Prototipo de tableros electrónicos de ajedrez Rubén Serrano López Tutor: Hermenegildo Gil Gómez Trabajo Fin de Grado presentado en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universitat Politècnica de València, para la obtención del Título de Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación Curso 2015-16 Valencia, 5 de noviembre de 2016 Resumen En el mundo del ajedrez, los tableros electrónicos tipo DGT© (Digital Game Technology) son una gran opción para monitorizar y retransmitir partidas, aunque su elevado precio los hace inaccesibles a los pequeños clubes de jugadores con escasos recursos. Este trabajo de fin de grado, pretende ofrecer una solución igual de funcional y más económica. Hemos desarrollado un tablero, que intenta mantener una estética tradicional, y a su vez, ofrece estas funciones sin alcanzar un precio excesivamente caro, alrededor de los 100€. Para ello hemos usado unos switches que junto a un microcontrolador enviaran los movimientos efectuados en el tablero de juego a un ordenador al que se encuentran conectados mediante USB. El usuario podrá, ejecutando un software, usar estos datos para retransmitir la partida o guardarla a posteriori en un formato reducido. Abstract In chess world, electronic boards as DGT© (digital game technology) type are a great option for supervising and retransmitting games, although their high price is inaccessible to small clubs of players with limited resources. This end-of-degree project aims to offer an equally functional and more economical solution. We have developed a board, which tries to maintain a traditional aesthetic, and in turn, offer these functions without arriving at an excessively expensive price, around 100 €. For this we have used switches that together with a microcontroller sends the movements made on the game board to a computer connected via USB. The user can, executing a software, use this data to retransmit the game or to save it later in a reduced format. Resum En el món dels escacs, els taulers electrònics tipus DGT © (tecnologia de joc digital) són una gran opció per supervisar i retransmetre partides, encara que el seu preu alt els fa inaccessibles als petits clubs de jugadors amb escassos recursos. Aquest treball de fi de grau, pretén oferir una solució igual de funcional i més econòmica. Hem desenvolupat un tauler, que intenta mantenir una estètica tradicional, i al seu torn, oferir aquestes funcions sense arribar a un preu excessivament car, al voltant dels 100 €. Per això hem fet servir uns commutadors que junt amb un microcontrolador envien els moviments realitzats en el tauler de joc a un ordinador al qual es troben connectats per USB. L'usuari pot, executant un programari, utilitzar aquestes dades per retransmetre la partida o guardar-la a posteriori en un format reduït. Contenido 1. Introducción .......................................................................................................................... 1 1.1. Justificación y motivación ............................................................................................. 1 1.2. Objetivos ....................................................................................................................... 2 2. Marco teórico ........................................................................................................................ 3 2.1. Estado del arte .............................................................................................................. 3 2.1.1. Tablero DGT ........................................................................................................... 3 2.2. Métodos de detección .................................................................................................. 4 2.2.1. RFID ....................................................................................................................... 4 2.2.2. Sensores Hall ......................................................................................................... 5 2.2.3. Galga extensiométrica ........................................................................................... 5 2.2.4. Fotorresistor .......................................................................................................... 6 2.2.5. Interruptores Reed ................................................................................................ 7 2.3. Microcontroladores ....................................................................................................... 8 2.4. Proyectos similares ....................................................................................................... 9 3. Aplicación Práctica .............................................................................................................. 11 3.1. Soluciones ................................................................................................................... 11 3.1.1. RFID ..................................................................................................................... 11 3.1.2. Sensores Hall ....................................................................................................... 12 3.1.3. Galgas Extensiométricas ...................................................................................... 12 3.1.4. Fotorresistores .................................................................................................... 13 3.1.5. Interruptores reed ............................................................................................... 13 3.2. Solución seleccionada ................................................................................................. 14 3.2.1. Diseño del hardware ........................................................................................... 14 3.2.2. Diseño del Software ............................................................................................ 19 4. Conclusión ........................................................................................................................... 23 4.1. Objetivos ..................................................................................................................... 23 4.2. Limitaciones ................................................................................................................ 24 4.3. Futuras mejoras ........................................................................................................... 24 5. Bibliografía .......................................................................................................................... 26 P á gina 0 1. Introducción 1.1. Justificación y motivación El trabajo fin de grado (TFG para próximas referencias) nace de la voluntad del club de ajedrez de Quart de Poblet de perfeccionar su técnica de juego. En este afán de mejora querían analizar las diferentes partidas que tenían lugar en su club, y para poder hacerlo, comenzaron a investigar cuál era la mejor fórmula para registrar sus partidas. La primera opción que pensaron fue la introducción de una cámara de video encima del tablero. Esta opción tenía una gran desventaja: implicaba la construcción de una estructura en forma de brazo que invadiría la mesa de juego. Además, para la creación de la misma, se necesitaría realizar un diseño personalizado que conllevaría un coste adicional, al que tendríamos que añadir la cámara de video, aunque las hay muy baratas hoy en día. Por otro lado, los ficheros de video ocupan mucho espacio de almacenaje, por lo que además de la inversión en cámaras y el armazón para sostenerlas habría que comprar unidades de almacenamiento adicionales. Dejando a un lado la inversión inicial, esta tampoco era una solución práctica pues las piezas de un tablero, vistas desde su posición cenital, no son fácilmente reconocibles. Tras analizar esta opción, se fijaron en los programas de ajedrez para PCs. A diferencia de las cámaras de video, estos programas de ajedrez son capaces de almacenar las partidas en pequeños archivos que permiten su reproducción a posteriori. Trasladar una partida jugada en un tablero convencional a uno de estos programas, supondría la digitalización del juego. Así podríamos monitorizar y revisar las partidas de torneo y entrenamiento en cualquier momento y lugar, e incluso la emisión en streaming del juego. Pero, ¿Por qué no comprar un tablero que realize por sí mismo esta digitalización como lo hacen los DGT(c)?, La respuesta está en el precio: estos tableros tienen un precio medio de 600€, siendo el más barato de 360€, lo que los pone fuera del alcance de un club de jugadores con escasos recursos. Además, hay que tener en cuenta que no solo sería necesario uno de estos tableros, ya que los torneos se juegan en muchas mesas en paralelo. Y es en ese punto en el que realmente nace la propuesta de TFG: tratar de dar respuesta las necesidades del club de ajedrez de Quart de Poblet sin salirnos de su ajustado presupuesto. Escogí este proyecto pues veía la posibilidad realizar un trabajo integrado a nivel de hardware y software, dos componentes que se destacan claramente en las especialidades de electrónica y telemática respectivamente. Por este motivo me pareció un buen proyecto para demostrar aptitudes adquiridas durante mi educación en la escuela. Además de ser una oportunidad para aplicar lo aprendido y manipular y testear circuitos de forma autónoma; era la ocasión idónea para realizar un software adaptado a un hardware diseñado por mi mismo. Para realizar este trabajo, implementaremos una red de sensores que detectarán los movimientos, para lo que nos valdremos de los conocimientos adquiridos en la especialidad de electrónica; por otro lado, diseñaremos un software de comunicación con el ordenador, para lo que nos valdremos de las nociones aprendidas de Telemática. Si observamos con detenimiento el currículum de ambas especialidades, nos daremos cuenta que ambas se valen de distintos lenguajes de programación. En electrónica se utilizan aquellos orientados a hardware o simulación del mismo, tales como Verilog y Pspice, mientras que en Telemática usan otros lenguajes como, Java y C. A pesar de ello, en la asignatura Sistemas de microcontroladores, aprendimos a programar hardware, una placa Arduino, mediante lenguaje C. P á gina 1 1.2. Objetivos El primer objetivo del trabajo y el más importante es crear un tablero de ajedrez digital económico. Como ya hemos descrito, existen tableros digitales que nos permiten digitalizar las partidas, pero son extremadamente caros. Este proyecto pretende ser un prototipo similar sin agredir seriamente la estética de un tablero convencional ni sobrepasar el presupuesto, cubra la necesidad más básica del usuario: la virtualización de las partidas. Con este fin modificaremos un tablero común, introduciéndole un hardware capaz de captar el movimiento de las piezas. Además, diseñaremos un software capaz de procesar los movimientos de las fichas y transmitirlos a otro software alojado en un ordenador. Todo el hardware y el software desarrollado para la producción del proyecto se describe con detalle más adelante. Es propósito también de este TFG dotar al diseño de una estética pulida que facilite el mantenimiento y posibilite, en caso de haberla, una ampliación de prestaciones. Este acabado perfeccionado, será también una prioridad en el software puesto que una programación ordenada facilitará la aportación de nuevas funcionalidades, así como la mejora de las mismas, una vez que el proyecto esté terminado. P á gina 2 2. Marco teórico En un tablero digital encontraremos dos partes indispensables, el método de detección, y el microcontrolador. El método de detección se encarga de determinar si una pieza se encuentra o no en una casilla. Los métodos de detección pueden ser interruptores mecánicos o magnéticos, sensores resistivos, inductivos, capacitivos o de efecto hall e incluso circuitos RFID. Para poder procesar la información obtenida de estos elementos es necesaria la implementación de un microcontrolador que sea capaz de interactuar con ellos. Por ello, el software que se diseñará deberá ser capaz de enviar y recibir estímulos a/de estos elementos, para en consecuencia trasladar la información de los movimientos al ordenador. 2.1. Estado del arte 2.1.1. Tablero DGT Antes de embarcarnos en el diseño de un prototipo propio, analizamos las características de los tableros que hallamos en el mercado. ¿Cómo funcionan los tableros DGT? Estos tableros constan de dos partes, una es la superficie de juego, en la que encontramos un circuito impreso con dos matrices: una matriz de sensores y otra matriz de emisores. La otra la conforman las piezas que interaccionan con las matrices de la superficie. Imagen 1 Interior Tablero DGT [7] Cada una de las piezas lleva dentro un núcleo de ferrita con una bobina que lo rodea. La bobina de cada pieza tiene una longitud diferente, esto las dotará de distintas frecuencias de resonancia, desde los 90 hasta los 350 KHz. Aprovecharemos estas diferentes frecuencias para codificar cada una de las piezas y clasificarlas por tipo y color, lo que hace que este tipo de tableros tengan una gran fiabilidad. Imagen 2 Ilustración Pieza DGT [9] P á gina 3 Las matrices están formadas por espiras planas. La matriz emisora excita la pieza, que contiene un circuito LC formado por la bobina y el núcleo de ferrita. Al ser excitado, el circuito pasivo resonará generando corrientes parásitas en el núcleo de ferrita. Estas son las conocidas corrientes de Foucault, que perturban la frecuencia de resonancia de la bobina. La matriz sensora mide la interferencia creada en la resonancia, con este valor será posible identificar las piezas. Este tipo de detección se conoce como inductivo, en referencia al uso de bobinas. Para evitar las posibles interferencias de las piezas vecinas, es necesario excitar solo uno de los cuadros cada vez. Mediante un multiplexor de señales analógico es posible excitar y sensar cuadro por cuadro. Una vez leído el valor resultante de la excitación de la casilla, este se analiza y se decide si hay o no pieza en esa casilla, y qué pieza es. Esta información se envía por el puerto serie (o bluetooth) al ordenador. 2.2. Métodos de detección A parte del sistema utilizado por el tablero DGT, existen otros métodos para saber si una ficha se encuentra en el tablero de juego y qué ficha es. Antes de decidir qué método es el mejor para nuestro proyecto, revisaremos las características de algunos de estos. 2.2.1. RFID Los tableros DGT usan una tecnología similar a la RFID (RadioFrecuency IDentification). Los primeros usan dos matrices: una que excita y otra que hace de sensor, mientras que los sistemas RFID emplean una bobina que hace las veces de excitador y detector, alternando de una función a otra. Los sistemas RFID están formados por una parte activa y otra pasiva. La bobina antes mencionada será la parte activa del sistema, e interaccionará con una parte pasiva que hará de emisor. Este emisor sólo enviará información al ser excitado por la bobina, es por ello que lo denominamos parte pasiva. Si a este sistema le añadimos un sensor de proximidad en la parte activa podemos reducir el consumo de energía considerablemente. Comunicaciones como esta se usan día a día por la población, en especial en los transportes públicos como el metro o el autobús, ya que las tarjetas de viaje cuentan con esta tecnología. Al validar un viaje, el usuario acerca la tarjeta al lector, que se encuentra emitiendo y leyendo perpetuamente por si algún usuario acerca la tarjeta. Cuando el emisor por fin emite sobre una tarjeta, esta se alimenta de la emisión y emite entonces contra el lector, transmitiéndole la información que hay en ella. Además, los elementos pasivos de esta comunicación pueden ser especialmente pequeños y almacenar información suficiente, como en nuestro caso el color y el tipo de ficha. Imagen 3 Pegatina pasiva RFID [3] P á gina 4 Por otro lado, el elemento activo de este tipo de comunicación también se puede encontrar de un tamaño reducido, de hasta 4x4 cm2, siendo ideal para nuestro tablero. Imagen 4 Lector RFID 4x4cm [15] 2.2.2. Sensores Hall Otro mecanismo de detección serían los sensores de efecto Hall. Estos sensores pueden detectar la presencia de un imán, o el movimiento de uno. Su mecanismo es sencillo, se induce una corriente sobre un metal plano en una dirección, y se mide la tensión en bornes de la dirección perpendicular a la corriente. Cuando un imán se acerca perpendicular al plano, los electrones de este se desplazan, generando así una tensión perpendicular a la corriente. A continuación, adjunto una imagen aclaratoria. Imagen 5 Ejemplo funcionamiento sensor Hall Este tipo de sensor es comúnmente utilizado en los frenos de los coches, motores, sensores de proximidad, discos duros, entre otros. En nuestro caso se utilizaría como detector de un imán, que se encontraría insertado en la pieza de ajedrez. 2.2.3. Galga extensiométrica Por otro lado, encontramos un sensor en el que no intervienen campos magnéticos, sino presiones, las galgas extensiométricas. Son en esencia impedancias que se ven modificadas al deformarse, y tienen una gran sensibilidad. El diseño puede variar dependiendo de la dirección en la que queramos medir la presión ejercida, así como su posicionamiento en el material a medir. Son del tamaño de una uña aproximadamente. Imagen 6 Ejemplos de Galga Extensiométrica P á gina 5 Para la medida de las variaciones de impedancia, las galgas se suelen montar en sistemas de puente de Wheatstone, ya que las variaciones de impedancia al igual que las impedancias son muy pequeñas, del orden de los 100-300 ohm para esos tamaños. El puente de Wheatstone se puede configurar de muchas maneras con tal de minimizar los desfases por temperatura o desgaste. Este es en sí dos divisores de tensión. Midiendo en bornes del puente (V) podemos saber cómo se ha modificado la resistencia. Imagen 7 Puente de Wheatstone general Estos sensores se utilizan en las básculas domésticas, acelerómetros, deformación de estructuras. Para el caso particular del tablero se podría saber si una pieza se ha colocado en una casilla, ya que ejercería presión sobre la galga modificándose la impedancia. 2.2.4. Fotorresistor Al igual que las galgas, los fotorresistores son también impedancias que, en este caso, varían en función de la luz que incide en ellas. Los tamaños son equiparables, pero no así las resistencias, que varían de 100Ω con luz al 1MΩ en oscuridad. Imagen 8 Fotorresistor LDR [2] Al tener dos resistencias tan dispares (100Ω y 1MΩ), se puede implementar un detector muy sencillo mediante un divisor de tensión, que nos dé una tensión aproximadamente de V/2(V) o cercana a 0(V)seleccionando una R de aproximadamente 1MΩ, aunque puede ser de hasta 50KΩ sin importar demasiado, lo que interesa es que sea grande para que cuando LDR sea pequeña por la incidencia de luz, la Vo sea cercana a 0(V). Imagen 9 Divisor de Tensión para el LDR P á gina 6 Tras revisar los diferentes sensores que podrían ser de utilidad en el proyecto, ahora es necesario saber cómo procesar la información que estos nos aportan. En mi caso opté por buscar un microcontrolador de tamaño reducido, ya que la intención es que todo el sistema pueda integrarse dentro del propio tablero, minimizando el impacto exterior. 2.2.5. Interruptores Reed Imagen 10 Switches Reed [1] Se trata de unos interruptores que se estimulan mediante un campo magnético. Los interruptores pueden ser de distintas longitudes y su respuesta dependerá tanto de la longitud de estos como de la posición y la polarización del imán que se le aproxime. Esto significa que pueden tener muchos comportamientos distintos, por ello, es necesario saber cuál nos sería de ayuda para nuestro tablero. A continuación se muestra dicho comportamiento. Imagen 11 Diagrama de comportamiento Switches Reed 1 [27] Cuando el imán se coloca encima del interruptor este se enciende. Si nos fijamos esto ocurre solo cuando el imán está polarizado en paralelo al interruptor. Pero al utilizarse imanes de tipo botón esta no es la polarización utilizada, obteniendo un comportamiento como el que se ve a continuación: Imagen 12 Diagrama de comportamiento Switches Reed 2 [27] P á gina 7