sistema domótico para una casa inteligente - IIT

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO
INDUSTRIAL
SISTEMA DOMÓTICO PARA UNA CASA
INTELIGENTE
Autor: Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Director: Álvaro Sánchez Miralles
Director: Jaime Boal Martín-Larrauri
Madrid
Mayo 2013
AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (
RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. _____________________________________ , como _______________ de la
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA
que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en
relación
con
la
obra_________________________________________________________________________
_____________________________________________________________ 1, que ésta es una
obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad
Intelectual como titular único o cotitular de la obra.
En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el
consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa
cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna
autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la
facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que
más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor
CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo
legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de
distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,
tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se
cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
1
Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro
trabajo que deba ser objeto de evaluación académica
3º. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de
derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:
(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;
realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así
como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”
o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,
incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de
garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,
accesible de modo libre y gratuito a través de internet. 2
(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad
por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:
a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los
derechos del documento.
2
En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los
siguientes términos:
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de
modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional
3
En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través
de cualquier medio.
c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse
en contacto con el vicerrector/a de investigación (curiarte@rec.upcomillas.es).
d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para
la obtención del ISBN.
d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de
propiedad intelectual sobre ella.
5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a:
a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún
derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que
pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e
intereses a causa de la cesión.
d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por
infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.
6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y
respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con
fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad
asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:
a) Deberes del repositorio Institucional:
- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza
ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior
de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia
privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio
comercial, y que no se realicen obras derivadas.
- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la
responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre
del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del
depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la
Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso
de las obras.
- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:
- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en
caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a ……….. de …………………………... de ……….
ACEPTA
Fdo……………………………………………………………
Proyecto realizado por el alumno/a:
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……
Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Jaime Boal Martín-Larrauri
Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles
Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……
Vº Bº DEL COORDINADOR DE PROYECTOS
Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles
Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……
Índice de documentos
DOCUMENTO I. MEMORIA
I. Memoria
pág. 11 a 78
67 páginas
II. Estudio económico
pág. 79 a 82
3 páginas
III. Manual del usuario
pág. 83 a 92
9 páginas
DOCUMENTO II. PRESUPUESTO
1. Mediciones
pág. 5 a 10
5
páginas
2. Precios unitarios
pág. 11 a 16
5
páginas
3. Sumas parciales
pág. 17 a 22
5
páginas
4. Presupuesto general
pág. 23
1
página
RESUMEN DEL PROYECTO
1. Introducción
Desde mediados del siglo XX se han organizado varias exhibiciones para
enseñarnos ideas de cómo las casas aparentarían y cómo funcionarían en un futuro
lejano. La gente se imaginaba cómo se podría hacer más cómoda la estancia en casa,
cómo se facilitarían las tareas domésticas, etc. Después de la aparición de dispositivos
electrónicos inteligentes como el ordenador fue surgiendo el concepto de la
automatización del hogar: la domótica [1].
Este concepto se refiere a la automatización y control (encendido, apagado,
apertura, cierre y regulación) de aparatos y sistemas de instalaciones eléctricas y
electrotécnicas (iluminación, climatización, persianas y toldos, puertas y ventanas
motorizadas, el riego, etc.) de forma centralizada y/o remota. El objetivo principal del
uso de la domótica es el aumento del confort, el ahorro energético y la seguridad del
hogar.
Sin embargo, llevar a cabo la automatización de un hogar no es tarea fácil. Es un
sistema complejo con una gran variedad de elementos conectados entre sí. Es
imprescindible una organización rigurosa del sistema para que en su conjunto pueda
funcionar correctamente. Se deben definir unas reglas de automatización y de
comunicación de manera que los dispositivos de percepción (sensores) comuniquen el
estado actual de varios aspectos de la casa a los dispositivos que se encargan de cambiar
estos aspectos (actuadores) para poder llevar a cabo el objetivo principal de la domótica.
Además, debe haber una interfaz para que el usuario pueda personalizar el sistema
inteligente a su antojo, como por ejemplo la temperatura en una habitación.
La arquitectura del sistema inteligente
podría parecerse a lo mostrado en la Figura 1
[2]. La comunicación del sistema debe ser una
red de bajo alcance, de baja tasa de transmisión
de datos y de bajo consumo de manera que el
coste no sea alto. A día de hoy se han
desarrollado varios protocolos de comunicación
que cumplen estos requisitos; y casi todos están
enfocados al tema de la domótica.
Figura 1: Arquitectura posible de un sistema domótico [2]
Un importante aspecto de un sistema domótico es que no debería requerir la
constante atención del usuario, sobre todo en temas de regulación. Un sistema que
regule la temperatura a lo largo del día en una sala seguramente ahorre más energía que
una persona regulando el termostato. La única salvedad es el mantenimiento del
XI
sistema; por ello, se trata de diseñar un sistema domótico resistente y de bajo consumo
de modo que se permita un mantenimiento menos frecuente.
Debido a estos aspectos del sistema domótico, la demanda en este sector está en
aumento mientras que estos sistemas inteligentes avanzan en diseño y tecnología. Por
ello, la gente de hoy en día busca esta alternativa cómoda para cambiar su vida cotidiana
a algo más atractivo y moderno.
Hoy en día existe un gran número de empresas en este sector; y como ejemplo se
muestran los siguientes 2 ejemplos: SmartThings [3] e INSTEON [4]:
Figura 2: Ejemplos de empresas en el sector de la domótica
La empresa SmartThings, que ahora está en auge, ha diseñado una centralita o
hub que entiende de varios protocolos inalámbricos como ZigBee o WiFi y también
tiene conexión a un servidor en internet. Habilitando los electrodomésticos existentes
para la comunicación inalámbrica, este hub se conecta los electrodomésticos entre sí en
una red inalámbrica para formar el sistema domótico. En cambio, la empresa INSTEON
vende ya sus electrodomésticos habilitados para la comunicación con su protocolo de
comunicación propio, que bien puede ser por WiFi o por el cableado eléctrico
(powerline communications).
Sin embargo, aunque son muy completos en cuanto a la automatización del
hogar, ofrecen escasas alternativas en cuanto al ahorro energético. Además, la gran
mayoría de las empresas en el sector de la domótica se han fundado en EEUU, donde la
domótica es un sector más fuerte; y éstas se han internacionalizado después. Por ello, en
países como España apenas se pueden encontrar anuncios y ofertas provenientes de
empresas de domótica.
Esto es lo que despierta interés en este proyecto. Este proyecto constituye la
mitad de un gran proyecto. Este proyecto se encarga del control de los sensores y
actuadores que sirven propósitos distintos: seguridad, climatización, iluminación y ocio.
El otro se encarga del ahorro energético por medio de, por ejemplo, almacenar la
energía cuando esta sea barata y usarla cuando sea cara. Así, un hogar podrá aprovechar
el confort y la seguridad que ofrece el sistema de automática y el ahorro energético del
XII
de energía. Debido a ello, este proyecto se
ha dedicado a cumplir los siguientes
objetivos:
•
•
•
•
Desarrollo de una red inalámbrica
con dispositivos de control.
Integración
de
sensores
y
actuadores a la red.
Desarrollo de un software de
interacción con el usuario a través
de un PC.
Integración con el sistema gestor de
energía.
Figura 3: Estructura del proyecto global
2. Metodología
Se ha definido una arquitectura para
el sistema general, que se muestra en la
Figura 4. El sistema domótico tiene cuatro
partes importantes: el sistema de seguridad,
el de iluminación, el de climatización y el de
ocio; con sus respectivos sensores
(temperatura,
luz,…)
y
actuadores
(persianas, calefacción,…). El maestro se
encarga de coordinar el sistema domótico y
el sistema gestor de energía, además de
formar un puente entre el usuario y ambos
sistemas. El usuario puede gestionar estos
sistemas a través de la interfaz de control,
que muestra la información relevante del
sistema, que se almacena en la base de datos.
Figura 4: Arquitectura general del sistema
En cuanto al hardware de esta arquitectura, en el nivel más alto se encuentra un
PC y un router. Los niveles más bajos son tarjetas controladoras gestionadas por un
microprocesador de Microchip Technology Inc, las cuales son capaces de comunicarse
entre ellos con un protocolo de comunicación inalámbrica mediante un módulo de
radiofrecuencia de la misma empresa basada en ZigBee: MiWi. Además, el maestro
central es una tarjeta especial, la cual también es capaz de comunicarse por WiFi a
través de un módulo de comunicación WiFi de la misma empresa con el router para
llegar al servidor y enlazar ambos niveles del sistema.
En cuanto al software de este sistema, en el nivel más alto se ha diseñado con Qt
Designer la interfaz de control y se ha programado con Microsoft Visual Studio 2010 en
lenguaje C++. La conexión con la base de datos MySQL se ha programado con el
XIII
mismo programa y también se ha hecho posible con ODBC (Open DataBase
Connectivity). Para la conexión MiWi y WiFi se han empleado los drivers de Microchip
Technology Inc. de estos protocolos en los microprocesadores. El algoritmo de control
que los microprocesadores deben seguir en este proyecto se ha programado con
MPLAB IDE.
3. Resultados
Se han desarrollado 5 tarjetas controladoras distintas, aunque dos de ellas sirven
propósitos parecidos: son la TCD (Tarjeta Control Domótico), la TCI-4F (Tarjeta de
Control de Iluminación – 4 Fases), la TCI-F (Tarjeta de Control de Iluminación – Foco),
la TCA (Tarjeta de Control de Actuadores) y la TCC (Tarjeta de Control Central:
(a) TCD
(b) TCI-4F
(d) TCA
(c) TCI-F
(e) TCC
Figura 5: Tarjetas desarrolladas en el proyecto
La TCD en principio se diseñó como una tarjeta de propósito general, pero como
los sensores son los únicos que requieren un circuito de acondicionamiento simple, se
han desarrollado las demás tarjetas, aparte de la TCC, que es el coordinador de los
dispositivos. Las tarjetas TCI-4F y TCI-F se han diseñado para conectarles LEDs RGB,
que sirven propósitos de iluminación personalizada (sistema de ocio). La tarjeta TCA se
ha diseñado para actuar varios tipos de sistemas automatizados (persianas, riego,…)
mediante sus relés.
XIV
En cuanto a la interfaz de control,
se ha desarrollado la mostrada en la
Figura 6. Según la habitación escogida en
la lista desplegable de la izquierda en la
parte inferior (dentro de la pestaña de
Home Automation) se muestran las
lecturas de los sensores y los
controladores para los actuadores (en este
caso existen persianas y LEDs RGB para
controlar). En caso de que no exista un
dispositivo de los que se muestran en la
Figura 6 instalado en la habitación
seleccionada, se mostrará un mensaje de
advertencia.
Figura 6: Interfaz de control
4. Conclusiones
Este proyecto ha contribuido a desarrollar un sistema domótico robusto, fácil de
controlar, y modular, ya que se puede controlar los dispositivos conectados a estas
tarjetas sin importar su número. Este sistema domótico se ha integrado con éxito con un
sistema gestor de energía para cubrir las necesidades de ahorro energético de la casa
inteligente. Asimismo, durante el proceso se ha modificado el protocolo de
comunicación MiWi para que sea más entendible para el usuario y para mejorar su
funcionamiento, que puede ser aprovechado en futuras aplicaciones.
5. Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
Wikipedia, domótica: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica
Casadomo, domótica: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14
Empresa SmartThings: http://smartthings.com
Empresa INSTEON: http://www.insteon.net/
Palabras clave: domótica, automatización del hogar, WiFi, ZigBee, casa inteligente.
XV
PROJECT ABSTRACT
1. Introduction
Since mid-20th century, many exhibitions have been organized to show ideas
about how would houses look and function in a distant future. People were imagining
how could one make their homes more comfortable, how could the domestic tasks
become easier, etc. Following the arrival of intelligent electronic devices like
computers, the concept of home automation started to be present in many places [1].
This concept refers to the automation and control (switching on and off,
opening, closing and regulation) of devices and of electrotechnic and electrical
installations (lighting, climate control, blinds and sunshades, doors and motorized
windows, sprinklers, etc.) in a centralized way and/or remote. The main targets of home
automation are to increase comfort, security and energy savings.
However, carrying out the automation of a home is not an easy task. It is a
complex system with a wide variety of interconnected elements. It is necessary to
establish a rigorous organization of the system so it can run correctly by itself.
Automation and communication rules must be defined so the perception devices
(sensors) are able to communicate their current status regarding several aspects of the
home to the devices which are in charge of changing these aspects (actuators) to carry
out the main targets of home automation. In addition, there should be an interface so
that the user can customize the intelligent system as he/she pleases, like, for example,
the temperature of a certain room.
The network could look like what is
shown in Figure 1 [2]. Its communication
should be low-range, low-bitrate and lowconsumption in order to reduce costs. As of
today, many protocols have been developed
which meet these requirements; and the great
majority are focused to home automation
environments.
Figure 1: Possible architecture of the system [2]
An important feature of a home automation network is that it should not require
the user’s constant attention, especially in regulation tasks. A system that adjusts the
temperature in a room throughout the day will surely save more energy that a person
adjusting the thermostat. The only exception is the maintenance of the system;
therefore, this is about designing a robust and low-consumption home automation
system in order to afford less frequent maintenances.
Due to these features of the home automation system, the demand in this sector
is increasing and these systems are upgrading in design and technology every year. That
XVI
is why people today want to find this comfortable alternative to change their day-to-day
lives to something more attractive and modern.
As of today there are a great number of companies in this sector; and as an
example the following 2 examples are shown: SmartThings [3] and INSTEON [4]:
Figura 2: Examples of companies in the home automation sector
On the one hand, the SmartThings company, which is relatively new, has
designed a hub that understands several wireless protocols such as ZigBee or WiFi and
also has connection with an online server. Enabling the existing appliances for wireless
communication, this hub connects all these appliances together in a wireless network to
create the home automation system. On the other hand, the INSTEON company sells its
own appliances enabled for communication with their own communication protocol,
that can be either by wireless communication or by powerline communications.
However, even if they are complete regarding automation at home, it offers very
few alternatives regarding energy savings. In addition, the great majority of companies
in the home automation sector have been founded in the USA, where home automation
is a stronger sector; and these have globalized eventually. This is why, in countries like
Spain, people can barely find advertisements and offers coming from home automation
companies.
This is what generates interest in this project. This project constitutes the half of
a great project. This project is in charge of the control of the sensors and actuators that
serve different purposes: security/safety, lighting, heating/cooling and leisure. The other
is in charge of energy savings through, for example, energy storage when it is cheap and
its use when it is expensive. By doing so, a home can take advantage of the comfort and
the security that the automation system provides and the energy savings provided by the
energy system.
Therefore, this project has been carried out by completing the following
objectives:
XVII
•
•
•
•
Wireless network with control
devices development.
Sensor and actuator integrations.
Interaction software with the user
using a PC.
Energy system integration.
Figura 3: Global project structure
2. Methodology
An architecture has been defined for
the general system, shown in Figure 4. The
home automation system is made up of 4
main
subsystems:
security,
lighting,
heating/cooling and leisure; with their
respective sensors (light, temperature,…)
and actuators (blinds, heaters,…). The
master is in charge of coordinating the home
automation system and the energy control
system, as well as creating a bridge between
the user and both systems. The user can run
these systems using the control interface,
which displays relevant information
regarding the system, which is also stored in
the database.
Figure 4: General system architecture
In the matter of this architecture’s hardware, there is a PC and a router at the
topmost level. The lower levels are controller boards runned by Microchip Technology
Inc. microprocessors, which are able to communicate among themselves with a wireless
communication protocol by means of a radiofrequency module from the same company
based on ZigBee, MiWi. In addition, the central master, which is represented by a
special controller board, which is also able to communicate by WiFi through a WiFi
module of the same company with the router to reach the server and link the
architecture’s levels.
Regarding this architecture’s software, the control interface has been designed
with Qt Designer and has been programmed with Microsoft Visual Studio 2010 in C++
language. The link with the MySQL database has been programmed with the same
program and has been made possible with ODBC (Open DataBase Connectivity).
XVIII
Microchip Technology Inc. drivers have been used for the MiWi and WiFi connection
of its microprocessors. The control algorithm which the microprocessors follow in this
project has been programmed with MPLAB IDE.
3. Results
Five different controller boards have been designed, although two of them are
used for similar purposes. These are (Spanish names are shown too): the Domotic
Controller Board (TCD – Tarjeta de Control Domótico); the 4-Phase Lighting
Controller Board (TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases); the Spotlight
Lighting Controller Board (TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación – Foco); the
Actuator Controller Board (TCA – Tarjeta de Control de Actuadores); and the Central
Controller Board (TCC – Tarjeta de Control Central):
(a) TCD
(b) TCI-4F
(d) TCA
(c) TCI-F
(e) TCC
Figure 5: Controller boards designed in this project
The TCD was designed initially as a general purpose Controller Board, but due
to the fact that the sensors are the only devices which required a simple conditioning
circuit the other boards were designed, apart from the TCC which is the device
coordinator. The TCI-4F and TCI-F boards were designed to connect RGB LEDs to
them, which are used for customized lighting (leisure system). The TCA is suitable for
actuating various types of automatic systems (blinds, sprinklers,…) by means of relays.
XIX
In the matter of the control
interface, the one shown in Figure 6 has
been developed. The sensor readings and
the controllers of the actuators (in this
case there are blinds and RGB LEDs to
control) are displayed according to the
room selected from the pull-down menu
at the left (under the Home Automation
tab). In case of a missing device among
the ones shown in Figure 6, a warning
message will be displayed and the
controller will be disabled.
Figure 6: Control interface
4. Conclusions
This project has contributed to develop a robust home automation system, which
is easy to control and has modulation options, due to the fact that no matter how many
boards and devices installed, the system is still controllable. This home automation
network has been successfully merged with the energy control system to cover the
energy saving needs of the smarthome. Additionally, during the process the MiWi
wireless protocol has been modified to make it more user-friendly and to upgrade its
performance, which can be used in future applications.
5. References
[1]
[2]
[3]
[4]
Wikipedia, domotics: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica
Casadomo, domotics: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14
SmartThings company: http://smartthings.com
INSTEON company: http://www.insteon.net/
Key words: domotics, home automation, WiFi, ZigBee, smarthome
XX
A todos aquellos que me han apreciado
y han hecho mella en mí
“Somos lo que hacemos, pero somos, principalmente,
lo que hacemos para cambiar lo que somos.”
EDUARDO GALEANO
“En el justo medio entre el exceso y el defecto
se encuentra la virtud.”
ARISTÓTELES
AGRADECIMIENTOS
Antes de nada, quisiera agradecer a mi familia por el gran apoyo moral que he
recibido por su parte durante la carrera; a mi hermano por sus consejos, los cuales me
han sido de gran ayuda; a mi madre por los ánimos que me da para afrontar los
momentos difíciles; y a mi abuelo, que a sus 95 años me sigue demostrando que con
perseverancia se superan muchos problemas. Os dedico el logro de haber finalizado esta
carrera.
Muchísimas gracias a mis directores de proyecto, Álvaro Sánchez y Jaime Boal.
Gracias por brindarme la oportunidad de trabajar en este proyecto; ha sido muy
interesante, he aprendido muchas cosas y me lo he pasado fenomenal. Gracias por
ayudarme en el transcurso del proyecto para solucionar los problemas que han surgido.
También quiero agradecer a mis amigos la estancia en la universidad. Gracias
por el grupo que hemos formado, nos hemos ayudado mucho y lo hemos pasado genial.
Mención especial se merecen Daniel Lestón, Manuel Peña y Pablo Zulaica. Han sido
grandes compañeros de estudio durante toda la carrera y han aguantado mi mal carácter
en los momentos de estrés. También quiero agradecer a Francisco Martín las horas de
trabajo que hemos compartido en el IIT. Por último, tampoco me quiero olvidar de
Teresa Basagoiti, Carmen Gómez y Andrea Hernández. Me habéis contagiado vuestra
alegría con creces.
DOCUMENTO I
MEMORIA
Memoria
Índice de la memoria
Índice de la memoria
Capítulo 1
1.1
Introducción.................................................................................. 13
Estado del arte .................................................................................................. 13
1.1.1 SmartThings .................................................................................................. 13
1.1.2 INSTEON ...................................................................................................... 14
1.1.3 Z-Wave .......................................................................................................... 15
1.1.4 UPB – Universal Powerline Bus ................................................................... 16
1.2
Motivación del proyecto .................................................................................. 16
1.2.1 Comparación .................................................................................................. 17
1.2.2 Motivación ..................................................................................................... 18
1.3
Objetivos .......................................................................................................... 19
1.4
Metodología ..................................................................................................... 20
1.5
Recursos / herramientas empleadas ................................................................. 21
Capítulo 2
Arquitectura del sistema domótico ............................................... 23
2.1
Estructura general del sistema ......................................................................... 23
2.2
Ejemplo en un hogar ........................................................................................ 24
Capítulo 3
Comunicación del sistema domótico ............................................ 27
3.1
Protocolo MiWi – Microchip Wireless ............................................................ 27
3.2
Estructura y dispositivos de la red MiWi......................................................... 27
3.3
Direcciones de los dispositivos ........................................................................ 28
3.4
Creación de la red e integración de dispositivos.............................................. 29
3.5
Envío y recepción de mensajes ........................................................................ 29
3.6
Propagación y reenvío de mensajes ................................................................. 31
3.7
Flujograma de operación MiWi ....................................................................... 32
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
3
Memoria
3.8
Modificaciones realizadas en el protocolo MiWi ............................................ 33
Capítulo 4
4.1
Índice de la memoria
Dispositivos remotos ..................................................................... 37
Tarjetas controladoras ...................................................................................... 37
4.1.1 TCD: Tarjeta de Control Domótico ............................................................... 37
4.1.2 TCI-F: Tarjeta de Iluminación - Foco ........................................................... 39
4.1.3 TCI-4F: Tarjeta de Iluminación – 4 Fases ..................................................... 40
4.1.4 TCA: Tarjeta de Control de Actuadores ........................................................ 40
4.2
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 ........................................................... 41
4.3
Módulo de radiofrecuencia MiWi.................................................................... 42
4.4
Arquitectura del algoritmo de control .............................................................. 43
4.5
Sensores ........................................................................................................... 44
4.5.1 Sensor de luminosidad ................................................................................... 44
4.5.2 Sensor de humedad ........................................................................................ 45
4.5.3 Sensor de temperatura ................................................................................... 46
4.5.4 Sensor de presencia ....................................................................................... 47
4.5.5 Calibración de sensores ................................................................................. 49
4.6
Actuadores ....................................................................................................... 50
4.6.1 Relé ................................................................................................................ 50
4.6.2 LED RGB ...................................................................................................... 52
Capítulo 5
Dispositivo central de control ....................................................... 57
Capítulo 6
Interacción con el usuario ........................................................... 59
6.1
Interfaz de control ............................................................................................ 59
6.2
Base de datos ................................................................................................... 63
Capítulo 7
Resultados y pruebas realizadas................................................... 65
7.1
Prueba de comunicación MiWi........................................................................ 65
7.2
Prueba de sensores ........................................................................................... 67
7.3
Prueba de actuadores ....................................................................................... 69
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
4
Memoria
7.4
Índice de la memoria
Prueba global en un entorno real ..................................................................... 69
Capítulo 8
Conclusiones ................................................................................. 71
Capítulo 9
Futuros Desarrollos ...................................................................... 75
Bibliografía ........................................................................................................77
Parte II
Estudio económico ........................................................................ 79
Parte III
Manual del usuario ...................................................................... 83
Capítulo 1
Dispositivos remotos ..................................................................... 85
1.1
Tarjetas controladoras ...................................................................................... 85
1.2
Dispositivos de comunicación ......................................................................... 86
1.2.1 Comunicación WiFi....................................................................................... 86
1.2.2 Comunicación MiWi ..................................................................................... 86
Capítulo 2
Interfaz de control ........................................................................ 89
Capítulo 3
Acceso a la base de datos con ODBC........................................... 91
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
5
Memoria
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Índice de la memoria
6
Memoria
Índice de figuras
Índice de figuras
Figura 1.1 Hub de SmartThings y la aplicación móvil [3] .............................................13
Figura 1.2 Diagrama explicativo del protocolo INSTEON [4].......................................14
Figura 1.3 Nexia Bridge (Z-Wave) [6] ...........................................................................15
Figura 1.4 RUC (UPB) [7] ..............................................................................................16
Figura 1.5 Tabla de comparación del protocolo inalámbrico entre tecnologías
orientadas a la domótica ..................................................................................................17
Figura 1.6 Arquitectura posible del sistema domótico ...................................................20
Figura 1.7 Arquitectura general del sistema ...................................................................20
Figura 2.1 Arquitectura general del sistema inteligente .................................................23
Figura 2.2 Ejemplo de un plano de una casa inteligente, adaptado de [9] .....................25
Figura 3.1 Logos de ZigBee y Miwi [10] .......................................................................27
Figura 3.2 Topología en malla de una red MiWi [11] ....................................................28
Figura 3.3 Asignación del short Address en una red MiWi [11] ....................................28
Figura 3.4 Procedimiento de handshaking en una red MiWi [12] ..................................29
Figura 3.5 Procedimiento de routing de mensajes en una red MiWi [11] ......................31
Figura 3.6 Flujograma de operación que sigue un dispositivo que funciona con
MiWi [11] ........................................................................................................................32
Figura 3.7 Ejemplo del hashtable con la configuración de la red del protocolo
MiWi modificado ............................................................................................................33
Figura 3.8 Constantes relacionadas con el protocolo definidas en el archivo
parameters.h ...................................................................................................................34
Figura 3.9 Formato de los mensajes transmitidos en el protocolo modificado ..............35
Figura 3.10 Distintos tipos de instrucción transmitidos en el sistema domótico ............35
Figura 4.1 TCD: Tarjeta de Control Domótico ..............................................................38
Figura 4.2 TCI-F: Tarjeta de Control de Iluminación - Foco .......................................39
Figura 4.3 TCI-4F: Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases .................................40
Figura 4.4 TCA: Tarjeta de Control de Actuadores .......................................................40
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7
Memoria
Índice de figuras
Figura 4.5 Posible interconexión entre ambos dispositivos para el
funcionamiento del protocolo MiWi ...............................................................................42
Figura 4.6 Diagrama de flujo del algoritmo de control de los microprocesadores ........43
Figura 4.7 Fototransistor [14] .........................................................................................44
Figura 4.8 Acondicionamiento de la fotorresistencia .....................................................45
Figura 4.9 TCD con un sensor de luz conectado ............................................................45
Figura 4.10 Pines del sensor capacitivo ..........................................................................46
Figura 4.11 TCD con un sensor de humedad conectado .................................................46
Figura 4.12 TCD con un termistor conectado .................................................................47
Figura 4.13 Funcionamiento de un sensor PIR [22] .......................................................48
Figura 4.14 Aplicación de la lente de Fresnel [22] .........................................................48
Figura 4.15 TCD con un sensor PIR conectado ..............................................................48
Figura 4.16 Conexión de un relé [24] ..............................................................................50
Figura 4.17 Tabla explicativa de los distintos tipos de relés ...........................................50
Figura 4.18 Distintos tipos de relés conectados al micro ................................................51
Figura 4.19 Ejemplo de relé lacheado .............................................................................51
Figura 4.20 Modelo RGB en formato cúbico ..................................................................52
Figura 4.21 Acondicionamiento de un LED RGB...........................................................52
Figura 4.22 Parámetros fundamentales de los LEDs RGB usados en este proyecto ......53
Figura 4.23 TCI-F con seis LEDs RGB iluminados con color azul conectados en
paralelo .............................................................................................................................54
Figura 4.24 TCI-4F con una tira de 15 LEDs RGB iluminados en blanco
conectado a una de sus fases.............................................................................................55
Figura 5.1 TCC: Tarjeta de Control Central ....................................................................57
Figura 5.2 Diagrama de flujo del algoritmo de control de la TCC..................................58
Figura 6.1 Interfaz de control ..........................................................................................59
Figura 6.2 Estructura y bloques principales de ambos programas ..................................61
Figura 6.3 Paquetes enviados según las instrucciones entre interfaz y server.................62
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8
Memoria
Índice de figuras
Figura 6.4 Arquitectura de la base de datos ....................................................................63
Figura 7.1 Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba
de MiWi ...........................................................................................................................65
Figura 7.2 Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba
de sensores .......................................................................................................................67
Figura 7.3 Desglose del paquete recibido en la prueba de sensores ...............................68
Figura 7.4 Tarjetas TCD probadas en un hogar ..............................................................68
Figura 7.5 Tarjetas TCI-F, TCI-4F y TCA probadas en un hogar ..................................69
Figura 7.6 Pruebas de la interfaz de control en un entorno real ....................................69
Figura 7.7 TCC situado en el CGP .................................................................................70
Figura 10.1 Ciclo de vida posible de el sistema domótico de este
proyecto [26] ....................................................................................................................82
Figura 20.1 Interfaz de control (pestaña del Energy System)..........................................89
Figura 20.2 Interfaz de control (pestaña del Home Automation) ....................................90
Figura 20.3 Ventana del DSN de sistema .......................................................................91
Figura 20.4 Ventana para seleccionar driver ..................................................................91
Figura 20.5 Ventana de conexión con la base de datos ..................................................92
Figura 20.6 Conexión con DBManager ..........................................................................92
Sistema domótico para una casa inteligente
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9
Memoria
Sistema domótico para una casa inteligente
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Índice de figuras
10
Parte I MEMORIA
Memoria
Introducción
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se hace una introducción de este proyecto. Se comenzará
estudiando las alternativas y soluciones propuestas por varias de las empresas más
relevantes en el sector de la domótica. A partir de este análisis, se exponen las razones
que han despertado interés en el desarrollo de un nuevo sistema domótico, así como los
objetivos que se pretende llevar a cabo.
1.1 ESTADO DEL ARTE
En este apartado se estudia la situación actual de las empresas domóticas. Lo
más importante en los sistemas inteligentes es la organización, la comunicación y la
interacción con el usuario. Se han desarrollado varias maneras de enlazar los sensores
con los actuadores mediante distintas interfaces.
1.1.1 SMARTTHINGS
La empresa SmartThings [3] ha diseñado una centralita (Hub) que se comunica
con varios protocolos ya establecidos como ZigBee o WiFi y se conecta a una
plataforma segura en internet.
Lo atractivo de esta centralita es que
conecta automáticamente los sensores y
actuadores entre sí, sin necesidad de
atención por el usuario. Desde internet, la
información sobre el entorno llega a
dispositivos como smartphones mediante
una aplicación.
Figura 1.1: Hub de SmartThings y la aplicación móvil [3]
Sistema domótico para una casa inteligente
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13
Memoria
Introducción
Lo curioso de esta aplicación, es que viene en distintas mini-aplicaciones; por
ejemplo, una aplicación que haga parpadear las luces de la casa cuando llega un correo
puede resultar una molestia para algunos; por eso, han separado la aplicación en varias
para que cada usuario controle y automatice lo que quiera. También, ofrecen la
posibilidad de diseñar aplicaciones mediante dispositivos Arduino para abrir fronteras y
crear una comunidad que comparta sus propias aplicaciones.
1.1.2 INSTEON
La empresa INSTEON[4], división de SmartLabs, Inc., tiene otra manera de
enlazar los dispositivos que constituye el sistema inteligente.
Figura 1.2: Diagrama explicativo del protocolo INSTEON [4]
En este caso, la centralita es el SmartLinc, que requiere conexión a internet
mediante ethernet a un router. Los dispositivos deben configurarse manualmente para
enlazarlos con la centralita. Además, este protocolo se comunica por el cableado
eléctrico de la casa (como el protocolo X10) y/o por radiofrecuencia (915 MHz). Por
otra parte, los dispositivos están preparados para actuar como repetidores para aumentar
el alcance de la red inteligente; y repiten de manera simultánea (simulcast). Sin
embargo, todos los dispositivos tienen su tabla de referencia, luego si se añade un
dispositivo a la red se debe actualizar todos los demás dispositivos, no solo el
SmartLinc, lo cual requiere acción por parte del usuario para configurar y organizar la
red de forma correcta.
Además, no sólo se puede controlar por una aplicación mediante un smartphone,
sino que también han desarrollado controladores propios como teclados o pantallas
táctiles o convertidores de protocolo de señales infrarrojas a protocolo INSTEON para
Sistema domótico para una casa inteligente
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14
Memoria
Introducción
poder controlar elementos con, por ejemplo, un mando de televisión. El SmartLinc es
también compatible con cámaras IP, y éstas se pueden visualizar mediante la aplicación.
Por último, algunas de las aplicaciones clave de INSTEON son: monitorización del
consumo de potencia/energía en vivo, informes sobre el precio de la energía y la
respuesta a la demanda.
1.1.3 Z-WAVE
Existe otro protocolo más que está orientado a la domótica: Z-Wave[5]. Se opera
alrededor de los 900MHz, ofreciendo más alcance y evitando interferencias más
comunes en la banda de los 2.4GHz. Los dispositivos pueden actuar como repetidores
también, constituyendo así una red inalámbrica bastante robusta. Este protocolo se usa
en todas las empresas que forman la Z-Wave Alliance (150 aproximadamente). Las
empresas que forman esta alianza fabricaban sus propios electrodomésticos, y ahora las
han preparado para formar una red inalámbrica orientada a la domótica.. Muchas de
estas empresas trabajan entre sí para poder formar una red domótica completa. Un
ejemplo importante de estos es Nexia Home Intelligence, que por ejemplo integra los
cerrojos automáticos de la empresa Schlage con los termostatos de la empresa Trane en
una misma red.
En este ejemplo la centralita es el Nexia
Bridge[6] que requiere conexión por Ethernet
para conectarse al servidor. Posee dos botones
(+ y -) para añadir o excluir un dispositivo de
protocolo Z-Wave a la red. Si se necesita
añadir una cámara, se presiona el + y un botón
en la cámara para integrar la cámara a la red.
Mediante una página web o una aplicación se
puede controlar todos los elementos de la red a
través del Nexia Bridge.
Figura 1.3: Nexia Bridge (Z-Wave) [6]
Respecto al consumo de energía, también dispone de una aplicación que
monitoriza el consumo y los costes de ello de todos los dispositivos Z-Wave conectados
en la misma red. Es capaz de detectar consumos anormalmente excesivos y avisar al
usuario para que lo ajuste si fuera necesario.
Sistema domótico para una casa inteligente
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15
Memoria
Introducción
1.1.4 UPB – UNIVERSAL POWERLINE BUS
Otro protocolo que está orientado a la domótica es el UPB[7] (Universal
Powerline Bus). UPB es una tecnología que usa el cableado de potencia actual para
mandar señales que controlan luces y cargas eléctricas desde cualquier sitio dentro o
fuera de la casa. Es barato ya que no necesita nuevos cables y es una solución fiable. Es
básicamente un protocolo X10 mejorado en gran medida. Se basa en mandar pulsos
determinados de 4KHz a 40kHz que viajan por la red eléctrica de la casa, y los
dispositivos que entiendan de este protocolo pueden extraer la información del cableado
eléctrico del hogar. Otro aspecto atractivo de este protocolo es su probabilidad casi nula
de fallo, ya que no tiene obstáculos o interferencias que atravesar como los protocolos
inalámbricos.
Es necesario un software (Upstart)
para controlar esta red desde un ordenador y
un convertidor para enlazar el PC con la red
eléctrica (por un puerto serie o por un puerto
USB). Existe otra alternativa, que es una
centralita
(RUC
–
Remote
Universal
Controller) que requiere conexión Ethernet y
un adaptador de puerto serie para enlazar el
RUC con la red eléctrica.
Figura 1.4: RUC (UPB) [7]
Finalmente, mediante un navegador de internet o aplicaciones para smartphones,
se puede controlar la red UPB de manera remota. Además, el RUC entiende de
protocolo INSTEON y Z-Wave ya mencionados anteriormente.
1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
Ha quedado clara la tendencia creciente del mundo de la domótica. Cada vez
resulta más atractiva la idea de automatizar o hacer inteligente el hogar donde vivimos.
Por ello, resulta interesante estudiar los métodos que se han desarrollado hasta hoy para
Sistema domótico para una casa inteligente
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16
Memoria
Introducción
poder elaborar una solución que tenga elementos que los sistemas estudiados carezcan.
Primero, se ha determinado la solución de este proyecto comparando los sistemas
domóticos comerciales estudiados y se expondrá después la motivación de este proyecto
que ha causado esta comparación.
1.2.1 COMPARACIÓN
A partir de las características principales se va a proponer una solución con un
valor añadido para ofrecer una solución más efectiva y robusta. Como protocolo de
comunicación se usará ZigBee en este proyecto, aunque será a través de una interfaz
que desarrolló la empresa Microchip Technologies: MiWi (Microchip Wireless[8]). Se
caracteriza por su bajo consumo y bajas tasas de datos y posee otros rasgos que se
pueden ver a continuación:
Powerline
SmartThings
No
INSTEON
Sí
Z-Wave
No
UPB
Sí
MiWi
No
Radio
Sí (varios)
Sí (sub
GHz)
Sí (sub
GHz)
No
Sí (2.4GHz)
Simulcast
Redirección.
P2P
Redirección.
Escaso
Sí
En cada
dispositivo
Bajo
Sí**
Solo en la
centralita
Muy escaso
Sí
En cada
dispositivo
Normal
Sí***
En cada
dispositivo*
Manual
Manual
Automático Automático*
Manual
Manual
Automático
Propagación
Redirección.
de mensajes
Nivel de ruido
Normal
Encriptación
Sí
Tabla de
Solo en la
direcciones
centralita
Actualización
de la tabla de Automático
direcciones
Integración de
dispositivos a Automático
la red
Automático
* No es propio del protocolo MiWi. Se ha programado para mejorarlo y para que obtenga esas propiedades
** Desde hace cuatro años se implementó una encriptación sólida, ya que se podía hackear los cerrojos y cualquiera los podía abrir
*** Se puede descifrar con ZENA Network Analyzer, un dispositivo de Microchip Technology Inc. disponible en el mercado
Figura 1.5: Tabla de comparación del protocolo inalámbrico entre tecnologías orientadas a la domótica
Powerline se refiere a transmisión por el cableado eléctrico. Propagación de
mensajes es la manera en que los mensajes son transmitidos por la red. La tabla de
direcciones es un índice que tienen los dispositivos para saber la dirección del
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17
Memoria
Introducción
dispositivo al que tienen que mandar el mensaje; en algunos sólo la centralita sabe la
dirección de todos y los dispositivos sólo conocen la dirección de su maestro o esclavo.
Respecto al nivel de ruido no es de mucha importancia, ya que el protocolo está
diseñado para volver a mandar el mensaje hasta 3 veces más si no ha llegado
correctamente a su destino. Si no alcanza a su destino se usará el redireccionamiento
para encontrar caminos alternativos. Debido al alcance de las telecomunicaciones, el
hecho de que la información vaya encriptada es importante para que nada pueda
interferir fácilmente.
Sin embargo, ya que uno de los objetivos de la domótica es el ahorro energético,
los sistemas domóticos comerciales carecen de funcionalidades en cuanto a la gestión de
energía. Aunque no se incluya en este proyecto, una de las funciones más importantes
en una casa inteligente es la gestión de la energía: monitorizar el consumo energético de
los elementos de la casa (cuánto consumen las luces del salón, el aire acondicionado,
etc.); la respuesta a la demanda (monitorizar el coste actual de la energía); el
almacenamiento de energía cuando la energía esté más barata; y limitar el consumo
cuando la energía esté más cara. Estas cuatro funciones, aunque sean ajenas a este
proyecto, se integrarán con este proyecto una vez se configure la compatibilidad y la
integración entre ellos.
1.2.2 MOTIVACIÓN
Un factor importante a tener en cuenta es que el sistema domótico sea fácil de
entender y de gestionar. Por ello, el sistema domótico desarrollado en este proyecto
debe ser user-friendly para que sea más fácil de usar y sobre todo más atractivo. Por eso
se ha optado por utilizar un protocolo de comunicación que no requiera acción por parte
del usuario para establecer la red inteligente.
Si profundizamos en este factor uno se puede encontrar con un “límite” que
estos sistemas domóticos tienen. Estos sistemas domóticos ya desarrollados funcionan
según consignas/reglas temporales/eventos que el usuario define; es decir, que si el
usuario no pone las reglas, el sistema domótico no sabría qué hacer.
Por lo tanto, en este proyecto se ha estudiado la manera de dotar a este sistema
de una “inteligencia propia” para aportar más beneficios al sistema. Por ejemplo, si el
usuario quiere establecer una temperatura determinada en un lugar y el sistema
Sistema domótico para una casa inteligente
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18
Memoria
Introducción
domótico “considera” que el coste energético de esta operación es alto, este sistema
podría modificar ligeramente la temperatura para que el usuario no note este cambio y
para reducir el coste energético.
Como se ha visto anteriormente, otro elemento que aportaría un valor
considerable a cualquier sistema domótico comercial es una gestión de energía en el que
se incluya un almacenamiento propio de energía. El sistema debería ser capaz de
almacenar energía mientras la demanda sea baja, para luego independizarse de la red
eléctrica una vez la demanda sea alta y subsistir con la energía almacenada previamente.
1.3 OBJETIVOS
Se han cumplido los siguientes objetivos para llevar a cabo este proyecto con los
rasgos mencionados en el apartado anterior:
1. Desarrollo de una red que se comunique de forma inalámbrica
Se ha utilizado el protocolo ZigBee con una interfaz que ha desarrollado
Microchip: MiWi. El sistema domótico debe tener un sistema de comunicación
inalámbrica para poder conectar todos los elementos del sistema entre sí.
2. Realizar un sistema que soporte un control de iluminación, de climatización y de
seguridad integrando sensores y actuadores en la red.
Un sistema domótico tiene como finalidad el aumento del confort, del ahorro
energético y de la seguridad del hogar.
3. Desarrollo de un software de interacción del sistema con un PC (opcional:
interacción con un smartphone)
El PC / smartphone debe registrar todas las variables y reglas de funcionamiento
de la red inteligente y se debe poder monitorizar el sistema y controlar desde éste.
4. Integración del sistema domótico con el sistema gestor de energía.
El sistema gestor de energía, como se ha mencionado anteriormente,
corresponde a otro proyecto. Es la otra mitad que hace falta para completar el sistema
inteligente en un hogar.
Sistema domótico para una casa inteligente
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19
Memoria
Introducción
1.4 METODOLOGÍA
Se ha definido una arquitectura posible del sistema domótico en la figura 1.7.
Consiste en cuatro sistemas, que son enlazados entre sí por el maestro central, y a su vez
el maestro central se comunica con el sistema gestor de energía que no se incluye aquí.
Se
ha
definido
cada
elemento de cada sistema por
separado y su interacción con el
resto
de
elementos;
para
los
sensores de luminosidad se debe
establecer el sensor a usar y la
interacción
con
la
tarjeta
controladora. Una vez se haya
logrado, se puede pasar a definir el
siguiente
elemento
de
esta
todos
los
arquitectura.
Una
vez
elementos hayan sido definidos, el
siguiente paso es juntarlos todos en
la misma red mediante las tarjetas
controladoras y un software que
los configure de manera automática.
A
continuación
se
Figura 1.6: Arquitectura posible del sistema domótico
definió
la
arquitectura del sistema completo, como se
puede ver en la figura 1.7. Los sistemas
situados en el nivel bajo van separados, pero
coordinados por el mismo dispositivo, el
maestro central. El maestro se comunicará
con el PC, de modo que el usuario pueda
controlar el sistema completo, almacenándose
los datos en una base de datos accesible por
la interfaz de control.
Sistema domótico para una casa inteligente
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Figura 1.7: Arquitectura general del sistema
20
Memoria
Introducción
Y como último paso se especificó la
interfaz de control y la base de datos a usar.
La interfaz debe ser entendible por el usuario
para que pueda gestionar su hogar con la
mayor facilidad posible. La información
sobre los aspectos de la casa es recogida por
los sensores para mostrarla en pantalla, y
también existen controladores para accionar
los
actuadores
habitación
correspondientes
seleccionada
con
una
en
la
lista
Figura 1.8: Interfaz de control
desplegable.
Finalmente, debido a que este proyecto tiene como objetivo incorporar sensores
y actuadores en una red inteligente, no es necesario implementar en el proyecto todos
los definidos en la figura 1.6. Por lo tanto se han implementado los sensores y
actuadores que requieren un circuito de acondicionamiento simple en este proyecto para
comprobar su integración en la red y el control llevado a cabo para manejar estos
dispositivos. En el siguiente apartado se especifican los sensores y actuadores que
implementados en este proyecto.
1.5 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS
Los recursos usados para llevar a cabo este proyecto se pueden clasificar en
cuatro grandes grupos: sensores, actuadores, tarjetas controladoras y software:
Sensores
•
•
•
•
Sensor de luz (fotorresistencia).
Sensor de temperatura (NTC).
Sensor de movimiento/presencia (PIR).
Sensor de humedad (condensador variable).
Actuadores
•
•
Relés lacheados y no-lacheados para accionar sistemas automatizados como las
persianas eléctricas o el riego del jardín.
Luz personalizada – LEDs tricolores o RGB.
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21
Memoria
Introducción
Tarjetas controladoras
•
•
•
•
•
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 y/o dsPIC33FJ128MC802.
Módulo de radiofrecuencia MRF24J40 (2.4GHz) de protocolo MiWi.
Módulo de radiofrecuencia MRF24WG0 (2.4 GHz) de protocolo WiFi.
Estaño, soldador y mordaza para soldar componentes a las tarjetas.
Otros componentes (alimentación, bobinas, condensadores, resistencias, etc.).
Software
•
•
•
•
•
•
Compilador MPLAB C30 IDE para programar en C.
Diseñador PCB CadSoft Eagle para elaborar circuitos impresos.
ZENA Network Analyzer para depurar la comunicación MiWi.
ERwin Data Modeller y DBManager para la creación y gestión de la base de
datos MySQL, usando ODBC para enlazar programas a la base de datos.
Qt Designer para el diseño de la interfaz de control.
Microsoft Visual Studio 2010 para la comunicación WiFi, para programar la
interfaz de control y para la escritura y lectura de datos en la base de datos.
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22
Memoria
Capítulo 2
Arquitectura del sistema domótico
ARQUITECTURA DEL SISTEMA DOMÓTICO
En este capítulo se expone la arquitectura general que se ha desarrollado en este
proyecto: el sistema de control, el sistema de gestor de energía, la interfaz de control del
PC y la interacción entre ellos.
2.1 ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA
Este sistema se compone de varios elementos que controlan ciertos aspectos del
entorno doméstico. Es importante que las órdenes de control vengan de un elemento en
particular que esté en lo alto de la estructura. Por lo tanto, se ha desarrollado la siguiente
estructura:
Figura 2.1: Arquitectura general del sistema inteligente
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23
Memoria
Arquitectura del sistema domótico
Los elementos físicos del sistema domótico se encuentran en el nivel más bajo,
que son los sensores y actuadores, tal y como se ha expuesto anteriormente en la figura
1.6. Como ya se ha mencionado anteriormente, este proyecto no trata de desarrollar el
sistema de control energético, sino interactuar con él. Estos dos sistemas están
coordinados por un maestro central, que está en un nivel medio. Es un dispositivo clave
que actúa como puente entre el nivel bajo y el nivel alto del sistema, la interfaz de
control.
Sin embargo, como ya se mencionó anteriormente, en este proyecto no se van a
usar todos los sensores y actuadores ilustrados en la figura 1.6 debido a la complejidad
del algoritmo de control y de los protocolos de comunicación que ya presenta de por sí
el sistema inteligente.
La interfaz de control es la que se encarga de controlar el sistema entero. Manda
peticiones periódicas de datos y medidas a los dispositivos del sistema domótico y del
sistema energético para almacenarlos en la base de datos. Cuando el usuario lo desee,
puede controlar él mismo el sistema a través de la interfaz de control y puede pedirle
datos y medidas del sistema a la interfaz de control, que se las pasará directamente de la
base de datos.
Por ello, para facilitar la experiencia al usuario, la interfaz de control debe ser
fácil de manejar, lo cual garantiza un control eficaz y sencillo del sistema. Por otro lado,
es necesario un protocolo de comunicación robusto, de bajo coste y de bajo consumo.
En el capítulo 3 se explicará el protocolo de comunicación MiWi que siguen los
elementos del sistema inteligente que se encuentran en el nivel más bajo, y en el
capítulo 5 se verá el protocolo de comunicación WiFi que sigue el resto del sistema.
2.2 EJEMPLO EN UN HOGAR
Uno de los factores más importantes en un sistema domótico es la colocación de
los dispositivos en el hogar: los dispositivos controladores, el PC controlador, los
sensores, los actuadores, etc. Hay que tener en cuenta lo que necesita cada habitación y
lugar del hogar para determinar los sensores que debe haber en cada sitio del hogar, sin
olvidarse de la distancia entre dispositivos para no perjudicar la comunicación
inalámbrica. En la figura 2.2 se puede ver un ejemplo completo de cómo se puede
Sistema domótico para una casa inteligente
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24
Memoria
Arquitectura del sistema domótico
organizar y estructurar un sistema inteligente en un hogar, con sus correspondientes
elementos de domótica y elementos de gestión de energía:
Figura 2.2: Ejemplo de un plano de una casa inteligente, adaptado de [9]
En este ejemplo también se han incluido los dispositivos de control energético,
aunque no se desarrollen en este proyecto. Sin embargo, es necesario saber que los
dispositivos de control energético se han posicionado fundamentalmente para medir y
regular la corriente de algunos electrodomésticos. Como puede verse, lo más eficaz es
situar los elementos de control de más alto nivel a la entrada del hogar, ya que supone
una comodidad el gestionar la casa una vez se entre o se salga de ella. El maestro central
conviene colocarlo lo más centrado posible. En este caso se ha colocado también en el
recibidor.
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25
Memoria
Arquitectura del sistema domótico
Se han colocado diez dispositivos controladores domóticos por toda la casa para
poder gestionarla de forma eficaz. En general, un sensor de temperatura en cada
dispositivo es útil para monitorizar la temperatura en toda la casa. En la cocina sería
imprescindible un sensor de humo para notificar un posible incendio y un sensor de
humedad en el suelo para comprobar que no hay fugas de agua. En el recibidor-pasillo
es fundamental un sensor de presencia para mejorar la seguridad del hogar. En el salón,
dado su tamaño, es posible la utilización de dos dispositivos, ya que uno puede iluminar
el salón con LEDs RGB y el otro puede manejar las persianas eléctricas. En cada baño
se puede instalar también un sensor de humedad para controlar que no haya fugas de
agua. Finalmente, en las habitaciones se puede tener sensores de luz, controladores para
las persianas eléctricas y reguladores de carga para la luz (este último perteneciente a
los dispositivos de control energético) para mantener el nivel de luz constante en las
habitaciones automáticamente de forma óptima.
Este ejemplo cubre todos los aspectos generales de un sistema domótico
genérico. En los siguientes capítulos se va a detallar cada uno de estos aspectos relativos
a este proyecto, comenzando por el protocolo de comunicación en el siguiente capítulo.
Sistema domótico para una casa inteligente
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26
Memoria
Comunicación del sistema domótico
Capítulo 3
COMUNICACIÓN DEL SISTEMA DOMÓTICO
En este capítulo se expone uno de los elementos fundamentales de un sistema
domótico: el sistema de comunicación inalámbrica del sistema domótico. Su papel es
transmitir la información relevante acerca del entorno doméstico y las órdenes
procedentes de la interfaz de control.
3.1 PROTOCOLO MIWI – MICROCHIP WIRELESS
Este es el protocolo de comunicación escogido para el sistema domótico de este
proyecto. Es un protocolo de código libre de Microchip Technology Inc., aunque sólo se
puede usar en ciertos dispositivos de la misma empresa (en el capítulo 4 se verán los
dispositivos usados con este protocolo en este proyecto). Está basado en el protocolo de
comunicación inalámbrica ZigBee (que a su vez está basado en estándar IEEE 802.15.4,
especificación del Low Rate Wireless Personal Area Network). El protocolo MiWi se
caracteriza por lo siguiente [10]:
•
•
•
•
Bajo coste
Bajo alcance
Bajo caudal de datos
Bajo consumo de potencia
Debido a estas propiedades, el protocolo
es adecuado para aplicaciones domóticas. En los
siguientes apartados se estudiará detalladamente
el funcionamiento general de los dispositivos que
operan con el protocolo MiWi.
Figura 3.1: Logos de ZigBee y Miwi [10]
3.2 ESTRUCTURA Y DISPOSITIVOS DE LA RED MIWI
Las redes formadas por este protocolo están compuestas por 4 tipos de
dispositivos en una topología de red mallada [11]:
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27
Memoria
•
•
•
Comunicación del sistema domótico
Maestro Central / PAN Coordinator: se encarga de formar la red y de asignar
direcciones a los dispositivos que se conecten a la red.
Coordinador / Coordinator:
se puede usar para extender el
alcance de la red o bien para
cumplir funciones domóticas.
Esclavo / End Device: cumple
funciones domóticas. Puede
ser FFD (full function device)
o bien RFD (reduced function
device). Lo segundo implica
que
el
transmisor
del
dispositivo no tenga que estar
encendido
siempre
para
ahorrar potencia.
Figura 3.2: Topología en malla de una red MiWi [11]
3.3 DIRECCIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Una vez que el maestro haya establecido la red, este asignará una dirección
dinámica (Short Address, de 4 bytes) a los dispositivos que se conecten. Sin embargo, es
mejor identificar los dispositivos por dirección propia, física, permanente y única (EUI
– Extended Unique Identifier, de 8 bytes), ya que la dirección dinámica puede ser
distinta en distintos casos. En caso de que un dispositivo que se esté conectando a la red
detecte a un coordinador de la
red pero no al maestro de la
red, entonces el coordinador
de la red le asignará esa
dirección al dispositivo. En el
ejemplo a la derecha se puede
observar la mecánica que hay
detrás
de
las
dinámicas [11].
direcciones
Figura 3.3: Asignación del short Address en una red MiWi [11]
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28
Memoria
Comunicación del sistema domótico
3.4 CREACIÓN DE LA RED E INTEGRACIÓN DE DISPOSITIVOS
Con el protocolo MiWi, un dispositivo puede ser configurado para ser el maestro
de una red, o para conectarse a una red ya establecida. Esta red se crea en un canal de la
banda de los 2.4GHz. Se pueden establecer una red en 16 canales con distinta
frecuencia. Dentro del mismo canal, es posible crear hasta 65536 redes y cada red lleva
su identificador – un número de 4 bytes (denominada PANID).
Un dispositivo que busque una red manda peticiones de baliza constantemente a
un canal. Una vez que una petición sea recibida por maestro/coordinador enviara una
baliza, que contiene la información de la red y del emisor, ya que varios dispositivos en
una red podrían ser capaces de integrar un dispositivo nuevo a la red. Una vez lleguen
esas balizas al dispositivo que desea conectarse, éste decide a qué dispositivo asociarse
y manda una petición de asociación. Después de un tiempo predefinido, el dispositivo
inicial manda un comando de
petición de datos para recibir la
respuesta de asociación desde el
otro
lado
Finalmente
de
la
el
conexión.
dispositivo
perteneciente a la red integra al
otro
dispositivo
a
la
red,
asignándole una short address.
Este
procedimiento
(handshaking) se muestra en la
[12]:
Figura 3.4: Procedimiento de handshaking en una red MiWi [12]
3.5 ENVÍO Y RECEPCIÓN DE MENSAJES
Una vez se haya formado una red, lo siguiente que hay que tener en cuenta es
cómo enviar mensajes por la red. Cualquier dispositivo que sea miembro de una red de
protocolo MiWi usará su short address para comunicarse con el resto de la red. Esta
dirección corta ayuda a otros dispositivos de la misma red a determinar el paradero del
remitente y cómo dirigirse a él. [11]
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29
Memoria
Comunicación del sistema domótico
Los mensajes se codifican con el algoritmo de seguridad XTEA (versión
modificada del TEA – Tiny Encryption Algorithm), algoritmo público que se puede
encontrar fácilmente en internet, aunque no se conoce su debilidad por el momento. Fue
escogido con un compromiso entre memoria ocupada y nivel de seguridad. [13]
Los mensajes están formados por dos partes: la cabecera y el contenido. La
cabecera del mensaje contiene la información necesaria para saber de qué red proviene
el mensaje enviado, la short address del remitente y la short address del destinatario. Si
un dispositivo recibe este mensaje pero no es el destinatario, lo reenvía, ya que por
problemas de alcance es posible que un dispositivo A no alcance al B pero sí al C que sí
puede alcanzar al B. El contenido del mensaje contiene la información que se pretendía
enviar, y esto es lo que se debe procesar si es el destinatario quien lo recibe. [11]
Hay veces que un mensaje no llega a su destino, que ocurre con una probabilidad
muy baja; pero existe un método de confirmación de recepción (acknowledgement ACK) para saber si el mensaje ha llegado a su destino. Si el dispositivo emisor del
mensaje no ha recibido el acknowledgement después de un tiempo predefinido (timeout)
entonces enviará el mensaje de nuevo. Si lo ha intentado 3 veces sin éxito declarará un
error. Nótese que este es un método que verifica si el mensaje se ha enviado
correctamente, pero no verifica si el contenido no ha sido modificado por error. Para
ello existe la comprobación de redundancia cíclica (CRC) que añade datos a la cabecera
que guardan relación con el contenido del mensaje. Si esta relación no se cumple una
vez recibido el mensaje, se mandará una petición de reenvío. [11]
Los dispositivos tienen un buffer para la transmisión y para la recepción (TX
buffer y RX buffer respectivamente). El TX buffer almacena bytes como contenido del
mensaje que se desea enviar, y cuando se esté ejecutando el comando de emisión, se le
añade la información correspondiente a la cabecera, se envía el buffer al destino
deseado y luego se limpia. El RX buffer recibe lo que en su momento estaba en el TX
buffer de otro dispositivo. Una vez se haya procesado el mensaje recibido se limpia el
RX buffer. Estos buffers son útiles ya que los dispositivos pueden estar ocupados y no
pueden atender a la recepción o la emisión del mensaje en un momento dado. [11]
También existe un método global de envío de mensajes que se denomina
broadcast. Se trata de mandar un mensaje a todos los dispositivos que se encuentren en
la red. Es un método útil para hacer llegar un mensaje general a todos los dispositivos
de la red.
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30
Memoria
Comunicación del sistema domótico
3.6 PROPAGACIÓN Y REENVÍO DE MENSAJES
Para guiar un mensaje en una red inalámbrica puede requerir procesos
laboriosos. El protocolo MiWi resuelve este problema con un método que guía los
mensajes (routing), tal y como se puede resumir en la siguiente figura:
Figura 3.5: Procedimiento de routing de mensajes en una red MiWi [11]
Este árbol de decisión representa el mecanismo que sigue un mensaje cuando es
recibido por un dispositivo distinto al destinatario. Esto también puede ocurrir por
razones de alcance. En el caso de que un mensaje recibido sea un broadcast, el
dispositivo hace un re-broadcast para asegurarse de que llegue el mensaje a todos los
dispositivos de la red. Si un dispositivo recibe un mensaje duplicado por broadcast,
ignorará las duplicaciones.
En la primera condición del árbol de decisión se pregunta si se conoce al
dispositivo directamente. Un dispositivo A conoce a otro B directamente si:
•
•
A ha sido integrado a la red por B, o viceversa
A ha recibido un mensaje por parte de B, o viceversa
Si se observa la figura 3.3 de nuevo, se puede ver que antes de mandar mensaje
alguno, el dispositivo A no conoce a los dispositivos E, F y G (y viceversa). Una vez el
dispositivo A mande un mensaje al dispositivo E, mandará un mensaje al C, que es
quien integró al dispositivo E a la red; tal y como aparece en la segunda pregunta del
árbol de decisión de la figura 3.5. Finalmente el dispositivo C le reenviará el mensaje al
dispositivo E, entonces E conoce directamente a A. Una vez E mande el
acknowledgement al dispositivo A, el dispositivo A conoce directamente a E. [11]
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31
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Comunicación del sistema domótico
3.7 FLUJOGRAMA DE OPERACIÓN MIWI
El flujograma de operación de un dispositivo que opera con el protocolo de
comunicación inalámbrica MiWi se puede ilustrar en la siguiente figura:
Figura 3.6: Flujograma de operación que sigue un dispositivo que funciona con MiWi [11]
El dispositivo primero debe inicializar la pila y el hardware para preparar las
comunicaciones. Después, establece la conexión con la red de una manera o de otra; es
decir, si está configurado para ser maestro pues crea la red, si no, busca al maestro o a
los coordinadores hasta que le manden una baliza para establecer la conexión e
integrarse a la red. [11]
Una vez el dispositivo sea parte de una red, entra en un bucle infinito en el que
se comprueba siempre si hay un paquete en su RX buffer o si debe enviar un mensaje; y
actúa en consecuencia. El protocolo está configurado de tal manera que no se pueda
recibir a la vez que se envía, por lo tanto hay que tener esto en cuenta una vez se
modifique el protocolo para adaptarlo a la aplicación que se desee; en este caso, en una
aplicación para crear un sistema domótico para una casa inteligente. En el siguiente
apartado se expondrán las modificaciones que se han implementado en este protocolo.
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Memoria
Comunicación del sistema domótico
3.8 MODIFICACIONES REALIZADAS EN EL PROTOCOLO MIWI
Se han implementado varios cambios con el fin de facilitar la programación y
mejorar las características del protocolo MiWi. En primer lugar, se han implementado
dos modos nuevos de conexión para los dispositivos que deseen integrarse a la red, que
son una versión modificada del modo existente:
1. El dispositivo manda peticiones de baliza a cierto canal de frecuencia con cierta
identificación (PANID) y se conecta al dispositivo que le mande una baliza.
2. Igual que el anterior, pero sólo aceptará la baliza si proviene de un dispositivo
(maestro o coordinador) con un cierto short address predefinido.
El modo 2 ha sido creado para aumentar el alcance de la red de manera más
eficaz, de modo que se puede fijar la short address de todos los dispositivos si se
controla el orden en el que estos dispositivos se encienden; lo cual es útil para saber a
qué short address hay que mandar un mensaje para que llegue a cierto dispositivo. La
desventaja de este es que requiere fijar el orden de conexión de los dispositivos.
Para facilitar la configuración del EUI de cada dispositivo, se definió una
variable accesible que se añade al byte menos significativo (LSB) de esta dirección
permanente (que tiene 8 bytes en total), la cual se ha definido como micro. Para
micro=0x00 se tiene un EUI de 0x1122334455667701. Después, se ha creado una
tabla de direcciones o hashtable que relaciona la variable micro de cada dispositivo
con su respectivo short address, de modo que se pueda saber a qué short address
(definida en el protocolo MiWi como myShortAddress) mandar un mensaje para
que llegue a cierto dispositivo (distinguido por la variable micro). En la siguiente
figura se puede observar un ejemplo:
myShortAddress
micro
MSB
LSB
1
0x01
0x00
2
0x02
0x00
3
0x01
0x02
4
0x01
0x03
Figura 3.7: Ejemplo del hashtable con la configuración de la red del protocolo MiWi modificado
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Comunicación del sistema domótico
Con el hashtable no es necesario el modo 2 de conexión para poder relacionar
cada dispositivo con su respectivo short address dentro de la red. El hashtable podría
tener una fila más relacionada al maestro central, pero es redundante ya que se sabe que
el maestro tendrá micro 0 y myShortAddress 0x0000. Cuando los demás
dispositivos se integran a la red, estos le mandan un mensaje al maestro central con su
respectiva fila del hashtable, es decir, su micro y su myShortAddress. Una vez
haya pasado un tiempo predefinido, el maestro mandará el hashtable que tiene al resto
de los dispositivos para que también lo tengan.
Debido al requisito de predefinir varias variables para configurar la red, se ha
creado un archivo cabecera parameters.h en el que se encuentran todas las
constantes que definen la red y el dispositivo; de modo que resulte más fácil configurar
a la red y a los dispositivos. Las constantes que hay en este archivo son las siguientes:
Constante
Descripción
Restricciones
Distingue a cada dispositivo, se
MI_DIR_ZIGBEE (micro)
añade el valor de este al último
Distinta en cada dispositivo
byte del EUI de cada dispositivo
MI_CHANNEL
La frecuencia de la red que se
quiere establecer o unirse
MI_PAN_ID
La identificación de la red que
se quiere establecer o unirse
NUM_DISPOSITIVOS
El número de dispositivos que
hay previsto en toda la red
TAM_MENS
El tamaño máximo en bytes que
puede contener un mensaje
ANNOUNCE_HASHTABLE_TIME
El tiempo que el maestro espera
a anunciar el hashtable (ms)
MI_MODO
ID_MI_MAESTRO_MSB
ID_MI_MAESTRO_LSB
Igual en cada dispositivo
Igual en cada dispositivo
Igual en cada dispositivo
Igual en cada dispositivo
Ninguna
Modo de conexión (1,2)
Ninguna
El MSB del maestro/coordinador
El maestro/coordinador de la red
asociado al modo 2
debe tener esta short address
El LSB del maestro/coordinador
El maestro/coordinador de la red
asociado al modo 2
debe tener esta short address
Figura 3.8: Constantes relacionadas con el protocolo definidas en el archivo parameters.h
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34
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Comunicación del sistema domótico
Otro elemento importante es definir un protocolo de mensajes robusto. En este
archivo cabecera también se definieron constantes relacionadas al tipo de mensaje o
instrucción que se envía o se recibe. A continuación se expone el formato de los
mensajes mandados en este protocolo:
Cabecera propia del
Número de bytes N del
Instrucción
Contenido adicional del mensaje
protocolo original
mensaje (1 byte)
(1 byte)
(38 bytes máximo)
Figura 3.9: Formato de los mensajes transmitidos en el protocolo modificado
La cabecera propia del protocolo original contiene información como el
destinatario del mensaje, la petición de confirmación (ACK), la comprobación por
redundancia cíclica (CRC), etc. El número N de bytes es igual a la longitud del
contenido adicional del mensaje mas uno, el byte de la instrucción del mensaje. Este
número es necesario para saber cuántos bytes se deben interpretar. El byte más
importante es el de la instrucción, pues indica al dispositivo cómo debe interpretar este
mensaje. Los distintos tipos de instrucción se exponen a continuación, con su contenido
adicional asociado:
INST_HASHTABLE_UPDATE
3 bytes: el byte de la variable micro y los dos bytes del
myShortAddress del emisor (para rellenar la hashtable).
INST_PEDIR_MEDIDAS_DOM
0 bytes adicionales, sólo indica al dispositivo que debe mandar
lecturas de los sensores conectados a él (siguiente instrucción).
12 bytes: El dispositivo emisor informa sobre el estado y la medida de
INST_MEDIDAS_DOMOTICAS
sus sensores de temperatura, humedad, luz y presencia, formando 4
grupos de 3 bytes para informar sobre ello.
INST_PEDIR_ESTADO_RGBS
0 bytes adicionales, el dispositivo receptor debe mandar el estado de
los LEDs conectados a él (siguiente instrucción).
5 bytes: el primero indica qué LEDs tiene habilitados el dispositivo emisor, el
INST_ESTADO_RGBS
segundo indica la potencia del LED en general (%) y los últimos 3 indican la
intensidad (%) de cada color del LED tricolor (rojo, verde y azul)
5 bytes: el primero indica qué LEDs debe encender el dispositivo receptor, y los últimos 4
INST_LUZ
son los niveles de potencia general, rojo, verde y azul que debe establecer en los LEDs.
INST_RELE
1 byte, que indica qué relés debe excitar el dispositivo receptor del mensaje.
Figura 3.10: Distintos tipos de instrucción transmitidos en el sistema domótico
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35
Memoria
Comunicación del sistema domótico
En las instrucciones INST_MEDIDAS_DOMOTICAS e INST_ESTADO_RGBS
se incluye también la variable micro del dispositivo ya que le ahorra al maestro central
la tarea de mirar esta variable en su hashtable, de modo que el maestro central reenviará
el mensaje por WiFi al PC sin tener que procesarlo (ver capítulo 5).
Finalmente, se ha modificado el temporizador o timer por dos razones. La
primera es que usaba dos timers en vez de uno y dejaba solo un timer disponible para
las aplicaciones domóticas de este proyecto, dificultando la coordinación entre ciertas
tareas. Por ello, este protocolo solo usará un timer. La desventaja de ello es que la
cuenta del timer rebosaría antes, por lo tanto el registro asociado que cuenta las veces
que el timer rebosa contaría mucho más rápido que antes y llegaría al límite demasiado
pronto. Debido a ello, se ha aumentado la frecuencia del timer en un 1000%
aproximadamente.
La segunda razón por la que se ha modificado el timer es porque el registro
asociado tenía un número de bytes que, sin modificar el timer, llegaba a su fin en
aproximadamente 2 horas después de su conexión a la red (cuando llega a su fin vuelve
a contar desde 0); y como el protocolo cuenta tiempo por referencias, si establece una
referencia en 1:45 para contar media hora, no va a llegar nunca ya que pasado la media
hora el registro estará en 0:15 y la diferencia sería de -90 minutos. Se le han añadido 4
bytes más a este registro; y con la frecuencia del timer 10 veces más rápido ahora podrá
contar hasta más de 100 años sin volver a contar desde 0.
Realizados todas estas modificaciones, el protocolo es ahora más robusto y más
fácil de manejar, facilitando la comunicación entre dispositivos de la red interna MiWi y
también la comunicación entre la red MiWi y el PC para controlar los dispositivos
desde la interfaz de control. En el capítulo 5 se verá el protocolo de comunicación usado
para enlazar el resto del sistema con la red MiWi.
Explicado ya las características fundamentales del protocolo de comunicación
del sistema domótico, en el siguiente capítulo, se verán los distintos dispositivos que
van a operar con el protocolo MiWi.
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36
Memoria
Dispositivos remotos
Capítulo 4
DISPOSITIVOS REMOTOS
En este capítulo se verá el hardware desarrollado y usado en este proyecto: las
tarjetas controladoras, el microprocesador, el módulo de radiofrecuencia, los sensores y
los actuadores.
4.1 TARJETAS CONTROLADORAS
Las tarjetas controladoras o de control han sido diseñadas con el programa de
CAD CadSoft Eagle 6.1. Algunas de estas tarjetas se pueden alimentar con pilas; por
ello, se pueden colocar en cualquier lugar de la casa sin tener que pasar un cable de
alimentación desde un enchufe, lo cual resulta útil para ciertos sensores como los de
presencia. Se han diseñado en este proyecto cuatro tarjetas que sirven propósitos
distintos:
•
TCD: Tarjeta de Control Domótico
•
TCI-F: Tarjeta de Control de Iluminación – Foco
•
TCI-4F: Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases
•
TCA: Tarjeta de Control de Actuadores
Estas tarjetas se colocarían en distintos lugares de la casa, como se puede ver en
la figura 2.2. La tarjeta que representa el maestro central (TCC) se verá en el capítulo 5;
Cada tarjeta viene con un microprocesador y un módulo de radiofrecuencia que se verán
en los apartados 4.2 y 4.3 respectivamente.
A continuación se expondrán las
características principales de cada tarjeta.
4.1.1 TCD: TARJETA DE CONTROL DOMÓTICO
Esta tarjeta fue la primera que se diseñó y por ello es la tarjeta de propósito
general de este proyecto. Las otras 3 tarjetas fueron diseñadas posteriormente ya que
ciertos actuadores requerían una serie de componentes que ocupan un espacio
considerable, como los relés de la TCA.
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37
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Dispositivos remotos
Esta tarjeta se alimenta a 12V, por lo tanto se puede alimentar con pilas. Tiene
dos estabilizadores de tensión cuyas tensiones de salida son 5V y 3.3V. Estas tensiones
de salida son adecuadas para
la gran mayoría de sensores y
G
actuadores que hay en el
D
mercado.
Los
sensores
y
A
actuadores que se deseen
conectar
a
la
tarjeta
E
se
B
conectan en los pines que van
de 3 en 3 en la parte superior
y en la izquierda de la tarjeta.
Son
3
pines
para
C
cada
sensor/actuador ya que uno
F
I
H
está a 3.3V o 5V (mediante
un jumper se selecciona), otro
está a 0V y el tercero está
conectado al microprocesador.
Figura 4.1: TCD: Tarjeta de Control Domótico
En concreto, los pines en el recuadro A y B son los que entran al conversor
analógico-digital del microprocesador. Estos pines del microprocesador son capaces de
medir tensión, de 0 a la tensión de alimentación (en este caso es 3.3V). Se han separado
en dos grupos distintos ya que tienen una alimentación distinta. Con los pines verdes se
puede establecer una tensión de 3.3V o de 5V mediante un jumper. En el recuadro C se
encuentran los pines asociados al periférico de control de motores del microprocesador.
Asimismo, en el recuadro D se pueden conectar sensores digitales para que, con el
selector rojo de la parte superior izquierda de la tarjeta, tengan una resistencia pulldown. En el recuadro E se encuentran pines de funciones reducidas que se pueden usar
para establecer o leer tensiones de 0V, 3.3V o de 5V solamente (como el resto de los
pines). Adicionalmente, en la esquina inferior izquierda se han dispuesto varios pines
para poder gestionar un encoder (recuadro F).
Se puede apreciar en la figura 4.1 el microprocesador y el módulo de
radiofrecuencia, ambos de Microchip Technology Inc. El espacio que existe entre el
módulo de RF y el resto del circuito es necesario para no interferir en las
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38
Memoria
Dispositivos remotos
comunicaciones del dispositivo. También hay un conector blanco de tres pines
(recuadro I) debajo que sirve para comunicación I2C (Inter-Integrated Circuit) con otras
tarjetas. El conector blanco que está a la derecha del conector I2C (recuadro H) es por
donde se alimenta la tarjeta a 12V. El circuito estabilizador de tensión se encuentra
encima del módulo de radiofrecuencia, delimitado por dos bobinas (de color cobre). Por
si fuera necesario, se han colocado varios pines a 5V y a 3.3V (recuadro G) con sus
respectivos pines a tierra encima del circuito estabilizador de tensión.
En definitiva, esta tarjeta es capaz de gestionar y controlar una gran variedad de
sensores y actuadores adecuados para aplicaciones domóticas. A continuación se
expondrá las características de las otras tres tarjetas, que no son de propósito general.
4.1.2 TCI-F: TARJETA DE ILUMINACIÓN - FOCO
Esta tarjeta ha sido diseñada para gestionar
LEDs RGB (véase 4.6.2), y por ello se alimenta a
220V en corriente alterna (se puede apreciar el
D
transformador, que es el componente grande rojo),
para
poder
proporcionar
una
corriente
lo
suficientemente alta al LED para poder iluminar
gran parte de una habitación.
Esta tarjeta también dispone de un conector
I2C y está diseñada para también soldarle (recuadro
D) un sensor de temperatura NTC (véase 4.5.3). En
la parte inferior de la tarjeta se puede apreciar los
tres transistores asociados a cada LED.
A
B
C
Figura 4.2: TCI-F: Tarjeta de Control de Iluminación - Foco
En el recuadro A se encuentra el conector de 4 pines para enchufar a un LED
RGB. Hay un pin a 3.3V y los 3 restantes son los pines asociados a cada color del LED.
Por si fuera necesario, existen 2 pines de 3.3V con sus pines asociados a tierra (recuadro
B). La entrada a 220V se encuentra en el recuadro C. Entre los recuadros B y C se
encuentra el conector de 3 pines de comunicación I2C, como en la tarjeta TCD.
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39
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Dispositivos remotos
4.1.3 TCI-4F: TARJETA DE ILUMINACIÓN – 4 FASES
Esta tarjeta ha sido diseñada para
gestionar varias tiras de LEDs RGB (véase
A
4.6.2), aunque de menor calibre que el de la
tarjeta anterior. En total se pueden acoplar 4
D
circuitos de LEDs RGB distintos, haciendo un
total de 12 transistores requeridos para ello.
A diferencia de la tarjeta anterior, esta
se alimenta a 12V y alimenta a los LEDs RGB
a 12V también; mientras que la tarjeta anterior
alimentaba su LED RGB asociado a 3.3V. En
el caso de este proyecto se han conectado tiras
C
B
de LEDs RGB de 15 cada una a cada fase. Las
4 fases se señalan en los recuadros A y B. Figura 4.3: TCI-4F: Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases
El conector de alimentación se encuentra en el recuadro C, y también esta tarjeta
dispone de pines a 3.3V (recuadro D). Asimismo, el conector de comunicación I2C está
presente en esta tarjeta también; y se encuentra entre los recuadros B y C.
4.1.4 TCA: TARJETA DE CONTROL DE ACTUADORES
Para el control de actuadores se ha
diseñado esta tarjeta que es capaz de
gestionar relés ya que viene equipada con el
B
circuito de acondicionamiento necesario
para
ello.
Esta
tarjeta
también
está
alimentada a 220V. Se pueden conectar a la
derecha
de
los
relés
(recuadro
A),
A
dispositivos como el riego de un jardín o una
Figura 4.4: TCA: Tarjeta de Control de Actuadores
persiana eléctrica (ver figura 4.19).
En el recuadro B se encuentra el conector de alimentación a 220V en corriente
alterna.
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40
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Dispositivos remotos
4.2 MICROPROCESADOR DSPIC33FJ32MC202
Este microprocesador de la empresa Microchip Technology Inc. es el
controlador del sistema domótico escogido en este proyecto. En él se programa el
algoritmo de control para controlar los actuadores y para tomar lecturas de los sensores.
Este microprocesador tiene programado un driver del protocolo de comunicación MiWi
de Microchip Technology Inc., el cual está programado para que funcione con
dispositivos de la misma empresa.
Las características importantes de este microprocesador para este proyecto son
las siguientes [27]:
•
Alimentación necesaria de 3.3V o 5V. La tensión de alimentación fija la tensión
de los pines de salida digitales al mismo nivel de tensión de alimentación y
limita la máxima tensión para los pines de entrada digitales y analógicos al
mismo nivel de tensión de alimentación.
•
28 pines, de los cuales 21 se pueden usar como salida o entrada digital y entre
estos 6 pueden usarse como entrada analógica mediante el conversor analógicodigital. Este conversor es capaz de medir el voltaje de entrada en un pin del
microprocesador con una resolución de aproximadamente 0.1% de la tensión de
alimentación.
•
3 timers de 16 bits, de los cuales uno es necesario para el protocolo MiWi,
dejando dos para otras tareas temporales.
•
Un módulo SPI (Serial Peripheral Interface), un estándar de comunicaciones
necesario para transferir información desde el microprocesador hasta el módulo
de radiofrecuencia y viceversa.
•
Límite de intensidad de salida de 200mA; un importante factor a tener en cuenta
para la conexión de actuadores al micro.
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Dispositivos remotos
4.3 MÓDULO DE RADIOFRECUENCIA MIWI
Este dispositivo, que es también propiedad de Microchip Technology Inc. se
encarga de transferir información entre microprocesadores usando el protocolo de
comunicación MiWi [28]. Transmite a 2.4GHz con un caudal de datos máximo de
250Kbps y se alimenta a 3.3V. Para la aplicación de este proyecto, es necesario conectar
entre el microprocesador y el módulo de RF cuatro pines de datos (gestionados por el
módulo SPI), aparte del pin de reset, el de alimentación y el de tierra. En la siguiente
figura se muestra un ejemplo de qué pines se podrían conectar entre sí. En dicho
ejemplo, se requieren solamente 4 pines de datos, además de la alimentación, el reset y
la tierra.
Figura 4.5: Posible interconexión entre ambos dispositivos para el funcionamiento del protocolo MiWi
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4.4 ARQUITECTURA DEL ALGORITMO DE CONTROL
El microprocesador sigue un bucle cerrado una vez haya creado la red o se haya
integrado a ella. El siguiente esquema explica detalladamente cómo funciona el
algoritmo de control programado en los microprocesadores:
Inicialización del
hardware y del
protocolo MiWi
Creación de la red
o integración del
dispositivo a la red
Enviar el mensaje
almacenado antes
debido a una tarea
anterior
¿Se ha
recibido un
mensaje?
¿Se debe
transmitir un
mensaje?
Procesar el
mensaje recibido e
interpretar la
petición recibida
No
Sí
No
Sí
No
¿Se debe
ejecutar una tarea
temporal?
Ejecutar la orden
recibida y/o cargar
un mensaje de
respuesta
Sí
Ejecutar la tarea y
cargar un mensaje
de respuesta si
fuera necesario
Figura 4.6: Diagrama de flujo del algoritmo de control de los microprocesadores
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43
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4.5 SENSORES
En este apartado se expondrán los sensores que se han usado en este proyecto y
su calibración. Es importante tener en cuenta las variables que se deseen medir para
escoger el tipo de sensores que se deben implementar en este proyecto:
•
Nivel de luz – Sensor de luminosidad
•
Nivel de humedad – Sensor de humedad
•
Nivel de temperatura – Sensor de temperatura
•
Detección de presencia – Sensor de presencia
4.5.1 SENSOR DE LUMINOSIDAD
Para aplicaciones domóticas existen 3 tipos de sensores de luminosidad (o
sensores fotoeléctricos) adecuados:
•
Fotodiodo: es un diodo sensible a la luz infrarroja y a la luz visible. Cuando sea
excitado por la luz incidente conducirá una cantidad de corriente proporcional a
la intensidad de la luz que incide sobre el diodo.
•
Fototransistor: es un transistor que también es sensible
a la luz infrarroja y a la luz visible. Es más sensible que
el fotodiodo debido a la ganancia propia del transistor.
Funciona de la misma manera que un transistor normal
al que se le ha conectado un fotodiodo entre su base y
su colector, tal y como se puede ver en la figura 4.7.
•
Figura 4.7: Fototransistor [14]
Fotorresistencia: también conocido como LDR (del inglés Light-Dependent
Resistor). Es una resistencia sensible a la luz incidente, que reduce su resistencia
dependiendo de la intensidad de la luz incidente. En una habitación oscura su
resistencia es del orden de millones de ohmios y en una habitación iluminada su
resistencia es del orden de cientos de ohmios.
En este proyecto se ha escogido la fotorresistencia para medir el nivel de
luminosidad ya que requiere un circuito de acondicionamiento más simple que el de las
otras alternativas. La desventaja es que las otras alternativas ofrecen una respuesta lineal
con la luminosidad, mientras que la fotorresistencia ofrece una respuesta exponencial, lo
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44
Memoria
Dispositivos remotos
cual resulta más difícil de determinar el nivel de luz con una fotorresistencia (se
es la fotorresistencia.
La tensión de salida se calcula de este modo:
requiere una calibración mucho más compleja). [15]
circuito
de
acondicionamiento
necesario para la fotorresistencia se muestra en
+3.3V
la figura 4.8, donde
20 k
vo
(4.1)
Rf
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
dsPIC33FJ32MC202
El
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Figura 4.8: Acondicionamiento de la fotorresistencia
Figura 4.9: TCD con un sensor de luz conectado
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45
Memoria
Dispositivos remotos
En definitiva, se ha escogido el sensor de humedad capacitivo ya que requiere un
circuito de acondicionamiento más simple, aunque los sensores resistivos suelen ser
más fáciles de acondicionar; sin embargo, los sensores de humedad resistivos son
también sensibles a la temperatura y habría que incorporarles un sensor de temperatura
adicional. Además del condensador sensible a la humedad, existen sensores que tiene un
chip de acondicionamiento de señal integrado de manera que la salida será directamente
proporcional a la humedad relativa. [16]
Un ejemplo de este tipo de
sensores es el de la siguiente figura, y
es el escogido para este proyecto ya que
no
necesita
circuito
de
acondicionamiento alguno.
Figura 4.10: Pines del sensor capacitivo
En la siguiente figura se puede ver el
sensor de humedad conectado a la TCD. Este es el
único sensor en este proyecto al cual se le debe
alimentar a 5V, pero la salida de este componente
como máximo llega a 3.8V; aunque para llegar a
3.3V debe haber una humedad relativa del 80%, el
cual es un valor muy alto en un hogar, aunque es
un valor normal si el sensor se encuentra en un
jardín cuando se ha regado.
Figura 4.11: TCD con un sensor de humedad conectado
4.5.3 SENSOR DE TEMPERATURA
En cuanto a la temperatura, existen tres tipos de sensores adecuados para este
proyecto:
•
Termopar: este dispositivo consiste en dos conductores distintos que producen
una diferencia de potencial cuando se calientan. No requieren alimentación y
pueden usarse para medir un alto rango de temperaturas (algunos tienen un
rango de 0ºC a 2300ºC), pero no suelen disponer de una precisión decente. [18]
•
Termistor: son resistencias mucho más sensibles a la temperatura que las
resistencias normales. A diferencia de los termopares, los termistores están
hechos de un cerámico o de un polímero. Los hay de dos tipos: NTC (Negative
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46
Memoria
Dispositivos remotos
Temperature Coefficient, inversamente proporcionales a la temperatura) y PTC
(Positive
Temperature
Coefficient,
directamente
proporcionales
a
la
temperatura). Otra diferencia con los termopares es que los termistores no
ofrecen una respuesta lineal con la temperatura y tienen un rango de medida
mucho menor (normalmente de -90ºC a 130ºC). [19]
•
RTD: del inglés Resistance Temperature Detectors. A diferencia de los
termistores, los RTD están hechos de metales puros conductores como el platino
o el cobre. Pueden usarse para medir temperaturas de -200ºC hasta 500ºC y
suelen tener mayor precisión que los termopares, aunque no son tan sensibles.
Otra desventaja es que el material necesario es mayor y más caro. [20]
En conclusión, para este proyecto se han
escogido
los
termistores
como
sensores
de
temperatura principalmente por coste, sensibilidad y
rango de temperatura. La única desventaja es la
calibración necesaria ya que no son lineales con la
temperatura
y requiere una calibración
más
compleja. El acondicionamiento es idéntico al del
sensor de luminosidad (ver figura 4.8), aunque con
una resistencia de 150Ω. En la figura 4.12 se puede
ver el termistor conectado a la TCD.
Figura 4.12: TCD con un termistor conectado
4.5.4 SENSOR DE PRESENCIA
Estos sensores son más complejos que los anteriores. Se pueden clasificar en dos
grandes grupos:
•
Sensores de presencia activos: estos sensores son característicos por la emisión
de energía para la detección de cambios en los alrededores (que principalmente
son objetos en movimiento). Pueden emitir ondas ultrasónicas, microondas y
ondas de radio.
•
Sensores de presencia pasivos: se conocen como sensores PIR, del inglés
Passive Infrared. se basan en la detección de calor emitida por ondas infrarrojas.
Sólo detectan cambios de calor emitido, es decir, si un cuerpo se mueve en una
habitación con la misma temperatura, estos sensores no lo detectarían.
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47
Memoria
Dispositivos remotos
Debido a que las tarjetas no disponen de
tanta
potencia
y
se
han
diseñado
como
dispositivos de bajo consumo, la opción más
adecuada es la de los sensores de presencia
pasivos. En la siguiente figura se muestra el
funcionamiento de estos sensores, que en realidad
poseen dos elementos piroeléctricos y lo que
miden es la diferencia de intensidad de las ondas
infrarrojas que llegan a cada una de ellas. [22]
Figura 4.13: Funcionamiento de un sensor PIR [22]
Debido a que son elementos direccionales,
se amplía el rango infrarrojo de ellos mediante una
lente de Fresnel, tal y como se muestra en la
siguiente figura. Esta lente en principio fue
diseñada para los faros en las costas para hacer
más visible la luz a los barcos; sin embargo, en
este caso se usa para convertir el rayo IR en un
haz para incrementar la visión del sensor. [23]
Figura 4.14: Aplicación de la lente de Fresnel [22]
Debido a que estos sensores pueden arrojar valores negativos de tensión y que es
una señal difícil de acondicionar, existen chips de acondicionamiento de señal diseñados
específicamente para los sensores de presencia PIR. Con estos chips, si el sensor detecta
un cambio en su línea de visión, en la salida aparecerá un valor de tensión de 3.3V o 5V
(depende de la tensión de alimentación), lo necesario para poder interpretar con el
microprocesador que hay presencia en el lugar en cuestión.
Por ello, se va a utilizar un
sensor PIR con acondicionamiento de
señal equipado con una lente de fresnel
para detectar presencia. En la siguiente
figura se puede observar un sensor
conectado a la TCD.
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Figura 4.15: TCD con un sensor PIR conectado
48
Memoria
Dispositivos remotos
4.5.5 CALIBRACIÓN DE SENSORES
Teniendo en cuenta que los sensores analógicos son leídos por el
microprocesador y representados por un valor que va de 0 (0V) a 1023 (3.3V), se
procede a tomar lecturas usando referencias.
En el caso de la temperatura, se usó un termómetro de mercurio para medir la
temperatura en 4 casos distintos:
13ºC = 800; 19ºC = 587; 21ºC = 463; 28ºC = 258
Sabiendo que la resistencia NTC sigue una exponencial, aproximando por una
curva logarítmica se llega a la siguiente ecuación:
(4.2)
(4.3)
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49
Memoria
Dispositivos remotos
4.6 ACTUADORES
En este apartado se expondrán los actuadores que se han usado en este proyecto.
Se debe tener en cuenta las variables y los elementos del entorno que fuesen útiles
controlar para escoger el tipo de actuadores que deben implementarse en este proyecto:
•
Actuador genérico – Relé
•
Actuador luminoso – LED RGB
4.6.1 RELÉ
Un relé es un dispositivo usado
para conmutar un circuito externo a otro
nivel de tensión, es decir, aislado
galvánicamente. Por ejemplo, se podría
abrir o cerrar un circuito a 220V en
alterna desde otro circuito a 5V en
continua tal y como se puede ver en la
figura 4.16. [24]
Figura 4.16: Conexión de un relé [24]
Una vez que el microprocesador conectado a este circuito dé una tensión de
3.3V o de 5V el Relé se excitará, cerrando el circuito a 220V. En este ejemplo la tensión
de conmutación del relé es de 5V, una característica muy importante a tener en cuenta al
diseñar este circuito ya que normalmente los hay de mayor tensión y 5V no sería
suficiente para excitar la bobina del relé. También se debería comprobar que el relé
pueda soportar los 220V en alterna. Debido a que pueda ocurrir una sobretensión en la
bobina causada por el transistor al entrar en corte, es necesario un diodo de libre
circulación en paralelo con la bobina para protegerlo. [24]
Existen varios tipos de
Tipos de relés
Un circuito
Dos circuitos
relés según los contactos que
Sin
SPST
DPST
tengan y según si conmutan entre
conmutación
Single Pole Single Throw
Dual Pole Single Throw
Con
SPDT
DPDT
conmutación
Single Pole Dual Throw
Single Pole Dual Throw
dos
circuitos
o
simplemente
abren o cierran un solo circuito,
tal y como aparece esta tabla:
Figura 4.17: Tabla explicativa de los distintos tipos de relés
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50
Memoria
Dispositivos remotos
Estos tipos de relés
pueden usarse para varias
aplicaciones, desde encender
una bombilla en un circuito
de 220V hasta cambiar el
sentido de giro de un motor
de corriente continua. En la
figura 4.18 se muestran los
circuitos de conexión de
estos ejemplos.
Figura 4.18: Distintos tipos de relés conectados al micro [24]
Por otra parte, existen relés con una bobina o con dos. Los anteriores disponían
de solamente una bobina (relés no lacheados), los cuales están normalmente abiertos o
cerrados y pasan al otro estado cuando la bobina es excitada. En cambio, los relés con
dos bobinas (relés lacheados) requieren dos circuitos para poder accionar el
conmutador. El conmutador no está normalmente en ninguna de las dos posiciones, solo
cambia de posición si se excita la bobina asociada; y si se deja de excitar esta bobina no
ocurre nada por lo que no es necesario excitar la bobina asociada para mantener el
conmutador en la posición deseada. [24]
Un ejemplo de relé lacheado es el de
la siguiente figura, en el que se aplica a una
persiana
eléctrica.
Funciona
de
manera
parecida a un flip-flop RS (biestable). En este
ejemplo si el pin 4 del microprocesador
estuviera a nivel alto el conmutador cambiaría
de posición y la persiana bajaría. Una vez el
conmutador haya cambiado de posición se
puede dejar el pin 4 a nivel bajo. Pasaría lo
contrario con el conmutador y la persiana si se
pone el pin 3 del micro a nivel alto.
Figura 4.19: Ejemplo de relé lacheado [24]
Este ejemplo sólo funcionaría si el relé de la izquierda (que es no-lacheado)
estuviera cerrando el circuito de alimentación de la persiana. Por lo tanto, para parar la
persiana habría que poner el pin 2 del microprocesador a nivel alto. En principio se va a
equipar la TCA con relés DPDT lacheados (biestables) y no-lacheados (monoestables).
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4.6.2 LED RGB
Un LED RGB (o led tricolor) es una combinación de tres diodos LED de colores
rojo, verde y azul. Está basado en el modelo RGB (Red Green Blue). Este modelo
consiste de estos tres colores, a los que se le asigna un valor entre 0 y 255. Combinando
estos tres valores se puede obtener cualquier color. Este modelo se puede representar en
un cubo, tal y como aparece en la figura 4.20. [25]
Este
modelo
representa los cambios en el
color al variar los valores del
color rojo, verde y azul. Los
colores
más
típicos
se
encuentran en las aristas del
cubo, aunque sea posible
obtener
los
intermedios.
estos
Sin
valores
valores
embargo,
representan
colores no muy distintos a los
Figura 4.20: Modelo RGB en formato cúbico [25]
Teniendo en cuenta este modelo,
3.3 V
3.3 V
3.3 V
22
el LED RGB puede iluminarse de
cualquiera de estos colores. El circuito
2.2 k
de acondicionamiento se muestra en la
figura 4.21. La idea detrás de esto es
sacar una señal de pulsos PWM por las
2.2 k
tres salidas del micro para poder regular
la intensidad de cada LED de color,
combinando los tres colores para formar
cualquier color. Los valores de las
resistencias se han escogido teniendo en
cuenta los siguientes parámetros de
estos LEDs:
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2.2 k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
dsPIC33FJ32MC202
de las aristas.
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Figura 4.21: Acondicionamiento de un LED RGB
52
Memoria
Dispositivos remotos
Figura 4.22: Parámetros fundamentales de los LEDs RGB usados en este proyecto
Debido a la caída de tensión máxima del LED rojo, es necesaria una resistencia
en el colector para reducir esta caída de tensión. Teniendo en cuenta que el consumo de
corriente máximo es de 50mA:
(4.4)
(4.5)
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colector debe ser menor que 0.7V ya que el emisor se encuentra a 0V. Teniendo en
cuenta que la corriente por el emisor es la corriente por la base (la que sale del pin del
micro) multiplicado por el parámetro β del transistor:
(4.6)
(4.7)
(4.8)
Figura 4.23: TCI-F con seis LEDs RGB iluminados con color azul conectados en paralelo
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Dispositivos remotos
(4.9)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(4.13)
Figura 4.24: TCI-4F con una tira de 15 LEDs RGB iluminados en blanco conectado a una de sus fases
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55
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56
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Dispositivo central de control
Capítulo 5
DISPOSITIVO CENTRAL DE CONTROL
Este dispositivo central de control (TCC - Tarjeta de Control Central) es muy
diferente de los demás dispositivos, ya que su algoritmo de control es mucho más
complejo debido a 3 características fundamentales:
•
Se encarga de coordinar el sistema domótico y el sistema gestor de energía en la
red inalámbrica MiWi.
•
Cumple funciones principales del sistema gestor de energía, como medir la
corriente que hay en las líneas de entrada situadas en el cuadro de mando y
protección de la casa.
•
Capacidad de comunicarse con la interfaz de control por WiFi, lo que constituye
el puente entre ambos sistemas y la interfaz de control.
Debido a la necesidad de memoria de programa por el hecho de integrar el
protocolo MiWi y el WiFi en un mismo dispositivo, el microprocesador usado es
distinto al mencionado anteriormente (dsPIC33FJ32MC202). Para esta tarjeta se usa el
microprocesador dsPIC33FJ128MC802. Además del módulo de radiofrecuencia MiWi
esta tarjeta está equipada con un módulo de comunicación WiFi. Por último, posee
transformadores de intensidad que desempeñan propósitos relacionados con la gestión
de energía. Por ello, esta tarjeta se ha desarrollado en el proyecto de la gestión
energética del sistema domótico. A continuación se muestra la tarjeta TCC en la figura
5.1:
El microprocesador, situado en la parte
superior izquierda, es capaz de enlazar ambos
módulos
de
comunicación
mediante
un
algoritmo de traducción de mensajes entre
protocolos. Para propósitos relacionados con el
sistema
gestor
de
energía,
El
circuito
inmediatamente debajo del microprocesador se
encarga de tomar las medidas de corriente del
cuadro general del hogar.
Figura 5.1: TCC: Tarjeta de Control Central
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57
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Dispositivo central de control
Para entender el funcionamiento completo de esta tarjeta se expone en la figura
5.2 su flujograma de operación:
Inicialización de
los periféricos y de
los módulos de
hardware
Creación,
administración y
coordinación de la
red MiWi
Inicialización de
los protocolos
MiWi y WiFi
Establecer
comunicación
WiFi con el PC a
través del router
Ejecutar la tarea y
cargar un mensaje
de respuesta si
fuera necesario
Sí
¿Se ha
recibido un
mensaje?
No
¿Se debe
ejecutar una tarea
temporal?
No
¿Se debe
transmitir un
mensaje?
Sí
Sí
¿El
mensaje es para
mí (la TCC)?
No
No Reenviar el mensaje
recibido sin procesar
al destino deseado
previamente
Enviar el mensaje
almacenado antes
debido a una tarea
anterior
Sí
Ejecutar la orden
recibida y/o cargar
un mensaje de
respuesta
Figura 5.2: Diagrama de flujo del algoritmo de control de la TCC
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58
Memoria
Capítulo 6
Interacción con el usuario
INTERACCIÓN CON EL USUARIO
En este capítulo se verán los programas detrás de la interacción con el usuario
para entender cómo puede un usuario controlar su casa de manera sencilla y cómoda.
6.1 INTERFAZ DE CONTROL
La interfaz de control es un programa diseñado para que un usuario pueda
gestionar su hogar domótico sin tener que entender los algoritmos y operaciones
complejas que hay detrás. Ha sido programada con Microsoft Visual Studio en lenguaje
C++ y diseñada con Qt. A continuación se muestran en la figura 6.1 las ventanas de la
interfaz de control; una asociada al sistema energético y otro al sistema domótico:
Figura 6.1: Interfaz de control
El principio de funcionamiento de la interfaz de control es sencillo; se muestra la
información al usuario separado en dos partes:
•
La parte general, en el que se muestra el consumo total de la casa según el
dispositivo central de control del anterior capítulo. En esta parte se puede
establecer el coste que el usuario está dispuesto a pagar, la potencia máxima y la
potencia mínima deseada por el usuario escribiendo en los campos asociados y
pulsando el botón de Send Parameters para efectuar los cambios deseados, solo
si se activa la autogestión en el control en el slider de Self-management.
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59
Memoria
•
Interacción con el usuario
La parte concreta, en el que se divide la información según la región
seleccionada del hogar y según el sistema de control domótico y energético.
o En el energético se puede ver la intensidad, la prioridad y el porcentaje
de regulación de los enchufes de la habitación. Si la prioridad es baja y el
consumo se ha limitado en la parte general, este enchufe será el primero
en ser limitado por los dispositivos del sistema de gestión energética.
o En el domótico se muestran los niveles de luz, temperatura y humedad; y
si ha habido detección de presencia recientemente o no. También se ha
implementado un controlador para persianas eléctricas de la tarjeta TCA
y para los LEDs RGB de las tarjetas TCI-F y TCI-4F. Si no existe un
dispositivo asociado con alguno de los campos mostrados en la región
seleccionada de la casa se mostrará el mensaje “Missing device” para
indicarlo. En caso de que sí exista pero no hubiera conexión con el
dispositivo se mostrará el mensaje “Not available”.
Toda la información que la interfaz muestre en pantalla se extrae de la base de
datos, de tal modo que se actualizará cada cierto periodo de tiempo para que el usuario
no espere tanto para ver cómo cambian las medidas según las condiciones de la
habitación. Para el sistema domótico el tiempo de actualización es de 5 segundos y para
el sistema gestor de energía es de 1 segundo. En el caso del sistema domótico, se envían
las peticiones para cada tarjeta de uno en uno a lo largo del periodo de los 5 segundos,
ya que si llegan muchos mensajes a la vez el maestro podría perderlos por sobrecarga.
Sin embargo, para poder llevar a cabo esta actualización es necesario otro
programa que gestione las comunicaciones WiFi entre el PC y la tarjeta TCC. Una vez
que el usuario quiera cambiar algo en el sistema este programa se encargaría de
comunicarlo a los elementos del sistema relacionados con este cambio. Este programa
se le denominará el programa del servidor o server.
Por ello, se tienen ejecutando en el PC dos programas en paralelo, uno para la
interfaz de control (InterfazGeneral.sln) y otro para las comunicaciones WiFi con el
resto del sistema (Server.sln), teniendo en cuenta el almacenamiento y la lectura de
datos en una base de datos, que se verá en el siguiente apartado.
Estos dos programas interactúan entre sí por varios motivos, sobretodo porque la
interfaz no tiene acceso a la base de datos, pero el server sí (a través de ODBC). Se dan
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60
Memoria
Interacción con el usuario
3 casos distintos, dependiendo de qué datos se deben intercambiar y qué programa es el
emisor y cuál es el receptor de los mensajes intercambiados:
•
La interfaz pide cada 5 segundos las medidas de los sensores y el estado de los
actuadores de la habitación seleccionada al server. También este es el caso para
las medidas de corriente del sistema gestor de energía.
•
El server contesta la petición anterior enviando la información pedida por la
interfaz.
•
La interfaz manda una orden destinada a todos o a un cierto dispositivo
perteneciente al sistema domótico o al energético. El server hace de puente entre
la interfaz y el maestro central; después el maestro central enviará la orden al
dispositivo deseado en función de la orden que se envió desde la interfaz.
A continuación se muestra en la figura 6.2 la estructura simplificada de ambos
programas:
Figura 6.2: Estructura y bloques principales de ambos programas
La interfaz general posee un gran número de funciones, las cuales se clasifican
en 4 bloques:
•
Funciones generales de la interfaz: incluye la inicialización de la interfaz, el
temporizador de la interfaz, mostrar datos en la pantalla y recibir las órdenes que
el usuario introduce en ella.
•
Funciones domóticas: se activan cuando el usuario selecciona la pestaña
correspondiente al control domótico. La interfaz pide al server a través del
bloque de comunicación las medidas y los estados de los actuadores de la
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Memoria
Interacción con el usuario
habitación seleccionada en la lista desplegable. También se encargan de
interpretar los datos recibidos provenientes del server para que sean entendibles
por el usuario.
•
Funciones energéticas: sirven un propósito parecido a las funciones domóticas,
pero relacionadas con el sistema gestor de energía.
•
Intercambio de datos con el server: a través del protocolo TCP/IP, desde el
mismo PC, la interfaz puede comunicarse con el server.
En cuanto al server, tiene también una serie de funciones, que sirven propósitos
de comunicación entre varios elementos del sistema:
•
Intercambio de datos con la interfaz: igual que viceversa, mediante el
protocolo TCP/IP se forma un enlace entre ambos programas. Los paquetes
intercambiados entre ambos programas son los siguientes:
Instrucción (emisor)
Contenido del paquete
Petición de valores
Ninguno
generales (interfaz)
Informe de valores
Una tabla con los valores de los sensores y de los LEDs
generales (server)
RGB instalados.
Petición de tarjetas
Ninguno
instaladas (interfaz)
Informe de tarjetas
Una tabla con la información sobre las tarjetas instaladas con
instaladas (server)
los dispositivos que tienen conectados en cada habitación.
Orden de actuar
Una tabla con los relés a actuar de la tarjeta instalada en una
persianas (interfaz)
habitación determinada.
Orden de actuar LEDs
Una tabla con los valores de los LEDs RGB a actuar de la
RGB (interfaz)
tarjeta instalada en una habitación determinada.
Figura 6.3: Paquetes enviados según las instrucciones entre interfaz y server
•
Intercambio de datos con el maestro: mediante la comunicación WiFi, el
server es capaz de enviar peticiones al sistema energético y al domótico y recibir
datos de ambos sistemas, pasando por el maestro central previamente. Los
paquetes en este protocolo tienen el mismo formato que los paquetes explicados
en la figura 3.10. Las tarjetas están atentas a las peticiones reenviadas por el
maestro y responden inmediatamente a estas peticiones con sus medidas.
•
Intercambio de datos con la base de datos: a través de ODBC, el server puede
mandar comandos o peticiones en lenguaje SQL (Single Query Language) para
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62
Memoria
Interacción con el usuario
leer o escribir datos en la base de datos. Escribirá en la base de datos cuando el
maestro le haya mandado datos; y leerá de la base de datos cuando tenga que
contestar a una petición de medidas de sensores y estados de actuadores.
•
Gestión de recursos compartidos: para evitar que el server tenga que leer de la
base de datos y escribir a la base de datos al mismo tiempo (debido a que el
maestro y la interfaz les hayan mandado un mensaje al server al mismo tiempo),
se ha definido un recurso compartido, o mutex (en algunos sistemas en tiempo
real se conoce como semáforo o semaphore). Si el server está consultando a la
base de datos no se le permite realizar otra consulta al mismo tiempo con este
mutex.
6.2 BASE DE DATOS
La base de datos ha sido diseñada con ERwin Data Modeller y creada con
DBManager y está en formato MySQL. Está compuesta de varias tablas y variables, tal
y como se puede ver a continuación en la estructura de la base de datos en la figura 6.3:
Figura 6.4: Arquitectura de la base de datos
Cada tabla sirve un propósito en concreto. A continuación se exponen las
funciones de cada tabla:
•
PARAMETROS: Esta tabla es independiente de las demás. Contiene
información acerca de los parámetros de coste, potencia máxima y potencia
mínima y del modo de funcionamiento de autogestión (ver figura 6.1).
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63
Memoria
•
Interacción con el usuario
REGION: contiene todas las regiones dentro de la casa (ID_REGION), con su
descripción. Además, se pueden agrupar según ID_REGION_PADRE (por
ejemplo, HABITACION1 y HABITACION2 irían ligadas a HABITACIONES).
•
UBICACIÓN: Asocia a cada dispositivo o tarjeta controladora a una ubicación
(ID_UBICACION) y a una región definida en la tabla REGION.
•
DISPOSITIVOS: Asigna a cada dispositivo una descripción única (por ejemplo,
TCD SALÓN) con su ubicación (ID_UBICACION) y dirección de protocolo
MiWi asociada (un byte) mediante un único ID_DISPOSITIVO. La columna de
PRIORIDAD asigna prioridades a las tarjetas del sistema gestor de energía.
•
TRANSDUCTOR: teniendo en cuenta el ID_DISPOSITIVO de la tabla anterior
establece qué tipo de sensores (presencia, temperatura, corriente, etc.) y cuántos
existen en cada uno de estos dispositivos; y distingue a cada uno de estos
sensores mediante ID_TRANSDUCTOR.
•
TIPO_TRANSDUCTOR: esta tabla es una columna donde aparecen los tipos de
sensor mencionados en la tabla TRANSDUCTOR.
•
CALIBRACION: debido a que los sensores necesitan calibración, esta tabla se
usa para almacenar la medida recibida de los microprocesadores (un número de
10 bits que toma valores según la tensión de entrada al conversor A/D) para
convertirla a las unidades asociadas al tipo de sensor. La columna índice
distingue a los distintos tipos de sensor que miden una misma variable (por
ejemplo, existen varios tipos de sensores de corriente en el sistema gestor de
energía).
•
VARIABLE: Teniendo en cuenta que ID_VARIABLE es el mismo a
ID_TRANSDUCTOR en la tabla TRANSDUCTOR, esta tabla se usa para
describir a cada transductor para saber su procedencia. Por ejemplo: el
ID_VARIABLE número 9 se describe como la temperatura procedente del
sensor de temperatura de la TCD 1.
•
VALOR_VARIABLE: A esta tabla llegan todas las medidas que arrojan los
sensores de todos los dispositivos. Se distinguen por fechas para usar la medida
más reciente para calibrarla y luego mostrar en la interfaz de control.
Realizando las consultas pertinentes de manera correcta, el server lee y escribe
datos de estas tablas para hacer que el sistema funcione.
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Resultados y pruebas realizadas
Capítulo 7
RESULTADOS Y PRUEBAS REALIZADAS
En este capítulo se verán las pruebas realizadas en este proyecto, así como los
resultados obtenidos de estas pruebas.
7.1 PRUEBA DE COMUNICACIÓN MIWI
Como el primer objetivo de este proyecto es crear una red inalámbrica para
luego incorporar sensores y actuadores a ella, las primeras pruebas que se deben realizar
son
las
de
la
comunicación
MiWi.
Se
tienen
los
siguientes
paquetes:
Maestro se conecta y manda peticiones
de baliza para asegurarse de que no
hay otro maestro en la red.
Se conecta un esclavo con
micro=0x02. Estos son los
paquetes
del
handshake.
Obtiene la dirección 0x0100.
Información
para la hashtable
para el maestro.
Se conecta un esclavo
con micro=0x01. A
diferencia del otro, este
micro
no
integrado
ha
sido
por
el
maestro; por eso obtiene
una dirección de 0x102.
Información
para la hashtable
para el maestro.
La hashtable ha
sido enviada por
broadcast.
Figura 7.1: Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba de MiWi
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Memoria
Resultados y pruebas realizadas
Estos paquetes tienen que ver con la tabla de direcciones (hashtable), que es una
de las modificaciones que se llevaron a cabo en el protocolo para mejorar su
funcionamiento (véase el capítulo 3 para más información sobre el protocolo MiWi).
Los paquetes pequeños son de confirmación o de acknowledgement. Se han colocado 3
dispositivos TCD en distintas plantas de un edificio, para comprobar también el alcance
de la red, ya que es posible aumentarla si se instalan dispositivos coordinadores de la
red. En concreto, el maestro global (micro=0x00) se ha colocado en la planta 3, y los
esclavos con micro=0x01 y micro=0x02 en las plantas 1 y 2 respectivamente.
Los 3 primeros paquetes representan las comprobaciones que realiza el maestro
para asegurarse de que no hay ya otro maestro que haya establecido una red en el canal
0x13 (dentro de la casilla de color marrón aparece ese número).
Después aparece una petición de baliza proveniente del micro=0x02. Como ya
se mencionó en el capítulo 3, la EUI es de 0x1122334455667701 para el micro=0x00.
Los demás dispositivos tendrán esta EUI pero con el último BYTE sumado una cantidad
igual a su número de micro. Por ello, el cuarto paquete aparece con la EUI de
0x1122334455667703, o sea, que este dispositivo tiene micro=0x02. El siguiente
paquete (que es una baliza) es proveniente del dispositivo con micro=0x00 y contiene
información relevante acerca de la red y del maestro que ha recibido esta petición de
baliza. A continuación el dispositivo que intenta conectarse manda una petición de
asociación y el maestro después le manda una respuesta de asociación, finalizando el
handshake. Este dispositivo adquiere un myShortAddress de 0x0100.
Una vez el dispositivo haya sido integrado a la red, este manda un mensaje al
maestro
central
de
3
elementos:
micro,
myShortAddress(MSB)
y
myShortAddress(LSB). Estos 3 elementos relacionan su identificación física con
su dirección dinámica. El maestro rellena la hashtable con esta relación para referirse a
ella en futuros mensajes si fuera necesario.
Los siguientes paquetes son referentes al dispositivo con micro=0x01, pero
este no se asocia con el maestro global, sino con el dispositivo con micro=0x02. Lo
que ha ocurrido es que el dispositivo que quiere integrarse a la red ha analizado ambas
balizas y ha decidido mandar una petición de asociación con el dispositivo con
micro=0x01, ya que físicamente se encuentra a una planta de distancia y no a dos, y
esto sería más beneficioso para la red. Entonces, se asocia con el que tiene
micro=0x02 y por ello adquiere un myShortAddress de 0x0102.
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66
Memoria
Resultados y pruebas realizadas
Como en el caso anterior, el dispositivo que se acaba de conectar manda al
maestro su correspondiente fila de la hashtable. Pasado un tiempo, el maestro global
decide publicar la hashtable a todos los dispositivos de la red (broadcast).
Esta prueba ha resultado satisfactoria. Se ha logrado verificar el alcance de la red
y la secuencia de integración de los dispositivos a la red; y se confirma el correcto uso
de la hashtable.
7.2 PRUEBA DE SENSORES
Se trata de probar los 4 sensores de luz, temperatura, humedad y presencia. Se
tienen dos tarjetas TCD. El esclavo tiene estos 4 sensores conectados mientras que el
maestro solo pide las medidas a él. Para realizar la prueba se tiene que calibrar los
sensores mencionados anteriormente (véase 4.5.5).
Se tienen los siguientes paquetes enviados entre un maestro y un esclavo con los
4 sensores mencionados anteriormente:
Maestro se conecta y manda peticiones
de baliza para asegurarse de que no
hay otro maestro en la red.
Se conecta un esclavo con
micro=0x81. Estos son los
paquetes
del
handshake.
Obtiene la dirección 0x0100.
Información
para la hashtable
para el maestro.
Maestro envía la
orden al esclavo.
Respuesta
del
esclavo
Figura 7.2: Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba de sensores
La secuencia de mensajes del principio es idéntica a la de la prueba anterior. El
paquete que más importa en esta prueba es la última que el esclavo le envía al maestro.
Es un paquete largo que tiene 5 partes (ver figura 3.10), mostrado en la siguiente tabla:
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67
Memoria
Resultados y pruebas realizadas
Contenido del mensaje
0x81
0x01
0x02
0xFA
0x01
0x01
0xBD
0x01
0x00
0x9C
0x01
0x01
0x00
Descripción
Interpretación
Es el número del micro del
-
esclavo.
El primer byte indica que el
El valor devuelto es 0x02FA,
dispositivo mide temperatura.
que es 762. Usando la
Los otros dan la medida.
ecuación (4.2), hay 19.98ºC.
El primer byte indica que el
El valor devuelto es 0x01BD,
dispositivo mide humedad.
que es 445. Con la ecuación
Los otros dan la medida.
(4.3), existe un 25.87% HR.
El primer byte indica que el
El valor devuelto es 0x009C,
dispositivo mide luz. Los
que es 156, que indica que
otros dan la medida.
hay buena luminosidad.
El primer byte indica que el
dispositivo detecta presencia.
Los otros dan la medida.
El valor devuelto no es
0x0000, luego hay presencia.
Figura 7.3: Desglose del paquete recibido en la prueba de sensores
Esta prueba se ha cumplido con éxito. Se ha comprobado la validez de las
tarjetas TCD para medir con sus sensores. Este paquete llegaría al maestro central y este
lo reenviaría al server para que éste lo escriba en la base de datos y luego la interfaz
obtenga los datos pidiéndoselos al server para mostrarlos en pantalla al usuario para que
pueda monitorizar estas variables. En la figura 7.4 se pueden ver dos tarjetas TCD
probados en un hogar, instalados en dos ubicaciones posibles:
Figura 7.4: Tarjetas TCD probadas en un hogar
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68
Memoria
Resultados y pruebas realizadas
7.3 PRUEBA DE ACTUADORES
Se han probado los LEDs RGB y los relés de la TCA accionando persianas, tal y
como se puede ver en la figura 7.5. Se verificó la validez de los LEDs RGB conectados
a las TCI-F los que están conectados a la TCI-4F. Se han podido controlar persianas
desde la TCA satisfactoriamente, ofreciendo al usuario un control remoto para
accionarlas desde donde guste.
Figura 7.5: Tarjetas TCI-F, TCI-4F y TCA probadas en un hogar
7.4 PRUEBA GLOBAL EN UN ENTORNO REAL
Se ha probado el sistema entero (incluyendo la parte de gestión de energía) en un
hogar real, cuyos resultados se muestran en la figura 7.6:
Figura 7.6: Pruebas de la interfaz de control en un entorno real
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69
Memoria
Resultados y pruebas realizadas
Se han mostrado en pantalla los resultados arrojados por las tarjetas
controladoras instaladas en el hogar. Los casos mostrados se refieren a dos zonas del
hogar: el jardín y el hall.
En el caso del jardín, existe una humedad del 32%, lo cual significa que el aire
está algo húmedo, lo que es normal para un jardín, además de que el día de las pruebas
era lluvioso. Carece de sensor de presencia, pero el sensor de luz indica que los niveles
de luz son decentes ya que el cielo estaba nublado. Por último, la temperatura en el
jardín es de 11.7º, cuyo valor es lógico para un exterior. Además, existe un controlador
para cambiar la iluminación personalizada de color, cuyos valores se muestran en
negrita. Sin embargo, no hay un controlador para persianas instalado en el jardín.
En el otro caso se muestran las medidas en un interior, las cuales arrojan un
valor de humedad relativa del 29.6%, que es alto para un interior, pero debido al tiempo
lluvioso existían niveles más altos de humedad en el aire. El sensor de presencia indica
que no hay movimiento en el hall. El sensor de temperatura arroja un valor de 21.4ºC,
cuyo valor tiene sentido para un interior. A continuación, el sensor de luz indica que hay
niveles buenos de luz. En este caso la iluminación personalizada se encontraba en
blanco al 100%, y existía un controlador para persianas.
La conexión de los dispositivos al sistema fue
hecho posible por el maestro central, que se encontraba
en la TCC. La TCC sirve propósitos del sistema gestor
de energía, como medir el consumo en el CGP (Cuadro
General de Protección). Por ello, la tarjeta se sitúa allí,
independientemente de dónde se encuentre el router, ya
que el módulo WiFi tiene un alto alcance. Esta tarjeta ha
realizado con éxito el papel de coordinador de la red.
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Figura 7.7: TCC situado en el CGP
70
Memoria
Conclusiones
Capítulo 8
CONCLUSIONES
Este proyecto se ha enfocado a llevar a cabo un sistema domótico capaz de
coordinar sensores y actuadores en una red, manejar, gestionar, monitorizar y controlar
su funcionamiento a través de una interfaz de control y una base de datos; así como
integrar el sistema domótico con el sistema gestor de energía. Los resultados y logros en
este proyecto han sido los siguientes:
•
Modificación con éxito del protocolo de comunicación basado en ZigBee para
dispositivos de Microchip Technology Inc. (microprocesadores y módulo de
radiofrecuencia), que es el protocolo MiWi, para mejorar su funcionamiento y
orientarlo a la aplicación desarrollada en el presente proyecto. Asimismo se ha
desarrollado un driver para hacer el protocolo más entendible para el usuario,
programando funciones adicionales en lenguaje C.
•
Se han fusionado los protocolos MiWi y WiFi de Microchip Technology Inc. en
un solo microprocesador con un módulo de comunicación WiFi de la misma
empresa; logrando un controlador capaz de traducir mensajes de un protocolo a
otro y formando así un puente entre el router y los dispositivos del sistema
inteligente. Este microprocesador pertenece a la tarjeta controladora TCC, la
cual no ha sido diseñada en el presente proyecto.
•
Se ha desarrollado una tarjeta de propósito genérico para este proyecto: la TCD
(Tarjeta de Control Domótico); capaz de controlar una gran variedad de
dispositivos. Sin embargo, la necesidad de circuitos de acondicionamiento
redujo el papel de esta tarjeta al control y lectura de sensores; lo cual ha llevado
al desarrollo de otras tarjetas.
•
Se han verificado, validado y calibrado los sensores conectados a la TCD:
temperatura, luz, humedad y presencia.
•
Se ha desarrollado dos tarjetas enfocadas a propósitos de iluminación: la TCI-F
(Tarjeta de Control de Iluminación – Foco) y la TCI-4F (Tarjeta de Control de
Iluminación – 4 Fases). Estas dos tarjetas pueden controlar y gestionar LEDs
RGB, bien sean tiras de LEDs RGB (TCI-4F) o bien sean LEDs individuales
(TCI-F).
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71
Memoria
•
Conclusiones
Se ha desarrollado una tarjeta enfocada a controlar sistemas automatizados: la
TCA (Tarjeta de Control de Actuadores). Con sus relés lacheados y nolacheados se puede controlar una gran variedad de automatismos como persianas
o riegos de jardín.
•
Se ha programado un programa en lenguaje C++ (server) que es capaz de
comunicar un PC con la TCC a través del router.
•
Se ha diseñado una base de datos la cual es gestionada por el mismo programa
del server. Se ha diseñado esta base de datos para que sea lo más fácil posible
para programar el server para obtener variables del sistema domótico y datos
acerca del sistema gestor de energía.
•
Se ha desarrollado otro programa en lenguaje C++ que gestiona una interfaz de
control ejecutable en el PC. Este programa es capaz de comunicarse con el
server para enlazarlo con el resto del sistema.
•
Se han programado ambos programas de C++ para que admitan peticiones,
órdenes y datos del sistema domótico y del sistema gestor de energía; lo cual
tiene como resultado la integración completa y total entre ambos sistemas
inteligentes.
•
Aunque se hayan cumplido todos los objetivos en el apartado 1.3, no se ha
llevado a cabo el objetivo de poder gestionar el sistema desde un smartphone; lo
cual se mencionará como futuro desarrollo en el siguiente capítulo.
Como conclusión, se han logrado los objetivos planteados al comienzo de este
documento (ver 1.3). El sistema desarrollado puede ser empleado por un usuario para
monitorizar las variables en su hogar y para actuar los controladores conectadas a las
tarjetas desarrolladas en este proyecto. También el usuario será capaz de gestionar el
consumo de su hogar y verá reducido su potencia contratada de manera considerable
mediante el sistema gestor de energía, suponiendo ahorros anuales notables.
Sin embargo, en el proceso del desarrollo de este proyecto se han tenido que
afrontar varios problemas con el protocolo de comunicación, aunque los más
importantes se deben a una misma razón, la cual se expondrá a continuación. Se deben
destacar para evitar su posible reproducción en futuras aplicaciones y proyectos.
El principal problema se encuentra en el maestro central, que además de
coordinar la red emplea recursos en medir las corrientes del cuadro general del hogar.
Se ha observado una sobrecarga de tareas y algunas tareas se han ejecutado con retraso,
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72
Memoria
Conclusiones
o ni siquiera se han logrado llevar a cabo. Por ello se ha empleado una versión avanzada
del compilador que permite tener más margen al microprocesador de la TCC.
Por otro lado, se diseñó la interfaz de control inicialmente para enviar peticiones
de medidas a todos los microprocesadores a la vez cada 5 segundos. Debido al problema
de sobrecarga de tareas expuesto anteriormente, estas peticiones no llegaban a las
tarjetas TCD que controlaban los sensores. Se ha tenido que alternar las peticiones, de
tal manera que durante el periodo de 5 segundos se envíen las peticiones uno a uno para
cada dispositivo existente en el sistema domótico.
Asimismo, se programó la interfaz de control para enviar todos los cambios que
el usuario deseara para los controladores de una vez, lo cual, una vez más, falla debido
al problema de sobrecarga de tareas de la TCC. Por ello, se ha programado la interfaz de
manera que no se manden todas las peticiones a la vez.
En definitiva, se resalta una vez más que el principal problema se encontraba en
la presión que soportaba el microprocesador de la TCC debido al gran número de tareas
que debía cumplir: tomar medidas de corriente y comunicar los dispositivos con el PC,
traduciendo los mensajes uno a uno.
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Conclusiones
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Memoria
Futuros Desarrollos
Capítulo 9
FUTUROS DESARROLLOS
En este momento faltan elementos en el presente proyecto para desarrollar un
sistema domótico más completo y más robusto que el que se ha desarrollado. Se
proponen los siguientes futuros desarrollos:
•
Completar la arquitectura del sistema domótico que se definió en la figura 1.6.
En este proyecto se han implementado los sensores y actuadores más
importantes y menos complejos para poder completar los objetivos propuestos
(ver 1.3) anteriormente. Sin embargo, no son suficientes para ofrecer el confort y
la seguridad que se podría obtener con todos los sensores y actuadores definidos
en la arquitectura inicialmente definida.
•
Incrementar la robustez del protocolo MiWi. Existen casos puntuales en los que
un defecto en el hardware de las tarjetas controladoras pueda afectar la
estabilidad del sistema.
•
Mejorar la interfaz de control en cuanto a modularidad. Aunque no se pueda
accionar sobre un actuador que no esté instalado o recibir medidas acerca de
sensores que no existan en una cierta zona del hogar, en vez de mostrar una
advertencia se propone cambiar el aspecto de la interfaz de control para lograr
una organización más limpia de la interfaz.
•
Implementar esta interfaz de control en dispositivos portátiles como
smartphones o tablets. Este último punto incrementaría el confort del sistema
considerablemente, ya que el usuario no estaría restringido a un lugar fijo para
poder controlar su sistema inteligente.
•
Asimismo, se propone desarrollar un servidor online para que el usuario pueda
gestionar su red domótica desde donde sea, siempre que tenga acceso a internet.
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Memoria
Bibliografía
BIBLIOGRAFÍA
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[6] Empresa Nexia Home Intelligence: http://www.nexiahome.com
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[19] Wikipedia, Thermistor: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor
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[21] Wikipedia, Motion detector: http://en.wikipedia.org/wiki/Motion_detector
[22] Ladyada, PIR motion sensors: http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html
[23] Wikipedia, Fresnel lens: http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_lens
[24] A. Sánchez Miralles, Libro de texto de Microprocesadores para Sistemas Electrónicos Digitales
(ICAI). Año: 2011
[25] Andrea Kalčicová, RGB Model: http://web.vscht.cz/kalcicoa/POCPRE/rgb.html
[26] F. Martín Martínez, Gestión Energética para una Casa Inteligente. Año: 2013
[27] Microchip Technology Inc., dsPIC33FJ32MC202 Datasheet:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/70283g.pdf
[28] Microchip Technology Inc., RF Transceivers Products:
http://www.microchip.com/paramchartsearch/Chart.aspx?branchID=1206
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Bibliografía
78
Parte II ESTUDIO
ECONÓMICO
Estudio económico
El sector de la domótica está sufriendo los avances tecnológicos que se están
llevando hoy en día. Además, los gustos cambiantes de los consumidores están tomando
en muchos casos rumbo hacia este sector, ya que la domótica es una alternativa cómoda
y moderna para la vida cotidiana.
Otro factor importante a considerar es la investigación y desarrollo de las Smart
Cities, que pretenden instalar una red inteligente en las ciudades, y ya se está
implementando en algunos lugares como Ámsterdam, Málaga y Dubái. Estas redes
inteligentes serán más avanzadas en cuanto a la comunicación e infraestructura que las
redes domóticas en hogares, ya que la tecnología usada para la comunicación es distinta.
En vez de ZigBee, se usaría BPL (Broadband over Power Line), WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access) y redes móviles como el 3G. Las redes
sensoriales inalámbricas (WSN – Wireless Sensor Network) en este contexto serán
mucho más extensas y rigurosas, y medirán más variables como la contaminación en el
aire, la disponibilidad de aparcamientos en la acera para los que deseen aparcar por el
barrio y el nivel de los contenedores de basura para los recogedores de basura.
Se estima que la demanda en el sector de la domótica sufrirá un aumento
considerable después de la aparición de las Smart Cities. La tendencia de los habitantes
de las Smart Cities les llevaría a domotizar sus hogares. Por lo tanto, se prevé que los
productos desarrollados en este proyecto serán viables en un futuro próximo. Además, a
diferencia de países como EEUU, en España no existen tantas empresas enfocadas en el
sector de la domótica luego la entrada en el sector no sería un problema.
Como el sector aún está poco desarrollado, aún no es posible alcanzar una cuota
de mercado considerable, pero con la llegada de las Smart Cities el sector se
desarrollaría bastante. A continuación se muestra la característica de las curvas de
costes, ventas y beneficio que seguiría este sistema domótico antes y después de la
llegada de las Smart Cities:
Analizando el típico ciclo de vida de un producto, se definen 7 posibles etapas
de los productos desarrollados en este proyecto:
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81
Estudio económico
Unidades
Ventas
Monetarias
1
2
3
4
5
6
7
Costes
Beneficio
Consolidación
Tiempo
de las Smart
Cities
Figura 10.1: Ciclo de vida posible de el sistema domótico de este proyecto [26]
Figura 1 Posibles beneficios de la empresa
1. Introducción: Los costes serán muy intensos debido al desarrollo y a la
integración del producto en el mercado (campañas publicitarias y estudios de
mercado). En general, las ventas son muy bajas, pero van incrementándose poco
a poco, aunque no produzcan beneficios todavía ya que las pérdidas son muy
altas. Estos productos se empiezan a dar a conocer en el mercado.
2. Crecimiento: Las ventas han alcanzado el máximo nivel de crecimiento y no
paran de crecer. El producto está terminándose de integrarse en el mercado y las
pérdidas comienzan a desaparecer.
3. Madurez: Las ventas han parado de crecer y han llegado a un máximo. En este
momento los costes comienzan a descender y los beneficios a aumentar.
4. Declive: Los productos llegan a su declive con su obsolescencia.
5. Crecimiento II: parecida a la etapa 2, debido al refuerzo proveniente de las
Smart Cities, el ciclo se repite, comenzando por el crecimiento. Las ventas
llegan a niveles más altos que anteriormente. Se prevé que los sistemas
domóticos encontrarán ventajas si se integran en las redes de los Smart Cities.
Por ello, los costes sufren un incremento en esta etapa.
6. Madurez II: análoga a la etapa 3, con niveles más altos de ventas y de
beneficio, y con ligeramente menos costes.
7. Declive II: similar a la etapa 4. En estos momentos se ha podido desarrollar un
sustituto del producto debido al cambio tecnológico o al cambio de tendencias,
lo cual repercute seriamente en las ventas.
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82
Parte III MANUAL DEL
USUARIO
Manual del usuario
Capítulo 1
Dispositivos remotos
DISPOSITIVOS REMOTOS
En este capítulo se tratarán los siguientes apartados relacionados con los
dispositivos: las tarjetas controladoras y los dispositivos de comunicación.
1.1 TARJETAS CONTROLADORAS
El sistema domótico representado por las tarjetas controladoras está coordinada
por el maestro, que se encuentra en la TCC. En la instalación de la red inalámbrica, para
lograr la mejor configuración de la red posible se debe activar primero la TCC, y
después, en orden, los dispositivos en orden descendente de cercanía a la TCC. Con esto
se puede asegurar que la red obtenga el mejor alcance y que los dispositivos sean
integrados a la red por el dispositivo activo más cercano a él, de modo que reduce la
probabilidad de fallo de envío de mensajes.
Las tarjetas controladoras no se alimentan todas de la misma manera, tal y como
se expone a continuación:
•
Alimentación a 12V en corriente continua: TCD y TCI-4F.
•
Alimentación a 220V en corriente alterna: TCI-F, TCA y TCC.
Una vez que la TCC se haya activado, aparte de formar la red MiWi entre los
dispositivos también se puede empezar a establecer la conexión con la interfaz de
control, a través del router (junto con las tarjetas controladoras se proporcionaría un PC
portátil y un router configurados para la comunicación del sistema inteligente). El
último paso a seguir es la inicialización de la interfaz de control en el PC.
El usuario deberá tener en cuenta la siguiente lista de precauciones para evitar
accidentes, ya que algunos circuitos operan con una tensión considerable:
•
En caso de alimentar cualquier dispositivo y no se ilumina el LED rojo de
encendido, desconectar inmediatamente y avisar al servicio técnico.
•
En ningún caso el usuario manipulará las tarjetas, sobre todo cuando se
encuentren en funcionamiento.
•
En caso de avería no intentar repararlo, sino avisar al servicio técnico.
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85
Manual del usuario
•
Dispositivos remotos
En caso de que el LED verde de la TCC no parpadee después de conectarla,
desconectar y verificar que el router está conectado correctamente.
•
Mantener los dispositivos alejados del agua y la humedad.
1.2 DISPOSITIVOS DE COMUNICACIÓN
1.2.1 COMUNICACIÓN WIFI
Es necesario establecer la misma dirección IP y canales para todos los
dispositivos de comunicación, así como configurar otros elementos de comunicación:
•
En los programas de la interfaz y del server, hay que configurar la dirección IP
del servidor en los archivos Host.txt y ServerApp.ini respectivamente.
•
En el driver de comunicación WiFi del microprocesador se debe configurar la
misma dirección IP del servidor y también su dirección MAC.
•
En este mismo driver se debe igualar la dirección SSID (el nombre de la red
WiFi) del microprocesador a la del router, así como la clave de seguridad del
router, la cual debe tener la seguridad configurada en modo WPA (Wifi
Protected Access) con cifrado PSK (Phase Shift Keying).
•
Si no se desea conectar el PC mediante un cable de tipo Ethernet sino por WiFi,
se debe también usar la misma clave en el PC.
•
Debido a que el módulo de comunicación WiFi del microprocesador sólo tiene
disponibles los canales 1, 6 y 11, se debe configurar el router para la
comunicación en uno de estos canales.
•
La modulación en la comunicación WiFi será de 802.11b o 802.11g.
1.2.2 COMUNICACIÓN MIWI
Usando el sniffer ZENA Network Analyzer, se pueden comprobar los siguientes
requisitos:
•
Sin conectar ningún dispositivo a la red MiWi, comprobar si no existe alguna
red ya establecida en los canales 11-26 y programar los microprocesadores con
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Manual del usuario
Dispositivos remotos
el canal libre. Si no se cumple para ningún canal, asegurarse de que la constante
que define el identificador de la red no sea igual a las redes ya establecidas.
•
Si aparece en ZENA Network Analyzer una cantidad excesiva de paquetes de
petición de baliza (beacon request) de un mismo dispositivo asegurarse de que
el dispositivo más cercano no esté a una distancia muy lejana y de que la red
haya sido creada ya por la TCC (se recomienda que los dispositivos no estén
separados por más de una pared).
•
Asimismo, si el ZENA Network Analyzer muestra un número muy alto de
paquetes de petición de asociación (association request) es muy posible que una
tarjeta controladora esté defectuosa. Avisar al servicio técnico.
•
Si algún dispositivo se ha apagado, se puede reconectar sin problemas. Sin
embargo, si la TCC se desconecta, se deben apagar todos los dispositivos y
luego encenderlos una vez la TCC vuelva a establecer la red MiWi.
•
Si en ZENA Network Analyzer aparecen 4 paquetes idénticos consecutivos sin
un paquete tipo ACK después, se trata de un mensaje fallido y es muy probable
que algún dispositivo se haya apagado por falta de alimentación.
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Manual del usuario
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Dispositivos remotos
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Manual del usuario
Acceso a la base de datos con ODBC
Capítulo 2
INTERFAZ DE CONTROL
Es necesario haber preconfigurado la base de datos antes de ejecutar la
aplicación de la interfaz. También se debe ejecutar la interfaz después de haber
conectado todas las tarjetas controladoras y después de haber ejecutado la aplicación del
server y establecer la comunicación WiFi con la TCC. A continuación se muestran las
distintas zonas de la interfaz de control:
1
2
3
4
A
1
2
3
4
B
C
Figura 20.1: Interfaz de control (pestaña del Energy System)
Las diferentes partes de la interfaz de control (en la pestaña del Energy System)
se exponen a continuación:
A. Zona de parámetros generales
1. Parámetros de coste y consumo que el usuario quiere fijar (mediante el botón
de Send Parameters). También se muestra en pantalla el consumo total.
2. Medidas de corriente provenientes de la TCC (situada en el cuadro general
de protección del hogar).
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Manual del usuario
Acceso a la base de datos con ODBC
3. Menú desplegable que cambia la información mostrada en la zona B según
la habitación/región seleccionada.
4. Selector de modo autogestión (ON/OFF).
B. Zona de parámetros del sistema energético/domótico (depende de 1.)
1. Pestaña selectora para cambiar de sistema.
2. Corriente, porcentaje de carga y prioridad del enchufe seleccionado según el
menú desplegable de enchufes.
3. Zona de gráficos de consumo.
4. Cambio de parámetros mostrados en 2.
C. Zona que indica el estado de conexión con el server.
2
1
3
Figura 20.2: Interfaz de control (pestaña del Home Automation)
1. Lectura de los sensores de la habitación seleccionada.
2. Controlador para persianas. Se actúa pulsando en el botón Send new state.
3. Controlador para LEDs RGB. Se actúa pulsando en Send new lighting. Los
valores actuales de los LEDs RGB se muestran en negrita, y los que se
quieren establecer con los sliders aparecen a la derecha.
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
90
Manual del usuario
Capítulo 3
Acceso a la base de datos con ODBC
ACCESO A LA BASE DE DATOS CON ODBC
Para que la base de datos funcione correctamente es necesario establecer el
enlace de acceso con ODBC. Los pasos necesarios para llevar esta tarea a cabo son las
siguientes:
1. Primero se accede, en el Panel de Control, dentro de Herramientas administrativas,
entrar en Orígenes de datos ODBC. Si se selecciona la pestaña DSN de sistema se
llega a la siguiente ventana:
Figura 20.3: Ventana del DSN de sistema
2. A continuación se pulsa el botón de Agregar y se selecciona el Driver MySQL
ODBC con la versión correspondiente y por último se pulsa Finalizar.
Figura 20.4: Ventana para seleccionar driver
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
91
Manual del usuario
Acceso a la base de datos con ODBC
3. Pulsando Finalizar aparece la siguiente ventana:
Figura 20.5: Ventana de conexión con la base de datos
Se deben completar los campos siguientes:
•
Data Source Name: el nombre de la base de datos
•
TCP/IP Server: escribir localhost o la IP donde esté la base de datos.
•
User: el nombre de usuario, que debe coincidir con el que esté configurado en la
base de datos.
•
Password: la contraseña, que también debe coincidir con la configurada en la
base de datos.
Posteriormente se comprueba la conexión con el botón Test. Si lo es, pulsar OK.
4. Habiendo completado estos pasos ya se ha
establecido conexión con la base de datos.
Ahora sólo queda como último paso conectar
mediante DBManager. Para conectar se
selecciona en la pestaña de Tools el menú de
Server, y dentro de él se selecciona Server
Manager. Se llegaría a la ventana mostrada
en la figura 20.6. Se rellenan los campos de
usuario y contraseña, y pulsar aceptar si esta
es satisfactoria.
Figura 20.6: Conexión con DBManager
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
92
DOCUMENTO II
PRESUPUESTO
Presupuesto
Índice del presupuesto
Índice del presupuesto
Contenido
Índice del presupuesto ............................................................................................ 3
Capítulo 1
Mediciones ...................................................................................... 5
1.1
TCD – Tarjeta de Control Domótico ................................................................. 5
1.2
TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación-Foco .............................................. 6
1.3
TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación-4 Fases ........................................ 6
1.4
TCA – Tarjeta de Control de Actuadores .......................................................... 7
1.5
TCC – Tarjeta de Control Central...................................................................... 8
1.6
Equipo y herramientas empleadas ..................................................................... 8
1.7
Software empleado ............................................................................................ 8
1.8
Mano de obra directa ......................................................................................... 9
Capítulo 2
Precios unitarios ........................................................................... 11
2.1
TCD – Tarjeta de Control Domótico ............................................................... 11
2.2
TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación-Foco ............................................ 12
2.3
TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación-4 Fases ...................................... 12
2.4
TCA – Tarjeta de Control de Actuadores ........................................................ 13
2.5
TCC – Tarjeta de Control Central.................................................................... 14
2.6
Equipo y herramientas empleadas ................................................................... 14
2.7
Software empleado .......................................................................................... 14
2.8
Mano de obra directa ....................................................................................... 15
Capítulo 3
Sumas parciales ............................................................................ 17
3.1
TCD – Tarjeta de Control Domótico ............................................................... 17
3.2
TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación-Foco ............................................ 18
3.3
TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación-4 Fases ...................................... 18
3.4
TCA – Tarjeta de Control de Actuadores ........................................................ 19
3.5
TCC – Tarjeta de Control Central.................................................................... 20
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
3
Presupuesto
Índice del presupuesto
3.6
Equipo y herramientas empleadas ................................................................... 20
3.7
Software empleado .......................................................................................... 21
3.8
Mano de obra directa ....................................................................................... 21
Capítulo 4
Presupuesto general ..................................................................... 23
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
4
Presupuesto
Mediciones
Capítulo 1
MEDICIONES
En este capítulo se expondrá la cantidad de componentes necesarios para la
elaboración de los diferentes dispositivos, así como las horas requeridas para llevar a
cabo las tareas realizadas en este proyecto.
1.1 TCD – TARJETA DE CONTROL DOMÓTICO
Componente
Cantidad
1
Condensador cerámico multicapa 100 nF
2
Condensador electrolítico Al 68 μF 16V
1
Condensador electrolítico Al 68 μF 63V
7
Condensador SMD 100 nF
1
Diodo LED
2
Diodo Schottky
1
Fuente de alimentación step-down 3.3V
1
Fuente de alimentación step-down 5.0V
2
Inductor axial 100 μH
1
Interruptor DIP deslizante 3 vías
1
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
1
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1
PCB
1
Pulsador
1
Resistencia 1 kΩ
2
Resistencia 1 MΩ
2
Resistencia 1.8 kΩ
1
Resistencia 10 kΩ
2
Resistencia 384 kΩ
1
Resistencia SMD 10 kΩ
3
Terminal macho con ajuste por fricción 2 vías 2.54mm
1
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
70
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
11
Terminal recto PCB 5.08mm (Verde)
1
Zócalo de 28 pines
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
5
Presupuesto
Mediciones
1.2 TCI-F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-FOCO
Componente
Cantidad
5
Condensador SMD 100 nF
1
Diodo LED
6
LED RGB individual
1
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
1
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1
PCB
1
Pulsador
1
Resistencia 1 kΩ
2
Resistencia 4.7 kΩ
1
Resistencia SMD 10 kΩ
3
Resistencia SMD 2.2 kΩ
1
Resistencia SMD 22 Ω
4
Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm
1
Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm
1
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
4
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
1
Transformador de tensión 1 salida
3
Transistor NPN (BC140)
1
Zócalo de 28 pines
1.3 TCI-4F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-4 FASES
Componente
Condensador electrolítico Al 68 μF 16V
Condensador electrolítico Al 68 μF 63V
Condensador SMD 100 nF
Diodo LED
Diodo Schottky
Fuente de alimentación step-down 3.3V
Inductor axial 100 μH
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
Módulo de radiofrecuencia MiWi
PCB
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Cantidad
1
1
7
1
1
1
1
1
1
1
6
Presupuesto
Pulsador
Resistencia 1 kΩ
Resistencia 1 MΩ
Resistencia 384 kΩ
Resistencia 4.7 kΩ
Resistencia SMD 10 kΩ
Resistencia SMD 2.2 kΩ
Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm
Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
Tira de 15 LEDs RGB
Transistor NPN (BC140)
Zócalo de 28 pines
Mediciones
1
1
1
1
2
1
12
16
1
1
4
4
12
1
1.4 TCA – TARJETA DE CONTROL DE ACTUADORES
Componente
Cantidad
5
Condensador SMD 100 nF
1
Diodo LED
3
Diodo rectificador
1
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
1
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1
PCB
1
Pulsador
1
Relé lacheado
1
Relé no lacheado
4
Resistencia 1 kΩ
2
Resistencia 4.7 kΩ
1
Resistencia SMD 10 kΩ
1
Terminal de rosca PCB 2 vías 5.08mm
2
Terminal de rosca PCB 6 vías 2.54mm
1
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
4
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
1
Transformador de tensión 2 salidas
3
Transistor NPN
1
Zócalo de 28 pines
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
7
Presupuesto
Mediciones
1.5 TCC – TARJETA DE CONTROL CENTRAL
Esta tarjeta no se ha desarrollado en este proyecto, sino en el proyecto del
sistema gestor de energía. Se incluye ya que como es el coordinador de la red no puede
existir dicha red sin dicho coordinador. Sin embargo, no se incluirá la lista de
componentes de la TCC, sino el precio final de ella.
1.6 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS
1
1
1
1
Horas de
proyecto
450
170
200
80
Horas de uso al
año
1350
300
400
300
1
30
1200
1
1
1
1
40
10
30
10
500
250
200
100
Horas de
proyecto
300
30
100
5
20
120
10
80
Horas de uso al
año
800
250
1000
100
400
600
100
300
Elemento
Cantidad
PC
Programador MPLAB ICD3
Polímetro
ZENA Packet Sniffer
Destornillador, alicates y otras
herramientas
Soldador
Desoldador
Mordaza
Router WiFi
1.7 SOFTWARE EMPLEADO
Elemento
Cantidad
MPLAB IDE v8.63
EAGLE PCB Designer v6.1.0
Visual Studio 2010
ERwin Data Modeling
DBManager Professional v3.2
Office Word 2007
Qt Designer v5.0.1
Zena Network analyzer v3.0
1
1
1
1
1
1
1
1
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
8
Presupuesto
Mediciones
1.8 MANO DE OBRA DIRECTA
Actividad
Horas
25
Diseño de las tarjetas
40
Montaje de las tarjetas
300
Programación
25
Implementación de sensores
15
Implementación de actuadores
Pruebas y solución de problemas 200
135
Documentación del proyecto
740
Horas totales
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
9
Presupuesto
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Mediciones
10
Presupuesto
Precios unitarios
Capítulo 2
PRECIOS UNITARIOS
En este capítulo se expondrá la cantidad de componentes necesarios para la
elaboración de los diferentes dispositivos, así como las horas requeridas para llevar a
cabo las tareas realizadas en este proyecto.
2.1 TCD – TARJETA DE CONTROL DOMÓTICO
Componente
Precio (€/ud.)
0,098
Condensador cerámico multicapa 100 nF
0,136
Condensador electrolítico Al 68 μF 16V
0,210
Condensador electrolítico Al 68 μF 63V
0,060
Condensador SMD 100 nF
0,100
Diodo LED
0,075
Diodo Schottky
5,870
Fuente de alimentación step-down 3.3V
6,590
Fuente de alimentación step-down 5.0V
1,140
Inductor axial 100 μH
1,380
Interruptor DIP deslizante 3 vías
2,880
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
9,880
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1,935
PCB
1,020
Pulsador
0,028
Resistencia 1 kΩ
0,028
Resistencia 1 MΩ
0,028
Resistencia 1.8 kΩ
0,028
Resistencia 10 kΩ
0,028
Resistencia 384 kΩ
0,017
Resistencia SMD 10 kΩ
0,317
Terminal macho con ajuste por fricción 2 vías 2.54mm
0,288
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
0,045
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
0,095
Terminal recto PCB 5.08mm (Verde)
0,042
Zócalo de 28 pines
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
11
Presupuesto
Precios unitarios
2.2 TCI-F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-FOCO
Componente
Precio (€/ud.)
0,060
Condensador SMD 100 nF
0,100
Diodo LED
0,924
LED RGB individual
2,880
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
9,880
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1,935
PCB
1,020
Pulsador
0,028
Resistencia 1 kΩ
0,028
Resistencia 4.7 kΩ
0,017
Resistencia SMD 10 kΩ
0,021
Resistencia SMD 2.2 kΩ
0,028
Resistencia SMD 22 Ω
0,060
Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm
0,754
Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm
0,288
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
0,045
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
12,910
Transformador de tensión 1 salida
0,580
Transistor NPN (BC140)
0,042
Zócalo de 28 pines
2.3 TCI-4F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-4 FASES
Componente
Condensador electrolítico Al 68 μF 16V
Condensador electrolítico Al 68 μF 63V
Condensador SMD 100 nF
Diodo LED
Diodo Schottky
Fuente de alimentación step-down 3.3V
Inductor axial 100 μH
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
Módulo de radiofrecuencia MiWi
PCB
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Precio (€/ud.)
0,136
0,210
0,060
0,100
0,075
5,870
1,140
2,880
9,880
1,935
12
Presupuesto
Precios unitarios
Pulsador
Resistencia 1 kΩ
Resistencia 1 MΩ
Resistencia 384 kΩ
Resistencia 4.7 kΩ
Resistencia SMD 10 kΩ
Resistencia SMD 2.2 kΩ
Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm
Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
Tira de 15 LEDs RGB
Transistor NPN (BC140)
Zócalo de 28 pines
1,020
0,028
0,028
0,028
0,028
0,017
0,021
0,060
0,754
0,288
0,045
4,950
0,580
0,042
2.4 TCA – TARJETA DE CONTROL DE ACTUADORES
Componente
Precio (€/ud.)
0,060
Condensador SMD 100 nF
0,100
Diodo LED
0,045
Diodo rectificador
2,880
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
9,880
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1,935
PCB
1,020
Pulsador
7,230
Relé lacheado
2,780
Relé no lacheado
0,028
Resistencia 1 kΩ
0,028
Resistencia 4.7 kΩ
0,017
Resistencia SMD 10 kΩ
0,754
Terminal de rosca PCB 2 vías 5.08mm
2,070
Terminal de rosca PCB 6 vías 2.54mm
0,288
Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm
0,045
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
15,120
Transformador de tensión 2 salidas
0,036
Transistor NPN
0,042
Zócalo de 28 pines
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
13
Presupuesto
Precios unitarios
2.5 TCC – TARJETA DE CONTROL CENTRAL
El coste de los componentes de esta tarjeta no se muestra en este proyecto ya que
se ha desarrollado en otro. No obstante, en el siguiente capítulo se tendrá en cuenta.
2.6 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS
Elemento
Precio (€/ud.)
799,00
PC
154,60
Programador MPLAB ICD3
45,00
Polímetro
100,00
ZENA Packet Sniffer
80,00
Destornillador, alicates y otras herramientas
35,00
Soldador
34,87
Desoldador
31,69
Mordaza
22,00
Router WiFi
2.7 SOFTWARE EMPLEADO
Elemento
Precio (€/ud.)
Versión libre
MPLAB IDE v8.63
Versión libre
EAGLE PCB Designer v6.1.0
115,00
Visual Studio 2010
3637,79
ERwin Data Modeling
DBManager Professional v3.2 Libre para uso no comercial
135
Office Word 2007
Libre para uso no comercial
Qt Designer v5.0.1
Gratis
Zena Network analyzer v3.0
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
14
Presupuesto
Precios unitarios
2.8 MANO DE OBRA DIRECTA
Actividad
Diseño de las tarjetas
Montaje de las tarjetas
Programación
Implementación de sensores
Implementación de actuadores
Pruebas y solución de problemas
Documentación del proyecto
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Precio (€/hora)
45
15
25
20
20
55
40
15
Presupuesto
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Precios unitarios
16
Presupuesto
Sumas parciales
Capítulo 3
SUMAS PARCIALES
En este capítulo se indicarán los importes parciales a partir de los primeros dos
capítulos: las mediciones y los precios unitarios.
3.1 TCD – TARJETA DE CONTROL DOMÓTICO
Componente
Cantidad Precio (€/ud.) Coste total (€)
1
0,098
0,098
Condensador cerámico multicapa 100 nF
2
0,136
0,272
Condensador electrolítico Al 68 μF 16V
1
0,210
0,210
Condensador electrolítico Al 68 μF 63V
7
0,060
0,420
Condensador SMD 100 nF
1
0,100
0,100
Diodo LED
2
0,075
0,150
Diodo Schottky
1
5,870
5,870
Fuente de alimentación step-down 3.3V
1
6,590
6,590
Fuente de alimentación step-down 5.0V
2
1,140
2,280
Inductor axial 100 μH
1
1,380
1,380
Interruptor DIP deslizante 3 vías
1
2,880
2,880
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
1
9,880
9,880
Módulo de radiofrecuencia MiWi
1
1,935
1,935
PCB
1
1,020
1,020
Pulsador
1
0,028
0,028
Resistencia 1 kΩ
2
0,028
0,056
Resistencia 1 MΩ
2
0,028
0,056
Resistencia 1.8 kΩ
1
0,028
0,028
Resistencia 10 kΩ
2
0,028
0,056
Resistencia 384 kΩ
1
0,017
0,017
Resistencia SMD 10 kΩ
3
0,317
0,951
Terminal macho con aj. fricción 2 vías
1
0,288
0,288
Terminal macho con aj. fricción 3 vías
70
0,045
3,150
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
11
0,095
1,045
Terminal recto PCB 5.08mm (Verde)
1
0,042
0,042
Zócalo de 28 pines
TOTAL
38,802
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
17
Presupuesto
Sumas parciales
3.2 TCI-F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-FOCO
5
1
6
1
1
1
1
1
2
1
3
1
4
1
Precio
(€/ud.)
0,060
0,100
0,924
2,880
9,880
1,935
1,020
0,028
0,028
0,017
0,021
0,028
0,060
0,754
Coste total
(€)
0,300
0,100
5,544
2,880
9,880
1,935
1,020
0,028
0,056
0,017
0,063
0,028
0,240
0,754
1
0,288
0,288
4
1
3
1
0,045
12,910
0,580
0,042
TOTAL
0,180
12,910
1,740
0,042
38,005
Componente
Cantidad
Condensador SMD 100 nF
Diodo LED
LED RGB individual
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
Módulo de radiofrecuencia MiWi
PCB
Pulsador
Resistencia 1 kΩ
Resistencia 4.7 kΩ
Resistencia SMD 10 kΩ
Resistencia SMD 2.2 kΩ
Resistencia SMD 22 Ω
Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm
Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm
Terminal macho con ajuste por fricción 3
vías 2.54mm
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
Transformador de tensión 1 salida
Transistor NPN (BC140)
Zócalo de 28 pines
3.3 TCI-4F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-4 FASES
Componente
Cantidad
Condensador electrolítico Al 68 μF 16V
Condensador electrolítico Al 68 μF 63V
Condensador SMD 100 nF
Diodo LED
Diodo Schottky
Fuente de alimentación step-down 3.3V
Inductor axial 100 μH
1
1
7
1
1
1
1
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Precio
(€/ud.)
0,136
0,210
0,060
0,100
0,075
5,870
1,140
Coste total
(€)
0,136
0,210
0,420
0,100
0,075
5,870
1,140
18
Presupuesto
Sumas parciales
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
Módulo de radiofrecuencia MiWi
PCB
Pulsador
Resistencia 1 kΩ
Resistencia 1 MΩ
Resistencia 384 kΩ
Resistencia 4.7 kΩ
Resistencia SMD 10 kΩ
Resistencia SMD 2.2 kΩ
Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm
Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm
Terminal macho con ajuste por fricción 3
vías 2.54mm
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
Transistor NPN (BC140)
Zócalo de 28 pines
Tira de 15 LEDs RGB
1
1
1
1
1
1
1
2
1
12
16
1
2,880
9,880
1,935
1,020
0,028
0,028
0,028
0,028
0,017
0,021
0,060
0,754
2,880
9,880
1,935
1,020
0,028
0,028
0,028
0,056
0,017
0,252
0,960
0,754
1
0,288
0,288
4
12
1
4
0,045
4,950
0,580
0,042
TOTAL
0,180
59,400
0,580
0,168
86,405
3.4 TCA – TARJETA DE CONTROL DE ACTUADORES
Componente
Cantidad
Condensador SMD 100 nF
Diodo LED
Diodo rectificador
Microprocesador dsPIC33FJ32MC202
Módulo de radiofrecuencia MiWi
PCB
Pulsador
Relé lacheado
Relé no lacheado
Resistencia 1 kΩ
Resistencia 4.7 kΩ
Resistencia SMD 10 kΩ
Terminal de rosca PCB 2 vías 5.08mm
Terminal de rosca PCB 6 vías 2.54mm
5
1
3
1
1
1
1
1
1
4
2
1
1
2
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Precio
(€/ud.)
0,060
0,100
0,045
2,880
9,880
1,935
1,020
7,230
2,780
0,028
0,028
0,017
0,754
2,070
Coste total
(€)
0,300
0,100
0,135
2,880
9,880
1,935
1,020
7,230
2,780
0,112
0,056
0,017
0,754
4,140
19
Presupuesto
Sumas parciales
Terminal macho con ajuste por fricción 3
vías 2.54mm
Terminal recto PCB 5.08mm (Negro)
Transformador de tensión 2 salidas
Transistor NPN
Zócalo de 28 pines
1
0,288
0,288
4
1
3
1
0,045
15,120
0,036
0,042
TOTAL
0,180
15,120
0,108
0,042
47,077
3.5 TCC – TARJETA DE CONTROL CENTRAL
El coste unitario de la TCC es de 69,115€/ud.
3.6 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS
Elemento
PC
Programador
MPLAB ICD3
Polímetro
ZENA Packet
Sniffer
Destornillador,
alicates y otras
herramientas
Soldador
Desoldador
Mordaza
Router WiFi
1
450
Horas
de uso
al año
1350
1
170
1
Horas de
Cantidad
proyecto
Precio Amortización Coste
(€/ud.)
anual
(€)
799,00
25%
66,58
300
154,60
25%
21,90
200
400
45,00
25%
5,63
1
80
300
100,00
25%
6,67
1
30
1200
80,00
25%
0,50
1
1
1
1
40
10
30
10
500
250
200
100
35,00
34,87
31,69
22,00
25%
25%
25%
25%
TOTAL
0,70
0,35
1,19
0,55
104,06
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
20
Presupuesto
Sumas parciales
3.7 SOFTWARE EMPLEADO
Elemento
Visual
Studio 2010
ERwin Data
Modeling
Office Word
2007
Cantidad
Horas de
proyecto
Horas de
uso al
año
Precio
(€/ud.)
Amortización
anual
Coste
(€)
1
100
1000
115,00
20%
2,30
1
5
100
3637,79
20%
36,38
1
120
600
135
20%
5,40
TOTAL
44,08
3.8 MANO DE OBRA DIRECTA
Actividad
Horas Precio (€/hora) Coste €
25
45
1125
Diseño de las tarjetas
40
15
600
Montaje de las tarjetas
300
25
7500
Programación
25
20
500
Implementación de sensores
15
20
300
Implementación de actuadores
55
11000
Pruebas y solución de problemas 200
135
40
5400
Documentación del proyecto
TOTAL
26425
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
21
Presupuesto
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
Sumas parciales
22
Presupuesto
Capítulo 4
Presupuesto general
PRESUPUESTO GENERAL
Sumando las cantidades de todas las partes calculadas anteriormente se concluye
que el coste de este proyecto, impuestos incluidos, asciende a:
Concepto
Coste (€)
116,41
TCD - Tarjeta de Control Domótico (3 uds.)
76,01
TCI-F - Tarjeta de Control de Iluminación - Foco (2 uds.)
TCI-4F - Tarjeta de Control de Iluminación - 4 Fases (1 ud.) 86,41
47,08
TCA - Tarjeta de Control de Actuadores (1 ud.)
69,12
TCC - Tarjeta de Control Central (1 ud.)
104,06
Equipo y herramientas empleadas
44,08
Software empleado
26425,00
Mano de obra directa
TOTAL
26968,15
Sistema domótico para una casa inteligente
Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén
23