandas que necesitan permisología. En Venezuela el ente regulador es CONATEL (Comisión Nacional de Telecomunicaciones). En el caso de estudio se va a trabajar con bandas libres, significando esto que no se requiere mostrar ningún proyecto al ente regulador. Las bandas libres se manejan internacionalmente como ISM (Industrial, Scientific and Medical, en Inglés) y su frecuencia es 2,4 GHz. No puede negarse que cada uno de los componentes de la figura 3 forman en si un sistema inalámbrico de Telecomunicaciones, y todos pueden combinarse para construir sistemas más complejos. En esta investigación se hace énfasis en las redes inalámbricas personales WPAN cuyo estándar es el IEEE 802.15.4. Por lo tanto, las demás tecnologías mencionadas en la figura 3 sirven para repasar lo que existe y resaltar que hay una gran variedad de formas de hacer comunicaciones inalámbricas y que todas son importantes por si misma. Con respecto a los XBee, estos son  Radios Digitales , indicando que la comunicación es vía radio [radiofrecuencia], a una frecuencia de 2.4 GHz, usa el espacio libre para lograr la comunicación, posee modulación digital OQPSK, espectro expandido DSSS, tiene un RFPIC [Microcontroladores de la empresa Microchip que trabajan especialmente en RadioFrecuencia RF] embebido, antenas y otras características. Todo esto se menciona para resaltar que existen tendencias actuales en las comunicaciones vía radio tales como Cognitive Radio [Radio Cognitiva] y Software Defined Radio [Radio definido por software] que mandan una alarma a las universidades, investigadores y grupos de investigación a nivel de Maestría y Doctorados para que entren en estos temas y se puedan alcanzar los niveles de desarrollo adecuados para el crecimiento sostenible y escalable en lo que a conocimiento se refiere. Con respecto a las referencias en este tema se debe comenzar con lo que es CONATEL porque en su página web se podrá encontrar todo lo relacionado con leyes, cuadro de frecuencias e información de interés en lo que a Telecomunicaciones se refiere. Los sistemas embebidos son parte del trabajo que se está realizando y en este punto entra en juego la empresa MICROCHIP,

fabricante de microcntroladores llamados PIC. En su página web se encontrará todo lo relacionado a micros de 8, 16 y 32 bit's que se pueden usar en múltiples sistemas de control: Cableados, inalámbricos y procesamiento de señal. El canl BQ de youtube posee un video sobre comunicaciones inalámbricas que explica y compara cada una de las tecnologías wireless existentes. Con respecto a las comunicaciones avanzadas vía radio se encuentra el libro de Fette (2006) que trata sobre la Tecnología Cognitiva de Radio (Cognitive Radio Technology en Inglés). Es decir radios que “aprenden” y pueden tomar decisiones en lo que a la comunicación se refiere. Manejo óptimo de potencia, desechar interferencia y otras características de interés. Por otra parte, Bard, J. y Kovarik, V. (2007) hacen su aporte en lo que a Radio Definido por Software (Software Defined Radio en Inglés) se refiere, resaltando en este punto que el software y los sistemas embebidos juegan un papel relevante en la modernización de la tecnología de radiocomunicaciones.

Enseñanza, Educación y equipamiento didáctico

Este titulo une, desde un punto de vista particular, todo lo que debe hacerse para lograr que el estudiante aprenda un conocimiento deseado. Vea la figura 4 que contiene todas las partes involucradas en los párrafos previos. La figura 4 da la guía de ruta que debe tenerse para conseguir el aprendizaje de los estudiantes. Hay un conocimiento que se quiere transmitir. Debe haber una pedagogía entrelazada en el proceso enseñanza-aprendizaje y todo esto hay que procurarlo en las escuelas, liceos, escuelas técnicas, tecnológicos y universidades. Este trabajo de investigación pretende aportar un poco en el mejoramiento de la educación técnica en el país, traer independencia en la fabricación de equipos didácticos, dar solidez al proceso de enseñanza-aprendizaje porque los docentes contarán con un material que coadyuvará con la transmisión de conocimiento en el aula. Todo esto va ligado a la idea de lograr el desarrollo científico-tecnológico en Venezuela, apoyado en los planes de desarrollo nacional.

Figura 4.- Niveles que muestran la ruta del proceso enseñanza-aprendizaje

Para complementar el proceso de enseñanza-aprendizaje presentado en la figura 4 se

Figura 5.- Equipamiento didáctico como apoyo en la educación

debe agregar el equipamiento para la enseñanza, llamado por Ogalde (2008) Material Didáctico. Para efectos de esta investigación se hace referencia a los módulos didácticos para la enseñanza de los sistemas inalámbricos. Estos módulos son base de ésta investigación y Landaeta (2013) en su investigación llamada  Aplicación de Módulos Didácticos para la Comprensión de los Sistemas Inalámbricos profundiza en ellos y hace énfasis en su importancia para que el profesor cuente con una excelente herramienta en el aula Otra forma de material didáctico es el presentado por Castillo (2013) donde presenta un material didáctico para enseñar a calcular la factibilidad de una estación de radio FM. El mismo castillo (2014) presenta un software didáctico para la visualización territorial de estaciones de radio FM. Y Castillo (2011) presenta un software para el uso de equipos que se usan en un laboratorio de telecomunicaciones. La importancia de estos tres trabajos se demuestra que la didáctica, la ingeniería y la investigación guiada para mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje es posible. Este desarrollo se llama software didáctico – técnico y usa herramientas como Hoja de cálculo, AUTOCAD, Global Mapper y JAVA. Todos estos aportes sirven de apoyo al proceso de enseñanza aprendizaje ya sean hardware o software donde el investigador enfoca su esfuerzo en crear herramientas que ayuden en la transmisión de conocimiento de una manera más versátil, completa, fluida y dinámica. La figura 5 resalta el hecho de que las herramientas didácticas se usan como apoyo en la educación de los estudiantes. Sean estos de primaria, secundaria o universitaria.

Resultados Módulos de Telecontrol para la enseñanza

El equipo que se tiene como resultado consiste en dos módulos que ayudan a realizar la transmisión inalámbrica de datos. Ahí viene entonces la propuesta. Estos datos pueden ser industriales, médicos o del hogar. Haciendo a estos módulos muy versátiles y valiosos para la enseñanza en cualquier universidad. La figura 6 muestra el par de módulos que podrán ser usados en el salón de clases o laboratorio que se disponga ya que serán de fácil transportación.

Figura 6.- prototipos para la enseñanza del Telecontrol.

La figura 7 y 8 muestran las tarjetas electrónicas que forman el sistema de telesupervisión. La 7 emula un proceso industrial, teniendo este primer prototipo 2 potenciometros para las variables industriales presión y temperatura.. El módulo de La figura 8 recibe esta señal y trae un conector USB para conectar un computador donde se podrá ver una HMI (Human Machine Interface en Inglés) para observar todo lo que ocurre en el proceso industrial según la programación que se haya hecho. Ver el sistema completo en la figura 9.

Figura 7.- Tarjeta que emula lo que viene a ser una proceso industrial.

Figura 8.- Tarjeta de recepción de datos provenientes del proceso Industrial

Figura 9.- Hardware del sistema propuesto de transmisión de datos inalámbricos

Conclusiones

a) Precisamente, el desarrollo tecnológico hace fácil realizar aportes a la educación. En este caso, se hará a nivel universitario. Esto no quita que se puedan desarrollar módulos similares que se adapten a las necesidades a nivel de bachillerato, para las Escuelas Técnicas, por ejemplo.

b)

Hablar de estos módulos lleva a mostrar un sistema hecho con XBee. Esto facilitará al docente a reseñar en la clase que existen otros métodos para realizar el telecontrol, estas son: MODEM GSM/GPRS  y por Internet. c) Existe mucha bibliografía e información adicional en Internet para hacer el diseño de las tarjetas electrónicas para realizar el telecontrol. El aporte principal y neurálgico es el programa hecho en lenguaje C que será aplicado al microcontrolador que se usará en la tarjeta de transmisión y la de recepción.. d) La filosofía usada para enseñar llamada constructivismo guía a los rectores y vise rectores a apoyar de manera significativa proyectos de este estilo donde se valora el trabajo del estudiante, en el conocido termino aprender haciendo. Eso de estar en contacto con el objeto de aprendizaje. e) Se nota en esta investigación el aporte de la ingeniería a la educación. Se acuña aquí el termino Didáctica de la Ingeniería. Y con esto se pretende aportar al desarrollo científicotecnológico de Venezuela.

Referencias

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