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2017

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NMEA: Compartir la electrónica en el barco

 

 

¿Qué es NMEA?

 

¿Qué diferencias existen entre el NMEA 0183 y NMEA-2K? ¿Para qué vale NMEA? ¿Es el protocolo definitivo para los equipos electrónicos?

Quién más quién menos tiene en el barco un equipo electrónico con el que poder ver una cartografía o conocer los datos de navegación y viento en el caso de los veleros. La inmensa mayoría

 de estos equipos "hablan" un lenguaje común con el que poder transmitir los datos captados de posición GPS o de viento, de sonda, y muchos otros más entre los distintos equipos. Este estándar es el conocido NMEA en sus distintas versiones e implementaciones. 

A veces nos preguntamos cómo los datos de viento captados en una veleta aparecen en tiempo real en la pantalla multifunción, o cómo las señales leídas del GPS son compartidas por el chartplotter o la VHF con DSC.

Al hablar de NMEA hablamos de comunicación entre los diferentes equipos electrónicos del barco o con un ordenador a bordo, y de cómo se intercambian los datos entre sí. Para que estas señales electrónicas puedan compartirse ha de existir un "consenso" común entre todos los posibles aparatos. Este es NMEA.

 

La historia de NMEA

En los años 70 comenzaron a aparecer diferentes equipos electrónicos de distintos fabricantes con aparatos como el Loran-C que servía para encontrar nuestra posición. Esta información podía ser enviada a los primeros modelos de pilotos automáticos y por ello surgió la necesidad de compartir información. Cada fabricante "inventaba" su propio protocolo para compartir información con sus propios equipos de la marca, y rápidamente surgió la necesidad de hacer un "lenguaje" común que pudiera ser compartido por los distintos fabricante.

Un grupo de expertos de diferentes fabricantes fueron consultados en el salón náutico de Boston en 1980 y así se creó una asociación bautizada como "National Marine Electronic Association” cuyo acrónimo es justamente NMEA. Apareció el primer consenso llamado NMEA 0180, por aquello de que era el primer acuerdo conseguido en el año 80, y del que se evolucionó hasta el estándar NMEA 0183, naturalmente validado en el año 1983. Los diferentes fabricantes del mercado se fueron "apuntando" a diseñar sus equipos conforme a esta norma, por ofrecer mejores prestaciones de compatibilidad que pudieran compartir datos de posición, profundidad, velocidad, viento, temperatura, entre otros.

 

¿Qué es NMEA?

NMEA es un interfaz que define la forma en que son transmitidos, en modo serie, las distintas señales electrónicas en un bus de datos por el que transita la información que se comunican los distintos equipos. Un bus es simplemente un cable eléctrico por el que sólo se transmite información.

Si queremos más que de un dispositivo emita en NMEA 183, debemos montar una red un poco más complicada a partir de un multiplexor, como veremos más adelante.

NMEA 183 sólo admite la transmisión de información por un único dispositivo, mientras que los demás equipos deben permanecer a la escucha. Por ejemplo, una antena GPS emite datos de posición y la pantalla multifunción escucha y los registra mientras que también lo hace la VHF con DSC para actualiza estas coordenadas en su memoria.

 

 

El estándar NMEA 183 en detalle

Los mensajes NMEA se transmiten de forma serie asíncrona, a 4800 baudios, sin paridad, con el siguiente tipo de transmisión;

Baud rate:                       4800

Number of data bits:          8 (bit 7 es 0)

Stop bits:                        1 (o más)

Parity:                             none

Handshake:                      none

El estándar no define ningún tipo de conector específico pero se recomienda utilizar cable de par trenzado estando a tierra solo el emisor. La última versión de NEMA183, versión 3.0, utiliza 3 hilos (estándar RS-422 con dos cables de datos diferenciales para mayor inmunidad al ruido) y va a una velocidad de 38.400 baudios y con optoacopladores.

Cualquier información NMEA es transferida en forma de sentencia formada por caracteres ASCII imprimibles además del "retorno de carro" (carriage return o CR) y avance de línea (line feed o LF).

Existen 3 tipos de sentencias llamadas sentencias informativas, propietarias e interrogativas; (talker sentences, proprietary sentences, query sentences). Cualquier sentencia comienza con un símbolo ‘$’ y acaba por un punto.

 

Sentencia informativa

Tiene el formato $ttsss,d1,d2,… donde dos primeros caracteres tt son el identificador del dispositivo que envía la información y los tres siguientes sss indican el tipo de sentencia o de dato comunicado. Los datos d1,d2 van separados por comas y finalmente toda la sentencia acaba opcionalmente con "checksum" de control seguido del carácter de retorno de carro o retorno de línea. En total una sentencia puede tener hasta un máximo de 80 caracteres además del $ y del retorno de carro o de línea. Si no hay datos que enviar, estos se omiten, pero se debe montar la sentencia con las comas sin espacios entre ellas. El "checksum" de control consiste en un carácter asterisco "*" y dos caracteres hexadecimales resultado de hacer un "OR" exclusivo de toda la sentencia excluyendo el "$"  y el "‘*".

 

Sentencias propietarias

Están pensadas para que los fabricantes puedan tener sus propias sentencias particular a una marca de electrónica determinada. Estas comenzarán por "$P" seguido de 3 letras que identifican al fabricante, seguido por los datos que el fabricante estime oportuno.

 

Sentencias interrogativas

Permite a un dispositivo solicitar una sentencia informativa a otro dispositivo. Su formato general es $ttllQ,sss,[CR][LF] en donde los dos primeros caracteres identifican al interrogados seguidos por los dos siguientes caracteres que identifican al interrogado. El quinto carácter es una "Q" indicando que se trata de una "query" (pregunta). Las sss identifican el tipo de dato solicitado. Por ejemplo; $CCGPQ,GGA indica que el ordenador (CC) solicita al un GPS (GP) un dato de tipo GGA. Entonces el GPS deberá emitir por la red NMEA esta información una vez por segundo hasta que sea solicitada otra solicitud por la red NMEA.

Esta es la lista de posibles identificadores

AG        Autopilot - General

AP        Autopilot - Magnetic

CD        Communications – Digital Selective Calling (DSC)

CR        Communications – Receiver / Beacon Receiver

CS        Communications – Satellite

CT        Communications – Radio-Telephone (MF/HF)

CV        Communications – Radio-Telephone (VHF)

CX        Communications – Scanning Receiver

DF        Direction Finder

EC        Electronic Chart Display & Information System (ECDIS)

EP        Emergency Position Indicating Beacon (EPIRB)

ER        Engine Room Monitoring Systems

GP        Global Positioning System (GPS)

HC        Heading – Magnetic Compass

HE        Heading – North Seeking Gyro

HN        Heading – Non North Seeking Gyro

II         Integrated Instrumentation

IN         Integrated Navigation

LC        Loran

P          Proprietary Code

RA        RADAR and/or ARPA

SD        Sounder, Depth

SN        Electronic Positioning System, other/general

SS        Sounder, Scanning

TI         Turn Rate Indicator

VD        Velocity Sensor, Doppler, other/general

DM       Velocity Sensor, Speed Log, Water, Magnetic

VW       Velocity Sensor, Speed Log, Water, Mechanical

WI        Weather Instruments

YX        Transducer

ZA        Timekeeper – Atomic Clock

ZC        Timekeeper – Chronometer

ZQ        Timekeeper – Quartz

ZV        Timekeeper – Radio Update, WWV or WWVH

Por ejemplo pensemos en el mensaje NMEA que lanza una veleta de viento, dando información de dirección y velocidad del viento relativo que está midiendo. El mensaje tendría este formato;

        $--VWR,x.x,a,x.x,N,x.x,M,x.x,K*HH

En donde comprobamos como el tipo de mensaje VWR tiene 8 datos y un noveno de "checksum" según la siguiente descripción de parámetros.

1)   Dirección del viento en grados

2)   Dirección del viento medida hacia la izquierda/derecha de la proa

3)   Velocidad del viento

4)   N = Nudos

5)   Velocidad del viento

6)   M = Metros por segundo

7)   Velocidad del viento

8)   K = Kilóometros por hora

9)   Checksum (HH)

Para una descripción detallada de cada uno de los posibles mensajes NMEA, dejamos este enlace de descarga en donde puedes conocer el detalle de cada uno de ellos.

Enlace

 

 

 

Conectar NMEA al mundo

Como ya indicamos, NMEA 183 permite a un solo dispositivo emitir mientras los demás escuchan e interpretan los mensajes lanzados por la red NMEA; El caso clásico de una antena GPS y una pantalla multifunción. El esquema es muy deficiente pues es muy probable que queramos tener en el barco un receptor AIS que emite información de barcos recibidos y que queramos ver representados también en la pantalla multifunción.

Además queremos que los datos de viento, de por ejemplo un tridata de Raymarine cuyos datos viajan por la red Seatalk propietaria del fabricante, nos aparezcan también en otra pantalla de otro fabricante, o por ejemplo en un programa como puede ser Open CPN, instalado en un PC portátil que también llevamos en el barco con toda la cartografía mundial instalada.

Otro caso típico y muy interesante es querer ver los datos de viento, AIS o lo que sea, en una tablet o en un SmartPhone en el cual tenemos instalados varios programas de navegación.

 

 

Montar un multiplexor

En este escenario debemos sin lugar a dudas adquirir un multiplexor de señales NMEA, alguno de los cuales también viene con funciones de transceptor tanto por cable como vía WiFi.

Los diferentes "talkers" entran a las distintas entradas NMEA del multiplexor que actúa como un distribuidor inteligente para que no se produzcan colisiones e informaciones erróneas.

Estos dispositivos también permiten ordenar todas estas informaciones y lanzarlas por WiFi 232 a un ordenador portátil instalado en el barco con distintos software como pueden ser MaxSea o bien el popular OpenCPN.

 

Actualizar una electrónica antigua en nuestro barco

Cuando se estropea parte de una instalación antigua podemos vernos en la tesitura de tener que actualizar toda la electrónica porque, o bien no encontramos el repuesto, o este sale demasiado caro para las prestaciones que ofrece.

Entonces nos gustaría cambiar de fabricante por otro que ofrece mejores prestaciones o mejor precio, y aparece la necesidad de compatibilizar equipos de diferentes fabricante. Era un dilema importante que ahora desaparece si montamos una base que permite integrar los diferentes protocolos y tipos de mensajes de distintos fabricante.

 

 

Bases OCENAV

El fabricante OCENAV ofrece un dispositivo extremadamente flexible e interesante. Perfecto para poder hacer compatible equipos de distintos fabricantes, llevar targets AIS para una multifunción o a un iPad, perfectos para poder compatibilizar elementos que trabajen en Seatalk (como Raymarine) con otros disposivos en NMEa2K o NMEA183. Perfecto para lanzar todo la información recogida en los diferentes redes hacia un PC con Maxsea o cualquier otras aplicación de navegación en una tableta con WiFi.

 

  • Servir de puente entre instrumentos de varios fabricantes para que puedan intercambiar información (incluidas las aplicaciones WiFi)

  • Actuar como base de comunicación para un mando a distancia del piloto automático también ofrecida por este fabricante.

  • Aunque existen otros multiplexores en el mercado, estos sólo toman información desde varios canales NMEA0183 y dan una salida única en formato NMEA0183 por cable o vía WiFi. El equipo que proponemos actúa también como transceptor, recibiendo y enviando simultáneamente los datos recibidos desde y hacia todos los equipos, y traduciendo la información entre todas las plataformas: NMEA0183, NMEA2000 y SEATALK (gateway).

  • El ATM105A es compatible con los equipos de los fabricantes más importantes (Raymarine, Garmin, Simrad, Lowrance, Furuno, B&G, NKE).

  • Envían todos los datos a las aplicaciones móviles. (iregatta, EDO Instruments, Sailtracker, SeaWi, NKE, etc...)

  • Permiten el control del piloto desde aplicaciones de navegación. (OPENCPN, MaxSea, Navionics, etc...)

 

Es posiblemente el multiplexor / gateway más completo del mercado ya que trabaja sobre tres protocolos a la vez: NMEA0183, NMEA2000 y Seatalk de Raymarine, y es compatible a través de WIFI con OPENCPN, MaxSea, Navionics y otros programa que podemos montar en el PC.

Permite incorporar el mando a distancia ATM105B (no incluído), para pilotos Raymarine y Simrad / B&G con bus SimNet. Está pensado para embarcaciones dotadas de equipos mixtos de navegación basados en NMEA0183, NMEA2000 y Seatalk.

Es una opción muy atractiva para permitir integrar nuevos equipos NMEA2000 con los tradicionales basados en NMEA0183 y Seatalk, mejorando la funcionalidad de los equipos electrónicos antiguos.

 

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Cómo surge NMEA 2000

Andaba cerca del año 2000 y las necesidades en velocidad de transmisión y otras características de comunicación hacían necesario un nuevo cambio de versión en este lenguaje que ya había sido adoptado por todos los fabricantes. NMEA 2000 (también llamado NMEA 2K), satisfizo muchas necesidades especialmente en velocidad de comunicación.

Una red NMEA2000 está basado en un cable de dos pares de hilos trenzados, el primero de los cuales está dedicado para la información y el otro par lleva la electricidad a 12 voltios para alimentar los equipos enchufados. Así con un sólo cable se recorre todo el barco, sin necesidad de tener un multiplexor como ya explicamos para NEMA 183.

La longitud máxima del cableado es de 200 metros, con un máximo de 50 nodos. Y la velocidad de transmisión es de 250 kbits por segundo, también muy superior al anterior estándar.

Los componentes principales de una red NMEA 2000 son los conectores T, los terminadores, los cables que distribuyen la red. Cada dispositivo se conecta a la red mediante un conector en forma de T y en los dos extremos de este ‘backbone montaremos terminadores de red.

 

Diferencias entre NMEA 2000 y NMEA 0183

Una red NMEA 2000, está formada por un cable que nada tiene que ver con el utilizado en NMEA183. Es bidireccional y por ello permite la multi-transmisión de datos serie y no existe un equipo que haga las veces de "maestro", siendo auto-configurable.

La red en NMEA 2K está formada por un troncal principal del que salen ramas a los diferentes equipos mediante el montaje de piezas en "T" en los puntos del troncal (también llamado "Backbone") y que también conduce corriente de alimentación para los equipos.

NMEA 2K fue promovido por la asociación "Industry Open Standard" a la cual están adheridos la mayoría de fabricantes, lo cual tiende a compatibilizar la comunicación entre aparatos de diferentes fabricantes. Pero esto ocurre sólo en teoría, pues los distintos fabricantes, y por política comercial, fabrican conectores incompatibles entre sí, haciendo que no sea posible tal compatibilidad de conexionado…

El NMEA2000 es 26 veces más rápido que NEMA 0183, y también se comparten datos del motor como son presiones y temperaturas, revoluciones o mensajes relacionados con el funcionamiento del motor, así como alarmas de fuego y otros tipos, y datos de control. Cualquier equipo puede ser eliminado o conectado a la red NMEA sin necesidad de resetear el resto de equipos conectados.

También permite priorizar los mensajes lanzados a la red dependiendo de su importancia. Cada mensaje tiene asignada una prioridad en la cabecera del mensaje. Para que un equipo de un determinado fabricante sea certificado compatible con NMEA2000 debe poder gestionar estas prioridades mediante un software que compruebe estas prioridades para tenerlas en cuenta.

La IEC (International Electrotechnical Commission) comenzó a desarrollar un protocolo, para que los grandes barcos mercantes cumpliera con los requisitos de SOLAS. Finalmente IEC y NMEA unieron sus fuerzas para adaptar NMEA a los requisitos de los grandes barcos mercantes. Así NMEA 0183 se ha convertido también en el estándar IEC 61162-1 para la navegación marítima y sistemas de radio comunicaciones e interfaces digitales actualmente utilizado en los grandes buques comerciales.

 

 

Está NMEA; ¿Obsoleto?

Cada vez se ofrecen más tipos de sensores que permiten controlar mejor el estado de nuestro barco. Sensores de agua en la sentina, sensores de control en aforadores de los depósitos de agua y combustible, sensores para alarmas, sensores en pasarelas hidráulicas, sensores en los diferentes equipos que podemos encontrar en la sala de máquinas.

NMEA no está pensado para soportar el creciente tráfico de datos y mucho menos el tráfico de datos que circula por Internet. ¿Intenet? Así es,  ya que en estos tiempos todo está intercomunicado. Incluso los barcos con otras fuentes de datos o también otros barcos que naveguen en la cercanía, como ocurre con los datos AIS.

El concepto de "informacion" es muy amplio y dinámico. Datos de amarres libres en una marina que pueden ser conocidos en tiempo real, o donde encontrar servicios en un puerto, datos meteo emitidos por una radio-boya indicando el oleaje real en una zona.

NMEA no es un protocolo abierto y de hecho en teoría tendríamos que pagar 250 $ a la asociación NMEA, por conocer el detalle de sus especificaciones, aunque hay quienes han hecho ingeniería inversa y sin necesidad de copiar nada, han publicado las "tripas" del funcionamiento de NMEA con gran lujo de detalles.

 

 

El futuro…. SIGNAL-K

Así las cosas no es de extrañar que un grupo de entusiastas con mucho nivel técnico y con afición a la náutica,  hayan inventado lo que tiene muchas papeletas para convertirse en el protocolo definitivo.

Se llama “Signal-K” y es extremadamente potente, flexible, código abierto y totalmente nativo al mundo Internet pues habla directamente en JavaScrits y por tanto es totalmente nativo con Internet. Signal-K está muy avanzado y en el pasado METs en Amsterdam (2016), Signal fue uno de los principales protagonistas del certamen. Incluso existe una atractiva App gratuita con la que poder visualizar en instrumentos virtuales los datos procesados por Signal-K. (ver artículo Signal-K)

 

 

 

 

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