Prototipo de pasarela residencial inteligente multicanal

Prototipo de pasarela residencial inteligente multicanal
Luis Felipe Herrera Quintero1
1 Grupo de Investigación en Teleinformática de la Universidad Nacional de Colombia.
Bogota, Colombia.
http://www.gitun.unal.edu.co/
lfeli99@yahoo.com.ar
Resumen. En la actual sociedad de la información que se vive hoy en día, se
da inicio a una temática bastante interesante que recoge varias áreas del
conocimiento, para formar tres palabras que combinadas dan un sabor
tecnológico puro y es lo que hoy se llama Pasarela residencial Inteligente.
Todo esto se debe a que Internet gracias a su protocolo IP permite la
integración de nuevas y diversas tecnologías dentro del hogar tradicional, por lo
tanto los seres humanos puedan interactuar con su vivienda cuando no se
encuentra en su interior. En los hogares existen una cantidad no definida de
dispositivos (electrodomésticos) que tecnológicamente hablando están
desconectados frente a la red de redes Internet, esto sucede como se dijo
cuando el habitante no se encuentra en su vivienda, y es aquí donde las
palabras Pasarela Residencial inteligente multicanal toman fuerza para diseñar
con las diversas tecnologías de la sociedad de la información una solución útil
para mejorar la interacción entre el hombre y su hogar.
1 Introducción
Los escenarios donde los seres humanos interactúan, en especial las viviendas no
cuentan con sistemas inteligentes, por lo tanto la desarticulación tecnológica es
inherente cuando su habitante se encuentra fuera del hogar. Hoy se busca la
integración de la palabra inteligente a nivel residencial para obtener como resultado
hogar inteligente o Vivienda Inteligente o Pasarela residencia [1] inteligente
transformado la simple definición de hogar según el diccionario de la real academia
española Centro de ocio en el que se reúnen personas que tienen en común una
actividad, una situación personal o una procedencia en una vivienda con un sistema
nervioso a tal punto que las paredes van a sentir (Frío o calor), las ventanas
distinguirán el día de la noche, los electrodomésticos hablaran entre ellos, por
ejemplo: Un microondas preguntándole al refrigerador que tiene en su interior para el
sugerirle al habitante que puede hacer de comida, entre otras, y con esto su habitante
podrá estar en completa comunicación con su hogar digital. Cuando se habla de
pasarelas residenciales inteligentes se escucha en el ambiente el término domótica
que se refiere a un conjunto de automatismos que se encuentran en el hogar.
1.1 Domótica
La Domótica en términos generales es posible definirla como la integración
simultanea de las diversas áreas del conocimiento como lo son: las
telecomunicaciones, la electrónica, la informática y la electricidad en el interior del
hogar. El área de la domótica tiene como objetivo el mejoramiento de la calidad de
vida de los seres humanos [1] y a su vez tiene como principio satisfacer las
necesidades de los habitantes como por ejemplo: Facilitar el control integral de la
vivienda, incrementar la seguridad en el hogar, ahorrar energía, dinero y tiempo,
facilitar la oferta de nuevos servicios, y confort de las personas. La domótica permite
a las personas una interacción con todos sus electrodomésticos y diversos
dispositivos electrónicos cuando el habitante se encuentra fuera de su vivienda. Todo
esto es posible gracias al protocolo Internet IP y a las diversas redes de
telecomunicaciones que las tecnologías de la sociedad de la información ofrecen en la
actualidad. A continuación se presenta el diseño de las interfaces inteligentes [2] que
convierten el hogar tradicional en una pasarela residencial inteligente.
2 Diseño e Implementación de las Interfaces Inteligentes
El diseño e implementación de las interfaces inteligentes involucra una serie de
conceptos que son los pilares del prototipo diseñado, y son los que a continuación se
destacan.
2.1 Teoría de Control: Acciones de Control de dos Posiciones
Es necesario que para la interacción entre el hombre y su hogar exista una relación
directa entre el y dispositivo que desea controlar, según esto, es fundamental saber
cual es el tipo de control que el habitante va a tener sobre sus dispositivos o
electrodomésticos. Para el caso del prototipo diseñado el tipo de control es de dos
posiciones fijas que son encendido o apagado. El control de dos posiciones [3] es
elegido dada su simplicidad y economía cuando se habla de costos para una vivienda
tradicional, ya que lo que se pretende en la vivienda, es involucrar una inteligencia no
tan robusta sino más bien básica y a partir de esto poder elevar más su complejidad.
2.2 Interfaz de hardware entre el ordenador y el sistema domótico
Las pasarelas residenciales inteligentes son los dispositivos frontera entre las
distintas redes de acceso tanto externas como internas de la vivienda [2], y al hablar
de ellas es preciso diseñar un dispositivo inteligente que contenga los componentes
principales para la integración de los diversos electrodomésticos que hay en el
interior hogar, con el exterior, ya sean por ejemplo Internet, dispositivos Móviles.
Teniendo en cuenta esta premisa, es necesario conocer muy bien, desde un punto de
vista físico, el ordenador. El ordenador cuenta con diferentes puertos de entrada y
salida de datos con los cuales se pueden enviar, transmitir, recibir las tramas
adecuadas para el entendimiento entre él y la interfaz inteligente. El ordenador que
hay en la vivienda cuenta con la mayoría de los siguientes puertos: el puerto paralelo,
el de juegos, IRDA, el de video o VGA, el IEEE 1394 (Firewire), el USB, el serial,
[4] y a partir de todos estos, se escoge el de mayor relevancia tanto económica como
de articulación tecnológíca, que permita una integración sencilla a la vivienda
inteligente. Para el caso de la interfaz diseñada, el puerto serial denominado también
como RS-232 es escogido para la comunicación entre el ordenador y la pasarela
residencial, dada las anteriores razones. En la siguiente Figura 1 se puede observar
dicha Interfaz.
Fig 1. Interfaz Inteligente del sistema domótico (Pasarela Residencial Inteligente).
Como se puede observar en la figura anterior, a la interfaz inteligente se le
denomina también Centro de Gestión que es donde se centraliza el control de los
dispositivos o electrodomésticos de la pasarela residencial inteligente. Asimismo se
pueden observar una serie de siglas como RTPBC (Red telefónica pública básica
conmutada) y RTMC (Red de telefonía móvil celular) [5], que se relacionan
directamente con las redes en que opera la interfaz, es decir el usuario del sistema
puede interactuar con su vivienda utilizando un teléfono fijo mediante la utilización
del sistema DTMF (Dual Tone Multifrecuency) [6] y tener un control de encendido o
apagado de los dispositivos que hay al interior de la vivienda y lo mismo sucede
utilizando la red de telefonía móvil celular.
En la figura mostrada, igualmente se puede observar la utilización del puerto
serial, que conecta la interfaz inteligente al ordenador local, este es el encargado
mediante software de gestión de dispositivos o electrodomésticos de llevar la
información a Internet, y mediante un ordenador remoto es posible acceder a ella
gracias al protocolo IP (Protocolo Internet) [7].
2.3 Tecnología de hardware embebido utilizada para el diseño de la Interfaz
Para el hogar inteligente es necesario contar con un dispositivo que se encargue del
control de los distintos electrodomésticos que se hallen al interior del hogar, para esta
interfaz es utilizado un microcontrolador [8] que es el común denominador en cuanto
a mando o accionamiento de los electrodomésticos, también es el encargado de
recibir la información y procesarla de acuerdo a la petición que haga el usuario, ya
sea encender o apagar un dispositivo en la vivienda. El microcontrolador escogido
para la elaboración de la interfaz es de la marca Microchip gracias las siguientes
razones [9]:
- Bajo costo
- Alta velocidad de respuesta
- Gran disponibilidad de información para estos circuitos integrados
- Módulos duales de comunicación serial como I2C y USART
- Temporizadores de 8, 16 bits para cuenta de pulsos digitales
- Memoria Flash
- Alta capacidad en Memoria RAM
Otra razón importante es que los microcontroladores deben ser grabados en un
dispositivo especial a nivel de hardware, y para el caso de microchip existen
implementaciones realmente económicas para el grabador.
Otro parámetro importante para escoger este microcontrolador es la gran
estabilidad y la inmunidad al ruido que posee la marca Microchip gracias a su
tecnología CMOS.
La pasarela residencial diseñada tiene como objetivo brindarle al habitante una
forma bastante sencilla y fácil para gestionar su hogar, y así con esto pueda
interactuar con los dispositivos que hay al interior del hogar desde cualquier parte del
mundo.
El Microcontrolador escogido para diseñar e implementar la interfaz domótica es
de la marca Microchip de referencia PIC16F877A y se muestra en a continuación su
encapsulado:
Fig 2. Microcontrolador PIC16F877A.[8]
3 Diseño de la interfaz multicanal que soporta la red telefónica
pública básica conmutada y la red de telefonía móvil celular
En la era de las tecnologías de la sociedad de la información es necesario conducir
hacia la convergencia de redes de telecomunicaciones y en la pasarela diseñada se
ha adicionado una módulo multicanal que interactúa con los dispositivos
mencionados utilizando la red telefónica publica básica conmutada, la red de
telefonía móvil celular como se dijo anteriormente, y por supuesto la red de redes
Internet a través de protocolo IP, este se ve en la siguiente Figura 3.
Fig 3. Interfaz de la pasarela residencial Inteligente con acceso multicanal
Es conveniente resaltar que la interfaz domótica no permite la utilización
simultánea de la red de telefonía móvil celular y red telefónica publica básica
conmutada sino que se dejan dos canales de acceso así: Internet-RTPBC o InternetRTMC, como se observa el canal común es la red de Internet y se escoge el otro
canal mediante el cual se controlen los dispositivos en el hogar. El modo de
operación de la interfaz puede ser escogido por el usuario así: Internet-RTPBC o
Internet-RTMC. Esto se diseño así para brindarle mayor seguridad al hogar, ya que
por ejemplo: Si una vivienda tiene 5 puertas, los habitantes entrarían por muchas
partes, y esto conllevaría a un flujo rápido de personas pero hay más posibilidades de
que los amigos de lo ajeno también entren a la vivienda.
En el módulo de la red móvil celular se utilizó un canal de audio de un Celular
Nokia 1100, haciendo uso del manos libres, que permite bajar los tonos DTMF a la
interfaz inteligente y con esto se logra la transmisión de datos hacia la vivienda.
Desde el punto de vista conceptual, la pasarela residencial utiliza el sistema de
señalización DTMF (Dual Tone Multi Frecuency) tonos duales de múltiples
frecuencias, es decir señales de audio que no agregan ruido a la línea y no producen
transitorios indeseables.
El sistema de señalización DTMF maneja un conjunto de frecuencias bajas y un
conjunto de frecuencias altas o tonos bajos y tonos altos. Para cada dígito del 1 al 0
presionado por el usuario se enviará la suma algebraica de dos señales senoidales una
del conjunto de tonos bajos y otra del conjunto de tonos altos, de acuerdo a la
siguiente Figura 4:
1209
1336
1477
1633
679 Hz
1
2
3
A
770 Hz
4
5
6
B
852 Hz
7
8
9
C
941 Hz
*
0
#
D
Hz
Teclas
Opcionales
Fig 4. Sistema de señalización DTMF [6]
Por ejemplo: Cuando el usuario oprima la tecla 6 se envía la señal que es la suma
de dos senoides, una de frecuencia 770 Hz. y la otra de 1477 Hz, y la central
telefónica podrá decodificar esta señal como el dígito 6 y obrará en consecuencia.
Una de los características para tener en cuenta es que los tonos solo pueden tener
desviaciones de ± 1.5 % de su fundamental (banda base), y normalmente la señal de
tono alto es 3 a 4 dB más fuerte que la de tono bajo[10].
Actualmente existen una gran variedad de circuitos integrados, tanto generadores,
como detectores DTMF, para la pasarela residencial es utilizado el circuito de Mintel
MT8870 que cubre con las necesidades del hogar digital, dando una gran estabilidad
al sistema domótico, este circuito decodifica los tonos DTMF que son señales
análogas de múltiples frecuencias y las convierte en un numero binario equivalente,
luego este es llevado al microcontrolador para determinar de acuerdo al código
recibido una acción de control.
3.1 Sistema de seguridad
Para la pasarela residencial se ha creado un sistema de seguridad que consiste en una
clave de 5 dígitos que permite al usuario el acceso a la vivienda y dependiendo de su
validación, el podrá o no, controlar los distintos dispositivos al interior del hogar.
Asimismo, la pasarela residencial posee un contador de 55 segundos que es
activado cuando alguien llame a la vivienda. El tiempo mencionado se utiliza para
que el usuario pueda hacer lo que el desea, por ejemplo encender el calentador o
encender una bombilla o viceversa, esto se elaboro teniendo en cuenta que algunos
operadores cobran por minuto de llamada, si este tiempo se agota el sistema se
desconectará , es decir la pasarela residencial inteligente no atenderá mas al usuario
hasta una próxima llamada. A continuación se muestra un diagrama de bloques del
sistema inteligente:
Internet
Red
Telefónica
Detección
De la
llamada
DTMF
Control
Hogar
Inteligente
Red Celular
Sistema
de
Seguridad
Temporización
Descuelgue
Automático
Fig 5. Diagrama de bloques del sistema domótico
4.
Modelo de las interfaces dentro de la pasarela residencial
inteligente multicanal
En las interfaces, se utilizo un modelo que soporta como máximo 15 habitaciones y
en ellas se pueden albergar hasta 14 dispositivos por habitación para que sean
controlados y monitoreados en la vivienda. Como cerebro de cada habitación se
utilizo un microcontrolador de la marca microchip con referencia PIC12F675 (En la
realidad, se utilizo un modelo reducido a 4 habitaciones cada una con una carga o
electrodoméstico) y este es el encargado de comandar el electrodoméstico en su
encendido o apagado. A continuación en las Figura 5 y 6 se muestra el modelo real
implementado pero a nivel reducido con solo 4 habitaciones.
Fig 5. Modelo de las Interfaces para la pasarela residencial inteligente multicanal [11]
Fig 6. Pasarela residencial inteligente multicanal reducido con 4 habitaciones
4.1 Red de Habitaciones manejadas por las interfaces de la vivienda inteligente.
Concentrador de Red de la vivienda.
Aquí se llega a una nueva interfaz que es la encargada de gestionar el
encaminamiento de la trama para las habitaciones pertinentes. En modelo de vivienda
inteligente anterior se presenta un concentrador o hub que fue implementado sobre un
microcontrolador PIC12F675, este módulo funciona de la siguiente manera: Cuando
se envía un trama de datos al concentrador, este se comporta como en una red real de
ordenadores, la transmisión de la trama le llega al hub, y a su vez este la envía a todas
las habitaciones, ya que en la trama de datos enviada hay una parte que identifica la
habitación y otra a el dispositivo de control y lo mismo su función ya sea apagar o
encender el electrodoméstico. El hub se muestra en la figura 7.
Fig 7. Concentrador de la vivienda o modulo de red de las habitaciones
4.2 Interfaz de Potencia de las cargas o electrodomésticos utilizados dentro de la
vivienda inteligente
Como se dijo, dentro de la vivienda existen una serie de electrodomésticos, y estos
funcionan con voltaje de 110 voltios y 60 Hz en frecuencia. La interfaz fue diseñada
con relés de estado sólido, lo que permite una gran estabilidad a la hora de conmutar
los 110 voltios entre sus dos estados encendido y/o apagado para los distintos
electrodomésticos. Un relé de estado sólido es aquel que se implementa con
dispositivos de estado sólido como tiristores y transistores, en lugar de contactos
electromecánicos, para conmutar cargas de potencia a partir de señales de control de
bajo nivel como por ejemplo niveles TTL[12]. Los relés de estado sólido son bastante
seguros por la forma de conmutación de los tiristores mientras que las chispas
ocasionadas por un relé electromecánico pueden producir incendios en presencia de
algún escape de gas. Las ventajas más sobresalientes los relés de estado sólido son
[13]:
- La conmutación se hace rápidamente.
- Son livianos, silenciosos y confiables
- No se desgastan
- Conmutan altas corrientes y altos voltajes
- No genera arco eléctrico en ambientes hostiles
Así, de acuerdo a estas consideraciones este tipo de relés son escogidos para el
manejo de todas las cargas eléctricas de la vivienda. En la siguiente Figura 8 muestra
el sistema y además se nota un pequeño pulsador rojo al lado derecho, este simula el
suiche que hay en la vivienda para encender la bombilla. Como dato técnico esta
interfaz esta diseñada para que el electrodoméstico no supere los 7 amperios en
corriente.
Fig 8. Interfaces de Potencia de la habitación 2
4.3 Interfaz de Usuario para el interior del hogar digital
En el diseño de las interfaces, se realizó una para el control local dentro de la pasarela
residencial inteligente [14], esta se muestra la siguiente Figura 9
Fig 9. Interfaz de Usuario local al interior de la vivienda
Esta interfaz fue diseñada con el propósito de tener centralizado el control de las
diferentes habitaciones en un solo lugar, así como el monitoreo de los diferentes
electrodomésticos que hay en cada una de las habitaciones del hogar inteligente.
Desde allí se puede acceder a cada habitación y manipular cualquiera de los cuatro
electrodomésticos que para el caso del diseño reducido se tienen.
A continuación se habla del diseño e implementación de la interfaz del sistema de
software que se manejo para esta implementación.
5. Diseño implementación del software encargado de gestionar los
diversos dispositivos que se encuentran al interior del hogar
inteligente sobre el canal IP (Protocolo Internet)
Para el diseño e implementación de la interfaz de software es utilizado la herramienta
Java que es un lenguaje de programación orientado a objetos desarrollado por Sun
Microsystems. Fue modelado sobre C++, para ser pequeño, simple y portable entre
plataformas, su costo es gratuito por lo tanto, desarrollar en esta herramienta es muy
adecuado para que la interfaz sea implementada.[15]
5.1 Java es un lenguaje de programación para Internet
En la actualidad, los microprocesadores han sido incorporados en una gran variedad
de dispositivos como beepers, escáneres, faxes, y teléfonos móviles, asistentes
personales digitales (PDA). Estos dispositivos han sido conectados a diferentes redes.
Los programas Java pueden ser usados para acceder a los datos a través de una red sin
importar la plataforma origen. Java también puede ser utilizado para construir
aplicaciones distribuidas que usan recursos de otro computador en la red.[15]
5.2 Aplicaciones WEB
Hoy en día hablar de Internet es lo más común, pero para darle mayor funcionalidad
y capacidades es necesario que se manejen aplicaciones Web que busquen una
perfecta interacción con el usuario creando ambientes bastante amigables y
personalizados para cada navegante en la red. Para tal propósito se desarrollan
modelos dinámicos que generan un contenido único para la solicitud particular de un
cliente.[15]
La Figura 10, describe a nivel general una aplicación Web, partiendo de una capa
cliente que lo que hace es una solicitud de información a un servidor, el cual con la
petición del usuario genera un contenido dinámicamente a partir de una plantilla y
una consulta a una Base de Datos, para luego responderle al internauta.
El proceso de solicitud del cliente al servidor es lo que se determina como un
Request (peteción) y el de respuesta por parte del servidor un Response (Respuesta).
Cliente
Cliente
BD
Servidor WEB
Fig 10. Modelo General de aplicación Web
Luego de observar algunas potencialidades del software java a continuación se
describe uno de los apis que permite el manejo de los puertos que posee el
ordenador.
5.3 Javacomm (Java Communications)
La versión del API Java communications soporta el manejo del puerto serial RS232
y el puerto paralelo IEEE 1284, con una funcionalidad que permite hacer lo
siguiente:
- Detectar los puertos disponibles en el sistema.
- Abrir y tomar control de los puertos.
- Resolver el manejo de los puertos entre múltiples aplicaciones.
- Manejar el desempeño en los puertos en cuanto entrada/salida asíncrona y
sincronía.
- Recibir eventos que describan la comunicación de los puertos y su cambio de
estado.
De acuerdo con esta cualidad que posee el software JAVA se permite utilizar los
puertos de la computadora para transmisión y recepción de datos por lo tanto para el
diseño utilizado se maneja el puerto serial RS232 por el cual se interactúa con la
pasarela residencial inteligente.
6. Prototipo de Pasarela Residencial Inteligente Vía Internet
Lo que pretende el prototipo principalmente es manipular los electrodomésticos de un
hogar vía Internet. Básicamente consiste en cuatro capas:
Capa cliente
Los usuarios establecen comunicación con el sistema, a partir de un navegador
Web.
Capa aplicación servidor Web
Servidor que trabaja con el protocolo HTTP y permite la interacción directa con el
usuario.
Capa información – Base de Datos
Donde se encuentra almacenada la información de los diferentes usuarios, que
tienen permisos para manipular los dispositivos.
Capa aplicación domótica – servidor domótico.
En la figura 11 se puede observar el aplicativo de la interfaz de software diseñada
para la interacción del hogar inteligente. En esta figura también, se puede observar
que hay un botón que dice Ver vivienda, el cual permite vigilar el hogar digital
mediante fotos actualizadas cada 30 segundos y con ello los habitantes que se
encuentren fuera del hogar pueden ver lo que esta pasando en la vivienda. Para
ingresar a esta web, es necesario un sistema de validación de usuario, lo que genera
mayor seguridad para el habitante virtual de la vivienda.
Fig 11. Aplicativo Web de la pasarela residencial inteligente multicanal.
7 Conclusiones
Las interfaces diseñadas para la vivienda son las encargada del manejo de los
electrodomésticos y otras variables al interior del hogar, en su funcionamiento se
desempeña satisfactoriamente y da una solución para articular las diversas
tecnologías que se encuentran en el hogar digital mediante canales web o vía móvil o
canales telefónicos.
Los elementos utilizados para el desarrollo de la interfaz son de tecnología
embebida y esto ayuda mucho a los costos de la interfaz para los usuarios.
El uso de software orientado a objetos como Java permite una flexibilidad en cuanto a
la portabilidad del código y la fácil reutilización de este.
En el diseño de estas interfaces se observa como las tecnologías de la sociedad de la
información permiten que las diversas redes de telecomunicaciones se interconecten
en la interfaz.
La domótica es una de las áreas donde las tecnologías de la sociedad de la
información juegan un papel fundamental en la construcción del nuevo hogar digital
y en el aumento de la calidad de vida y el confort del ciudadano.
A nivel inmobiliario la construcción de viviendas inteligentes permiten al sector de
las tecnologías de la sociedad de la información la generación de nuevos servicios de
valor agregado.
En el hogar inteligente es fundamental hablar de seguridad para el ciudadano
debido a que la vigilancia y confiabilidad en los sistemas domóticos permiten la
tranquilidad de su habitante cuando se encuentre fuera del hogar.
Con los sistemas domóticos se optimiza la variable tiempo, según la necesidad
presentada por el habitante ya que puede telegestionar su vivienda y puede cumplir
con sus compromisos o labores familiares.
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