Domótica: Redes de Sensores y Actuadores

Domótica:
Redes de Sensores y
Actuadores
Tema 4. Tecnologías domóticas:
sistemas, redes de sensores y
actuadores.
Pepe Maestre
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
DISA
Teoría de control automático
Compendio de las técnicas que permiten a las
“cosas” funcionar solas
Con “cosas” nos referimos a sistemas, es decir
Un conjunto de COMPONENTES
que se RELACIONAN entre sí
dentro de un cierto ENTORNO
con un OBJETIVO dado
Ejemplo: Calefactor
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Automática presente todas partes (entorno)
Cuerpo humano
Temperatura, presión sanguínea, frecuencia cardiaca,
humedad de la piel, proceso digestivo ...
Entorno inmediato
Presión agua redes
Electricidad (voltaje y forma de onda ...)
Temp. Habitación
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Automática en todas partes (telecos)
Telefonía movil
Terminal (control de potencia de emisión)
Carga y descarga de baterias
Control de la red y tráfico
Control de antenas
Telefonía fija
Control de redes
Control en centralitas
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Automática en todas partes (informática)
Computadores
Fuente de alimentación
Control de discos
Control de impresoras ....
Fabricación
Hornos obleas.
Fabricación de placas
Inspección
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Automática en todas partes (industria)
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DISA
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Automática en todas partes (coches)
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La tecnología oculta
☺
☺
Ampliamente utilizada
Muy exitosa
Rara vez se habla de ella
Salvo cuando hay problemas
¿Por qué?
qué?
Quizá porque resulta más sencillo hablar de
dispositivos que de ideas
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Operación manual de un proceso
Observar
Comparar
Decidir
Actuar
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Operación de un proceso
Comparar
Decidir
Respuestas
Cambios
Proceso
Actuar
Medir
Respuesta dinámica
Operación manual o en lazo abierto
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Operación automática
Respuestas
Cambios
controlador
Valores
Deseados
Proceso
Actuar
Medir
Operación en lazo cerrado
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Componentes
Variables
a controlar
Variables
para actuar
Controlador
Actuador
Proceso
Valores
Deseados
Sensor
Valores medidos
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Terminología
Perturbación
Variable
Controlada
LT
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Referencia
LC
Variable
Manipulada
DISA
La magia de la realimentación
Hacer que el sistema se comporte como
se desea
Mantener variables en torno a un valor
constante
Estabilizar sistemas inestables
Reducir el efecto de las perturbaciones y
de las variaciones en los componentes
Mayor libertad para el ingeniero
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Teoría de control automático
Las relaciones causa/efecto que se producen en los
sistemas pueden ser caracterizadas mediante modelos
matemáticos
Modelos de Entrada/Salida: Y=f(Y,U,t)
Y = salida
U = entrada
t = tiempo
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Teoría de control automático
El conocimiento del modelo que caracteriza el sistema
permite calcular acciones de control sobre el sistema
para que éste se comporte como deseamos
MPC (Model Predictive Control) emplea el modelo del
sistema para calcular las acciones óptimas de control
desde el punto de vista de una cierta función de coste
definida a lo largo de un horizonte temporal de N pasos
hacia el futuro
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Sistemas Reales
Gran cantidad de sistemas en el mercado
Poca estandarización y ausencia de normativas
bien desarrolladas como las existentes para ICT o
instalaciones de baja tensión
No hay tecnología perfecta: Necesidad de
familiarizarse con las tecnologías existentes, sus
pros y contras
La mayoría de ingenierías eligen un sistema de
los cada tipo de los que veremos para trabajar
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo al medio de transmisión empleado:
Cableados (cableado específico)
PLC (Power Line Communications)
Mayor seguridad en comunicaciones pero exigen mayor
infraestructura y obra
Emplean la línea eléctrica, que es un medio poco apto para
las comunicaciones
Inalámbricos
Fácil despligue pero posibles problemas de interferencias.
Necesidad de alimentar los nodos
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de
la red están conectados.
Estrella
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de
la red están conectados.
Anillo
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de
la red están conectados.
Bus
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de
la red están conectados.
Árbol
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de
la red están conectados.
Mixta
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología lógica:
Modo en que los nodos de la red
intercambian información.
Centralizada
Elemento central que lo controla
todo, lo que permite optimizar
globalmente
Dada su simpleza suelen ser
sistemas baratos y muy aptos
para sensores y actuadores
estándar
Poco versátil y riesgo de cuellos
de botella
No apto para grandes
instalaciones
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología lógica:
Modo en que los nodos de la red
intercambian información.
Jerarquizada
Mayor modularidad
Posibilidad de nodos controladores
especializados según función
Posibilidad de nodos controladores
responsables de ciertas zonas
Permite abarcar instalaciones
mayores
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología lógica:
Modo en que los nodos de la red
intercambian información.
Distribuida
Inteligencia presente en los nodos
de red.
Tolerancia a fallos en caso de
caída de un nodo.
Elementos incorporan electrónica
de comunicaciones capaz de
recablear por software el sistema.
Mayor precio
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo al carácter de la tecnología
Sistemas cerrados: no se tiene acceso a todos los detalles
relativos a su tecnología. Obedecen al deseo de las empresas
de llevarse el gato al agua.
Sistemas abiertos: la tecnología es pública y cualquiera puede
desarrollar para estos sistemas. Dos posibilidades:
Empresas que hacen pública su tecnología para que todos puedan
desarrollar para ella.
Sistemas cuyas especificaciones quedan recogidas en normas o
estándares.
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Otros Criterios
Normalización del sistema
Facilidad de instalación y mantenimiento
Facilidad de programación
Posibilidades multimedia
Simpleza de interfaces de usuario
Existencia de múltiples fabricantes
Servicio post-venta
Seguridad del sistema a ataques o ante fallos
Posibilidades de integración con otros sistemas,
CRA, infrarrojos, etc.
Y, por supuesto, el precio
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Sistemas Existentes en el Mercado
X10
EIB-KNX
LonWorks
IPDomo
Zigbee
Cardio
…
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Sistemas Existentes en el Mercado
X10:
Medio: PLC
Topología Física: Bus
Topología Lógica: Distribuida
Carácter: abierto
Otras:
Sistema muy barato y antiguo (1975 PicoElectronics)
Muy popular en EEUU
Poca capacidad y propenso a fallos
50 bps en Europa y 60bps en EEUU
Instalación muy sencilla, casi de bricolaje
Diferentes proyectos realizados en ESI con este sistema
Existen evoluciones en el mercado: A-10
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Red X.10
Tipos de dispositivos
Cada receptor tiene su identificador compuesto
de:
Emisores de órdenes
Receptores de órdenes
E/R de órdenes
Inalámbricos
Código de hogar: A-P
Código de dispositivo: 1-16
En total puede haber 256 receptores
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Red X.10. Funcionamiento
Paso por cero de la tensión
de red
Ráfagas de señal de 1ms,
con 0.5W de potencia
El 1 = pulso de 1ms a
120KHz
El 0 = ausencia de pulso
Redundancia => 50bps
Una trama completa
necesita 11 ciclos CA
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Red X.10. Funcionamiento
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Red X.10
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Red X.10
Gama de productos:
Interruptores
Selectores de intensidad
Detectores varios
Alarmas
Pantallas táctiles
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Sistemas Existentes en el Mercado
EIB-KNX:
Medio: Cableado (similar a RS485), PLC o RF
Topología Física: Bus
Topología Lógica: Distribuida
Carácter: abierto
Otras:
Norma EN-50090
Sistema Europeo de los años 90
Elevadas prestaciones de control y elevado precio
Elevado precio
Escasas posibilidades multimedia por su reducido ancho de banda
9.6kbps
KNX es una evolución de EIB con algunos elementos de Batibus y
EHS
Bus alimenta algunos dispositivos
Requiere diseño, instalación y programación en ETS2 por personal
certificado (EIB-KNX partner)
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Red KNX
Alianza KONNEX Alemania 1999
Unificación del ámbito europeo
Reúne trabajos de EIBA, BCI y EHSA
Unifica sistemas: EIB, EHS (Maior Domo de
Fagor) y BatiBUS para combatir con LonWorks o
CEBus (EEUU)
Incluye compañías como
Siemens (D)
Bosch (D)
Schneider (F)
Electricité de France (F)
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Red KNX
Modo S – Sistema
Modo E – Easy
Necesita configuración avanzada mediante aplicación en
PC
Se usa configuración de fábrica para funciones concretas
Modo A – Automático
Basta con conectar el dispositivo
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Red KNX. Dispositivos
Tres tipos de dispositivos (modos A, E y S)
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Red KNX. Dispositivos
Compatible con productos EIB, EHS previos
No es compatible con BatiBUS (Merlin Gerin)
Dispositivos conectables:
256 por línea
60k en total
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Red KNX
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Red KNX. EIB
EIB (European Installation Bus)
Basado en modelo OSI
Productos:
Instabus EIB de Jung
ABB i- bus EIB de Niessen
Sigma i-BUS Modular de ABB Stotz Kontakt
Existe gama completa de sensores y actuadores
Permite el uso de un PC para supervisar y
controlar
Se basa en un par trenzado con CSMA/ CA
(Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance)
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Red KNX. EIB
Direcciones de 16b
Organización distribuida
Los mensajes llevan la
dirección del destinatario
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Red KNX EIB
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Red KNX EIB
Además de la dirección física, cada dispositivo puede tener
una dirección lógica de grupo:
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Red KNX-EIB
Telegrama:
Existen también tramas de asentimiento, negación y
terminal ocupado.
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Red KNX-EIB
Programación con ETS3
Interfaces gráficos con ELVIS
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Sistemas Existentes en el Mercado
Zigbee:
Medio: Inalámbrico
Topología Física: Bus
Topología Lógica: Mallada
Carácter: abierto
Otras:
Capas bajas PHY y MAC de 802.15.4
Sistema poco maduro a nivel de mercado: OSIRIS y
Control4
Elevadas prestaciones de control
Precio reducido, medio
Hasta 250kbps y alcances más que razonables para redes
PAN (varias decenas de metros)
Contamos con varios kits de desarrollo en dpto
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Red Zigbee
Enlace de radio bandas industrial, médica y
científica (868MHz y 2,4GHz) 2003
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Red Zigbee
Baja tasa (250kbps) y alcance (10 a 70 m)
Funcionamiento con baterías de duración > 2años
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Red Zigbee
Especificaciones capa física para acceder al medio
(PHY) y control de acceso al medio (MAC)
especificados por IEEE802.15.4
Los dispositivos se caracterizan por perfiles =
capacidades y funciones
Cada perfil dispone de funciones (API)
Todos los perfiles comparten PHY y MAC
Cada dispositivo tiene una dirección MAC de IEEE
de 64 bits
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Red Zigbee. Topologías
Estrella
Interconexión
total
Jerárquica o
Racimo
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Red Zigbee
• Eight promoter companies
– Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell,
Mitsubishi, Motorola, Philips and Samsung
• A rapidly growing list (Now over 175) of
industry leaders from 29 countries
spanning 6 continents committed to
providing ZigBee-compliant products and
solutions
– Companies include chip suppliers, wireless IP
providers, OEMs, test equip manufacturers and
end users
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The ZigBee Platform
Public Application Profile
Certified
Product
ZigBee Stack
IEEE 802.15.4
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Compliant
Platform
DISA
The ZigBee Platform
Private Application Profile
ZigBee Stack
IEEE 802.15.4
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Compliant
Platform
DISA
Basic Radio Characteristics
ZigBee technology relies
upon IEEE 802.15.4, which
has excellent performance
in low SNR environments
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Basic Network Characteristics
• 65,536 network (client) nodes
• Optimized for timing-critical
applications and power
management
– Time to Join Network: <30ms
– Sleeping to active:
<15ms
– Channel access time: <15ms
• Full Mesh Networking Support
Network coordinator
Full Function node
Reduced Function node
Communications flow
Virtual links
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ZigBee Mesh Networking
Slide Courtesy of
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ZigBee Mesh Networking
Slide Courtesy of
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ZigBee Mesh Networking
Slide Courtesy of
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ZigBee Mesh Networking
Slide Courtesy of
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ZigBee Mesh Networking
Slide Courtesy of
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Cluster Tree Networks
Cluster tree networks enable a peer-peer
network to be formed with a minimum of
routing overhead.
20
12
CH2
14
11
4
8
13
6
DD/CH0
CH4
CH1
5
CH5
0
7
2
1
3
9
CH3
22
10
“Parent”
CH6
“Child”
Links indicate familial relationship, not communications capability
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Cluster Tree Networks
Employ multi-hop routing
Can be very large: 255 clusters of 254 nodes
each = 64,770 nodes
May span physically large areas
Suitable for latency-tolerant applications
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ZigBee Device Types
ZigBee
Coordinator (ZC)
One and only one required for each ZB network.
Initiates network formation.
Acts as 802.15.4 2003 PAN coordinator (FFD).
May act as router once network is formed.
ZigBee
Router (ZR)
Optional network component.
May associate with ZC or with previously associated ZR.
Acts as 802.15.4 2003 coordinator (FFD).
Participates in multihop routing of messages.
ZigBee
End Device (ZED)
Optional network component.
Shall not allow association.
Shall not participate in routing.
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Network Structure
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Network Structure
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Network Structure
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ZigBee Channel Access
Options
Two channel access mechanisms:
Non-beacon network
A simple, traditional multiple access system used in simple peer
and near-peer networks
Standard ALOHA CSMA-CA communications
Positive acknowledgement for successfully received packets
Beacon-enabled network
Superframe structure- network coordinator transmits beacons at
predetermined intervals
Dedicated bandwidth and low latency
Low Power Consumption mode for Coordinator
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Sistemas Existentes en el Mercado
Z-Wave:
Medio: Inalámbrico
Topología Física: Bus
Topología Lógica: Mallada
Carácter: abierto, aunque pertenece a Zensys
Otras:
Capas bajas PHY y MAC de 802.15.4
Mayor competidor de Zigbee y con mayor impacto real de
mercado
Elevadas prestaciones de control
Precio reducido, medio
Estamos esperando unos kits de desarrollo en dpto
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ZWave
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ZWave
Es el competidor más serio que tiene Zigbee en
cuanto a aplicaciones tecnológicas
Estándar propietario de la compañía Zensys que
amenaza con posicionarse como estándar de
facto
Dispositivos de muy bajo coste y consumo
Lleva algunos años de ventaja a Zigbee en lo que
a llegada al mercado se refiere
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Comparación Zwave vs Zigbee
Zigbee
Z Wave
Nº Miembros fundación
100
70
Tipo de tecnología
Basado en estándar abierto
Propietaria
Mercado
Doméstico e industrial
Luces y Residencial
Consumo
Muy bajo
Muy bajo
Interoperabilidad
Difícil en v.1.0
Sí
Coste
Bajo
Muy bajo
Interferencias con WLAN
Sí
No
Nº máx dispositivos en malla
254
232
Madurez [1-5]
1
3
Dispositivos comerciales [1-5]
1
3
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Sistemas Existentes en el Mercado
IPDomo:
Medio: Cableado e inalámbrico (IP)
Topología Física: Árbol
Topología Lógica: Jerarquizada
Carácter: abierto
Otras:
sistema abierto (UPnP)
Un solo fabricante (SERVITEL)
Poco desarrollo de UPnP fuera de multimedia
Gama media
Precio medio
Cableado un poco engorroso, pero permite mecanismos
universales
Diferentes proyectos realizados en ESI con este sistema
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IPDomo
Componentes:
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IPDomo
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IPDomo
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IPDomo
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
IPDomo
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DISA
IPDomo
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DISA
IPDomo
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Sistemas Existentes en el Mercado
Vivimat:
Medio: Cableado RS-485
Topología Física: Estrella
Topología Lógica: Centralizada
Carácter: Propietario
Otras:
Sistema de bajo coste
Fabricado en País Vasco por Dinitel, similar a otros
productos como Cardio de Domoval
Nulas posibilidades multimedia más allá de la integración
del videoportero de AUTA en el sistema
Gama baja en versión Integra y media en versión Confort
Escasas posibilidades de configuración
Sistema apto para promociones de viviendas
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DISA
Vivimat
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
Vivimat
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
Vivimat
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
Vivimat
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
Vivimat
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
Sistemas Existentes en el Mercado
SIMON VIS:
Medio: Cableado Par trenzado
Topología Física: Estrella
Topología Lógica: Centralizada
Carácter: Propietario
Otras:
Sistema de bajo coste
Es un producto danés adaptado al mercado español por la
empresa Simón
Está basado en un PLC (Controlador Lógico Programable)
Permite la utilización de pulsadores eléctricos como interfaz
de usuario
Muy orientado a control en el propio cuadro eléctrico de la
vivienda: elementos de carril DIN
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Simón VIS
Características
Sistema centralizado para pequeñas y medianas
instalaciones.
El sistema alberga como parte principal el Módulo
de Control.
Control
Control de 128 entradas y 128 salidas.
Dispone además de 128 programadores
semanales independientes.
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DISA
Simón VIS
Características de las entradas
16 entradas distintas por módulo.
8 conexiones distintas de módulos de entradas al
módulo de control.
Total: 16 x 8 = 128 entradas
Cableado de entradas a 24 V (0,8 mm2).
Distancia máxima entre los módulos de entradas
y el módulo de control 100m.
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DISA
Simón VIS
Características de las salidas
8 salidas distintas por módulo.
16 conexiones distintas de módulos de salidas
al módulo de control.
Total: 8 x 16 = 128 salidas.
Cableado de salidas a la tensión que se desee.
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DISA
Simón VIS
Software TERMVIS
Programación en castellano.
Programación mediante diálogo
pregunta-respuesta.
Requerimientos mínimos del PC.
(Con un 286 funciona
correctamente)
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DISA
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Simón VIS
Elementos VIS
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Módulo de alimentación
15W
Tensión continua y
estabilizada de 24 V en el
secundario (0,6A)
Posibilidad de interconexión
con otros módulos de
alimentación.
4 Módulos TE de cuadro
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
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Módulo de Control
128 entradas
128 salidas
128 programadores
Consumo 30 mA
RS232 para conexión a
PC
8 Módulos TE de cuadro
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
Módulo de Entradas 24V
16 entradas digitales
independientes.
Tensión de entradas
24 V c.c.
4 Módulos TE de cuadro.
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
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Módulo de Salidas 230 V
8 Salidas de relé
(en 2 grupos de 4).
Tensión de salidas configurable
por grupo
Imáx. por grupo 10A.
4 Módulos TE de cuadro.
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
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Módulo de Salidas 24 V
8 Salidas de transistor (PNP).
Tensión de salidas 24 V c.c.
Ideal para conectar relés para
salidas a otras tensiones.
4 Módulos TE de cuadro.
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
Módulo de
Temporizadores
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
Interfaz de usuario para
modificar los 128
temporizadores semanales
del módulo de control.
Hora y fecha actual
8 Módulos TE de cuadro.
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
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Módulo de Módem
Módem telefónico de tonos y
pulsos.
Comunicación bidireccional
(RS485).
Homologado.
8 Módulos TE de cuadro.
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
Módulo de Dimmer
Regulador de intensidad de luz.
Carga mínima 40 W
Carga máxima 350W 300 VA
(cosϕ ≥0,85)
Fusible 1,6 A
Utilizable con transformadores
convencionales
2 Módulos TE de cuadro
DISA
Simón VIS
Elementos VIS
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Módulo de Baterias
Mantiene operativa la
información del reloj de 3 a 6
meses.
Bobina de relé a 24V c.c.
2 Baterias de 3V Litio tipo CR
2032.
2 Módulos TE de cuadro
DISA
Montaje en
el cuadro
Configuración mínima
Módulo de alimentación
Módulo de control
Módulo de entradas
Módulo de salidas
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA
Simón VIS
Cableado
Alimentación
Contro
l
Entradas
Salidas
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Sistemas Existentes en el Mercado
Delta Dore:
Medio: Inalámbrico (434, 868 MHz), protocolo X2D
Topología Física: Bus
Topología Lógica: Distribuida
Carácter: Propietario
Otras:
Sistema de coste medio
Es un producto de una empresa francesa que tiene
divisiones fuertes en control, regulación y seguridad RF
Sistema Bibanda para dificultar inhibidores
Conceptualmente es similar a X-10, pero de forma RF y
con mayores posibilidades
Fundamento: A cada receptor se le pueden asociar 8
emisores
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Delta Dore
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Otros Sistemas en el Mercado
Amigo.
Empresa: Eunea Merlin Gerin (Schneider Electric España,
S.A.).
Topología: Bus.
Protocolo: Batibus.
Sistema
BIODOM.
Empresa: Bioingeniería Aragonesa, S.L.
Topología: Corrientes portadoras. La topología será la de
la propia red eléctrica.
Protocolo: Se basa en el estándar EHS (European Home
System).
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Otros Sistemas en el Mercado
BJC
Dialogo.
Empresa: BJC. Fábrica Electrónica Josa, S.A.
Topología: libre, es decir, permite hacer anillos, bus, estrellas, etc. Lo
más habitual es un bus donde se conectan los módulos del sistema.
Protocolo: Utiliza el bus de control Lonworks.
DIAloc.
Empresa: Weidmüller.
Topología: Utiliza una topología libre.
Protocolo: DIAloc utiliza el protocolo Lonworks.
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Otros Sistemas en el Mercado
CARDIO.
Empresa: Secant, comercializado
DomoVal Electronic, S.L.
Topología: Árbol
Protocolo: protocolo propio
en
España
por
SII.
Empresa: SGI Sistemas.
Topología: Admite diversas topologías en función del
medio de transmisión utilizado.
Protocolo: El control de las entradas se realiza mediante
un cableado dedicado en estrella. También admite
comunicaciones por bus y corrientes portadoras para el
control de las salidas.
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Otros Sistemas en el Mercado
Starbox
CPL1.
Empresa: Delta Dore.
Topología: La propia de la red eléctrica de la vivienda, al
utilizarla como medio de transmisión.
Protocolo: Utiliza un protocolo de comunicaciones propio para la
comunicación a través de la red eléctrica (corrientes
portadoras), denominado X2D.
INELI
Empresa: Sonaval S.L.
Topología: Estrella, desde el módulo de control a los diferentes
módulos de entrada/salida.
Protocolo: Se trata de un sistema por cableado dedicado, no
sigue ningún protocolo de estandarización.
A destacar: integra bien el temas relacionados con distribución
de audio.
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DISA
Otros Sistemas en el Mercado
PLC:
Propio de grandes instalaciones.
Ejemplo típico S7 de Siemens.
Proyectos completamente realizados ad hoc.
Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
DISA