Entre los años 2006 y 2018 trabajé en el desarrollo de diversos dispositivos de control electrónico de contenedores de carga para SIF América.
En el ámbito del transporte de cargas internacional, los organismos de aduana requieren cada vez más la vigilancia permanente de la mercadería transportada. Las aduanas de Argentina, Uruguay y Paraguay son algunas de las que implementan el seguimiento en línea de los contenedores, obteniendo de forma inmediata la ubicación y el estado de la carga mediante dispositivos electrónicos de seguimiento.
Dos escenarios particularmente complejos existen para este tipo de dispositivos, y son el control de contenedores en puerto y el control de contenedores en barcazas. La dificultad consiste en que la transmisión de información por radiofrecuencias es especialmente sensible al bloqueo por parte de cuerpos metálicos o a los reflejos que éstos causan, con lo que un conglomerado de contenedores ocultándose mutuamente entre sí es desde ya un desafío. Este tipo de control es inútil si no se realiza con una frecuencia relativamente alta, ya que la falta de transmisión de un dispositivo puede significar que ha sido violado o destruido, por lo que la duración de la batería también es un factor limitante.
Para el control de contenedores en barcazas, son determinantes la imposibilidad de instalar antenas de forma permanente y el hecho de que los contenedores se encuentren apilados y “hundidos” en la misma. En el caso de los contenedores en puerto, el hecho de que los mismos roten de lugar continuamente por razones logísticas y el alto número de unidades que pueden participar del mismo espacio radioeléctrico son los factores más críticos.
Para resolver estos dos problemas dirigí el desarrollo de un dispositivo electrónico de pequeño tamaño que se coloca en la puerta de cada contenedor a controlar y que crea una red autoformante con los dispositivos en los contenedores aledaños. Para ello diseñé un protocolo de comunicación propietario y su respectivo firmware. A su vez se diseñaron bases concentradoras que toman la información de la carga a controlar y la transmiten al servidor central.
Para el dispositivo elegí la banda de 915 MHz, que es muy efectiva para atravesar estructuras metálicas y posee modestos requisitos de regulación. Inicialmente se intentó implementar la solución utilizando el protocolo ZigBee, pero éste resultó inadecuado debido a la lentitud para formar lazos y la imposibilidad de escalar a gran cantidad de nodos con el throughput necesario. Por ello fue necesario desarrollar un protocolo nuevo que tuviera el rendimiento requerido manteniendo el más bajo consumo de batería en cada dispositivo.
Para validar los parámetros desarrollé también un software de simulación que replica el comportamiento de miles de nodos simultáneos en las configuraciones deseadas, controlando colisiones, tiempos de respuesta, ciclo de trabajo y duración de la batería, representando las atenuaciones de señal según las mediciones realizadas en terminales portuarias.
Este proyecto me permitió aprender conceptos y algunos detalles sobre el protocolo IEEE 802.15.4. También investigué mucho sobre distintos tipos de antena y el comportamiento de las ondas de radiofrecuencia en diferentes medios.
Mis responsabilidades fueron:
- Definir y diseñar todos los aspectos electrónicos del producto: microcontrolador, transceptor, entradas y salidas, etc., así como el trazado del circuito impreso para su manufactura off-shore.
- Diseñar y programar el firmware.
- Concebir, diseñar y programar el protocolo propietario de comunicaciones.
- Desarrollar el sistema de control de la puerta del contenedor.
- Diseñar y programar el software de simulación para la validación a escala del producto y su protocolo.
- Supervisar el diseño del gabinete plástico del dispositivo.
- Diseñar las bases concentradoras.
- Desarrollar device drivers para el kernel Linux de las bases concentradoras.
- Gestionar la fabricación y armado off-shore del circuito impreso.
- Realizar la dirección general del proyecto.
Algunas tecnologías que apliqué en el desarrollo:
- Microcontrolador Atmel ATmega1284P.
- Módulo transceiver Atmel AT86RF212.
- Lenguajes C y assembler.
- Altium Designer.
- Autodesk Inventor.
Evolución a XBee
Aunque el proyecto previo no había tenido salida comercial, en 2018 la oportunidad volvió a presentarse. Lógicamente en la era post-Arduino la disponibilidad de módulos de comunicación era mucho más amplia, por lo que ya existían productos que podíamos aprovechar para nuestra solución.
Me decidí por el DIGI XBee SX, el cual contaba con una versión de 20 mW que trabajaba en la banda de los 915 MHz. El mismo cuenta con su propio protocolo para el establecimiento de la red Mesh (diferente de ZigBee), y las pruebas demostraron que la performance era más que adecuada para la problemática. Desgraciadamente este modelo no permite la programación en el mismo módulo, por lo que nuestra placa debió integrar un ATmega328P para control y capa aplicativa del protocolo.
Como ya tenía experiencia con este tipo de solución, decidí mantener la fibra óptica plástica de 1000µm (de las utilizadas para interfaces de audio) para el control de apertura, tal como fue concebida en el proyecto original. Esto permitió darle a su vez el doble uso de puerto de comunicaciones para la activación de cada nodo.
Respecto al aspecto mecánico del producto, el desafío era como siempre diseñarlo de forma que fuera práctico y económicamente viable para una producción baja, de unos pocos cientos de unidades. Me decidí por un gabinete estándar del mercado, al cual le hicimos sólo dos agujeros para la interface óptica. Internamente utilizamos una pieza maquinada y algunas piezas cortadas en láser, todas en material plástico. Finalmente utilizamos imanes de neodimio para su fijación a la puerta del contenedor.
Para la electrónica del nodo central reutilicé la que desarrollé para el PEMA5 más el agregado de un nodo con firmware especial. También utilizamos un gabinete estándar, pero esta vez la construcción fue más artesanal porque la cantidad a realizar era de sólo veinte.
Mis responsabilidades en esta iteración fueron:
- Definir y diseñar todos los aspectos electrónicos del producto: microcontrolador, transceptor, entradas y salidas, etc., así como el trazado del circuito impreso para su manufactura off-shore.
- Diseñar y programar el firmware.
- Concebir, diseñar y programar el protocolo propietario de comunicaciones.
- Diseñar mecánicamente el dispositivo de forma que fuera fabricable a bajo costo en escalas de producción pequeñas.
- Diseñar la base activadora.
- Diseñar las bases concentradoras.
- Gestionar la fabricación y armado off-shore del circuito impreso.
- Realizar la dirección general del proyecto.
Algunas tecnologías que apliqué en el desarrollo:
- Microcontrolador Atmel ATmega328P.
- Módulo transceiver DIGI XBee SX.
- Lenguajes C y assembler.
- Altium Designer.
- Autodesk Inventor.