Resumen— Este documento muestra la manera en la que se envían datos a través de la red eléctrica de una vivienda mediante un dispositivo emisor. La finalidad de este proyecto es controlar una carga eléctrica de dicha zona habitacional utilizando los principios de las Tecnologías X10, por lo que se diseñará un dispositivo capaz de llevar a cabo lo antes mencionado. Habiendo diseñado el prototipo emisor, se realizan algunas pruebas en el laboratorio así como en una vivienda convencional para comprobar y verificar su funcionamiento.

Temas claves— Protocolo X10, Microcontroladores, Domótica, PIC 16F877A.

I. INTRODUCCIÓN

a tecnología X10 tuvo su origen en el año de 1975 dentro de la compañía Pico Electronics.L

En su inicio, esta compañía dedicó su investigación al desarrollo e implementación de los circuitos integrados, investigación que posteriormente se introdujo en la evolución de distintos trabajos denominados “Proyectos X”. El X9, creado en 1974, consistía en el desarrollo de un dispositivo cambiador de registros controlado a distancia mediante señales ultrasónicas generadas por un control remoto. Fue así que en el año de 1975, surge el concepto de usar el cableado de corriente alterna existente para transmitir señales para controlar a distancia luces y aparatos electrodomésticos.

Para el año de 1978, se crean los primeros módulos del protocolo y comienzan a comercializarse a través de las tiendas de Radio Shack con el nombre de X10 BSR. El sistema estaba conformado por una consola de comando de 16 canales, un módulo Lámpara, y un módulo Aparato. Posteriormente apareció el módulo Interruptor de pared y el primer temporizador X10.

Con el paso del tiempo estas tecnologías han ido evolucionando adquiriendo nuevas características. Hoy en día, existe una amplia gama de equipos que implementan el protocolo X10, desde interruptores para iluminación a completos paneles de control, control por voz, emisores y receptores de radiofrecuencias, sensores de movimiento e incluso cámaras [1], [2].

II. PROTOCOLO X10.

El X10 es un protocolo estándar de comunicación, es decir transmisión y recepción de información que funciona a través del cableado eléctrico convencional. Mediante este

Incluir filiación en este párrafo:J. A. Pérez labora en la Universidad del Sur, Av. Universidad 1200, etc.

(e-mail: j.a.perez@unsur.edu.mx).M. Ortíz labora en el departamento de Desarrollo,... (email:

m.ortiz@hotmail.com)A. López labora con la Compañía de GES, México DF, 52180, etc (e-

mail: a.lopez@ieee.org).

protocolo se pueden interconectar dispositivos compatibles con X10 creando una red de dispositivos [2].

Para realizar la transmisión de datos se utilizan señales de radiofrecuencia a 120 kHz (Señal Modulada), las cuales son inyectadas en la red eléctrica, sincronizándolas con los cruces por cero de la señal de 60 Hz (Señal Portadora).

La información se transmite a través de un lenguaje binario, es decir, “0” y “1”, contenidos en la señal modulada. Para enviar el 1 binario es necesario inyectar una ráfaga de 120 kHz durante 1 milisegundo precisamente después del cruce por cero de la señal de voltaje de CA. Mientras que un 0 es identificado por la ausencia de la señal de 120 kHz. En la Fig. 1 se muestra gráficamente lo comentado con anterioridad.

Fig. 1. Transmisión de Datos Mediante Protocolo X10.

Para enviar un código X10 a través de la red eléctrica, la información debe de estar codificada con el formato que se muestra en la Tabla I.

TABLA I. ESTRCUTURA DEL CODIGO X10.

Tres ciclos sin datos.

Código de Inicio

Código de Casa

Código de dirección/

función

3 ciclos = 6 bits

2 ciclos = 4 bits

4 ciclos = 8 bits

5 ciclos = 10 bits

A. Tres ciclos vacios.

El punto de partida para toda estructura X10, siempre co-mienza con seis Cruces por Cero sin pulsos, es decir, sin transmitir datos a la red. El motivo de estos seis pasos por cero, es el de permitir que los controladores de cada uno de los dispositivos, sean capaces de vaciar sus contadores y me-morias, de cualquier dato que no esté grabado permanente-mente [2].

B. Código de Inicio (Start Code).

Inmediatamente después de que han transcurrido los tres ciclos, se envía un encabezado que es el Código de Inicio. El valor que tomará el encabezado siempre será una constante, será el valor “1110” y este código se envía en 2 ciclos de la señal portadora [2].

Control de Cargas

C. Código de Casa (House Code).

Los códigos de casa (House Code) permiten configurar los dispositivos transmisores para enviar señales a los receptores ubicados en distintas localizaciones. Las unidades se identifican con las primeras 16 letras del abecedario, desde la A hasta la P.

Los códigos de casa se envían balanceados, o en otras pa-labras en complemento, es decir, que cada bit se envía en un periodo completo de la onda senoidal (20ms). En el primer periodo va el bit, y en el segundo la inversa de ese bit. Por ejemplo, para enviar el 1 se envía un 1 en el primer medio ci-clo y un 0 en el segundo medio ciclo; para enviar el 0 se en-vía un 0 en el primer medio ciclo y un 1 en el segundo medio ciclo. Éste concepto se puede analizar en la Fig. 1.2 [2].

Fig. 2. Código de casa (House Code).

D. Código de Clave (Key Code).

Una transmisión X10 completa consta de cuatro bloques de datos completos, es decir, cuatro veces el envió de código de inicio, código de casa, código de dirección/función. En las primeras dos transmisiones el código clave tomará la función de “dirección”. En esta función, el código definirá a que dispositivo de la red va dirigida la función asignada, ya que una red X10 puede llegar a tener hasta 16 dispositivos. Posteriormente, en las últimas dos transmisiones, el código clave tomará la acción de “función”, esto debido a que especificará qué acción realizará el dispositivo seleccionado anteriormente. Para el código clave se envían 10 bits ocupando 5 ciclos de la señal de voltaje de CA. El último bit del código clave, deno-minado “sufijo”, indicará si éste será de dirección o de fun-ción. La combinación se muestra en la Tabla II [2].

TABLA II. COMBINACIÓN DE CÓDIGO PARA SUFIJO.

Sufijo = 01 = 0 → Dirección

= 10 = 1 → Función

III. DISEÑO DEL PROTOTIPO TRANSMISOR.

Para lograr el funcionamiento del prototipo es necesario que operaren en conjunto varios componentes los cuales son:

Fuente de voltaje del microcontrolador. Detector de cruce por cero. Microcontrolador. Acoplamiento de señal PWM a la corriente de CA.

Los componentes mencionados anteriormente se muestran en la Fig. 3. La red eléctrica de CA es necesaria para alimentar el microcontrolador y como referencia para el envío de los datos a través de la red eléctrica. El envío de los datos se realiza en cada cruce por cero, lo cual se obtiene a partir de un detector de cruce por cero conformado por un

transformador reductor, una resistencia para la protección de corriente y la terminal RB0 del microcontrolador, la cual tiene la característica de detectar interrupciones externas independientemente del tipo de flanco. Para acoplar la señal generada por el microcontrolador con la red es necesario un filtro pasivo pasa-altas que presente baja impedancia para señales PWM y una alta impedancia para la frecuencia de la red eléctrica.

Fig. 3. Diagrama de Bloques del prototipo.

A. Detector de Cruce por Cero.

Para detectar los Cruces por Cero de la corriente alterna es necesario lograr un acoplamiento entre el PIC y la red eléctrica, esto se logra mediante un transformador reductor y una resistencia conectada entre la red eléctrica y el PIC. El transformador tiene como función reducir el voltaje y la resistencia es para limitar la corriente, ya que de lo contrario la corriente podría dañar el circuito interno del microcontrolador. La resistencia es conectada al PIC en el Pin RB0, este pin puede ser configurado como entrada o salida digital y en modo de interrupción externa. Es importante mencionar que la simplicidad de este detector de cruce por cero se debe a la protección interna de la terminal RB0, la cual tiene un recortador que permite el manejo de voltajes de CA mayores a 5 volts. La Fig. 4 muestra el circuito del detector de cruce por cero.

Fig. 4. Circuito del Detector de Cruce por Cero.

B. Implementación de la Señal Modulada.

Para hacer el acoplamiento de la señal de 120 KHz en la red eléctrica es necesario utilizar un transistor y un filtro pasa altas. El transistor se utiliza como interruptor debido a que la señal que lo alimenta por la base proporciona la referencia para que éste abra o cierre, concretamente la función del transistor es proteger al PIC ya que el microcontrolador no se expone directamente al voltaje de acoplamiento. Por su parte, los diodos Zener implementados en esa área del circuito tienen la función de mantener un voltaje constante de 6.8 volts de CD.

Para el acoplamiento de las señales es necesario implementar el filtro de tal forma que de un lado se encuentre la señal modulada y del otro lado esté la señal de CA. El filtro para cada una de las señales se comporta de diferente manera debido a que la impedancia para cada una de las señales es distinta. Debido a esto, la impedancia para

la señal de 120 KHz es muy baja y para la señal de 60Hz la impedancia es muy alta, de esta forma podemos acoplar dichas señales. El circuito para el acoplamiento de la señal modulada se presenta en la Figura 3.3.

Fig. 5. Circuito de acoplamiento de la señal modulada.

IV. SOFTWARE DEL DISPOSITIVO.

Para lograr el correcto funcionamiento de todos los elementos, es necesario desarrollar un programa el cual configure cada registro del microcontrolador y poder obtener los pulsos para transmitir datos mediante el protocolo X10. Para llevar a cabo dicha tarea es conveniente describir cada etapa en forma de subrutina para así simplificar el entendimiento del programa, en la Fig. 6 se muestra cada una del las etapas del programa.

A. Inicialización del Puerto D.

El código de apagado o encendido del dispositivo será seleccionado por el pin RD1 del microcontrolador, para ello es necesario que éste sea configurado como entrada, esto se hace modificando el registro TRISD que se encuentra en el banco 1, para configurar como entrada es necesario poner en alto la bandera que representa este bit.

Para determinar el envío de encendido es necesario poner en alto el pin RD1, es decir, poner en 1, y de forma contraria para enviar el código de apagar se pone en 0.

Fig. 6. Diagrama de flujo del prototipo.

B. Inicialización de Variables.

Después de la configuración principal del PIC se definieron variables la cuales son usadas para cargar los códigos de envío y de igual forma para la utilización de los Timers, entre otras cosas.

Esta subrutina es la encargada de borrar los datos cargados en estas variables, siempre y cuando ésta sea llamada.

C. Inicialización de PWM.

El dispositivo requiere una señal modulada de 120 KHz para transmitir la información a través de la red y posteriormente acoplarla a la red eléctrica por medio de un filtro pasa-altas. El método de modulación por ancho de pulso (PWM), está basado en la obtención de un voltaje DC variable a partir de una onda rectangular de frecuencia constante y ciclo útil variable [3].

Para analizar a detalle la inicialización de la señal PWM,

diríjase al documento: “Control de Cargas en Unidades Habitacionales Preservando la Instalación Eléctrica Existente

Mediante Microcontroladores”.

D. Inicializa del Timer 0.

El Timer 0 es un contador, o en su caso también puede funcionar como Temporizador. Su función dependerá de la forma en la que se le inyecten los pulsos.Su funcionamiento general consiste en un contador ascendente o descendente, al cual se le asigna un valor inicial, que se incrementa con cada pulso de entrada hasta que llega a su valor máximo. Cuando se llega a tal punto el contador se desborda y procede reiniciar la cuenta desde cero.

Para habilitar la señal PWM es necesario cumplir con los siguientes pasos, configurando los registros que a continuación se presentan:

1. Para determinar el periodo PWM es necesario escri-bir al registro PR2,

2. Seleccionar el ciclo de trabajo de la modulación de la señal de 120 KHz, esta se logra escribiendo los re-gistros CCPR1L y CCP1CON, este último solo es-cribiendo los bits 5 y 4.

3. Configurar como salida el pin CCP1, poniendo como salida el pin RC2.

4. Configurar el preescalador del TMR2 y habilitando el TMR2, escribiendo el registro T2CON.

5. Configurar el modulo CCP1 para operación PWM.

E. Configuración de Interrupciones.

Una vez que se ha configurado la frecuencia y el tiempo de la señal que será enviada por medio de la red eléctrica, es necesario habilitar las interrupciones las cuales se utilizaran para enviar dicha señal, esta será activada en cada cruce por cero, como se configuro anteriormente la interrupción se llevará de manera externa mediante el pin RB0.

A continuación se presentará la configuración de los bits de los registros correspondientes para lograr que las interrupciones se tengan de manera simultánea que los cruces por cero:

1. Poner en 1 el bit GIE del registro INCONT la cual es la bandera de habilitación global.

2. Posteriormente, se activa cualquier clase de inte-rrupción mediante el bit PEIE = 1.

3. Habilita la interrupción externa por pin RB0 po-niendo en 1 el bit INTE del registro INTCON.

4. Establecer en flanco ascendente mediante el bit INTEDG=1 del registro OPTION.

F. Configuración y Envío del Código.

Una vez que se han inicializado todas las etapas anteriores, el microcontrolador es gobernado por las interrupciones que se generan en el transcurso del programa. Cuando ocurre alguna de las interrupciones, el PIC verifica el estado del Pin RD1. Si éste es igual a 1, significa que se ha elegido el código para encender el dispositivo controlado. Mientras que, si su valor es igual a 0, se ha elegido el código para apagar dicho artefacto.

Para configurar la señal que será enviada a través de la red eléctrica, es necesario llevar a cabo una serie de pasos los cuales son mostrados con el ejemplo siguiente:

1. Para enviar el código de dirección es necesario escri-bir algunas variables, (son definidas al principio de la programación); estas variables quedan escritas como se muestra en la Fig. 7.

Fig. 7. Configuración del código de Dirección.

2. Para que el código quede en posición de envío es ne-

cesario hacer 4 rotaciones hacia la izquierda en cada una de las variables mencionadas, quedando como se muestra en la Fig. 8, de esta forma los bits están en posición de envió. El bit C del registro STATUS guar-da el valor del último bit de cada variable, para que este siga la secuencia de rotación y vuelva a ser carga-do en el primer bit de la variable como se muestra en la Fig. 7.

Fig. 8. Código “Encender” preparado para su envío.

3. En cada cruce por cero se envía un dato de los alma-cenados en las variables que se mencionaron anterior-mente, rotando estos un lugar hacia la izquierda. Se emplean 22 cruces por cero para enviar la primera rá-faga de datos y por consiguiente, las variables quedan con la siguiente información.

Fig. 9. Valores de los Bits después de haberse enviado el Código de Dirección.

4. Para enviar nuevamente el código de la dirección es necesario rotar los bits 10 lugares hacia la izquierda quedando como en la Fig. 10.

Fig. 10. Reacomodo del Código "Encender".

5. Para lograr los tres ciclos en los cuales no contenga envío de datos, es necesario emplear 28 cruces por cero (lo cual significa 28 interrupciones) para que de esta forma se obtengan los ciclos mencionados. Una vez completado el envío se procede a cargar el código que contenga la acción de “encender” (Inicio-Casa-Función), las variables quedan como se muestra en la Fig. 11.

Fig. 11. Configuración del Código de Función.

Para enviar el código que contiene la función es necesario utilizar el mismo procedimiento que se menciono anteriormente, la única diferencia son los datos de la dirección y función.

V. RESULTADOS.

Conectando todos los elementos del hardware, se obtiene un circuito como se muestra en la Figura 4.1 Posteriormente este circuito se transporta a una placa fenólica para obtener un producto terminado con un mejor aspecto estético.

Fig. 12. Circuito del Transmisor Diseñado.

A. Mediciones.

La Fig. 13 muestra la medición que se realizó en el Pin RC2 que fue configurado como salida para que fuera transmitida la señal PWM. Se puede analizar que la señal PWM tiene un tiempo de trabajo del 50%. Además se observa que la frecuencia medida es cercana a 119.768 kHz la cual se acerca al valor requerido de 120 kHz.

Fig. 13. Medición de la Señal PWM.

En la Fig. 14 se puede observar como los pulsos de la

señal de 120 kHz son transmitidos en cada cruce por cero. Esto demuestra que las señales sí están sincronizadas para el envío de información.

Fig. 14. Medición de la Señal Modulada sincronizada con la Señal PWM.

En la Fig. 15 se demuestra que la señal modulada se encuentra montada sobre la señal de 60 Hz. Se observa un pequeño rizado lo cual representa los pulsos de la señal de 120kHz. Si se observa mas a detalle como se ve en la Fig. 16 se observa que el rizado pertenece a la señal de 120 kHz. En el canal 1 se están midiendo los pulsos en el Pin RC2 mientras que la medición del canal 2 se obtiene en el primario del transformador.

Fig. 15. Acoplamiento de la Señal Modulada sobre la Señal Portadora.

Fig. 16. Acoplamiento de la Señal PWM.

En el laboratorio se realizaron algunas pruebas de funcionalidad, observando que el dispositivo se desempeña correctamente tal y como se muestra en la Fig. 17 y Fig. 18.

Fig. 17. Inyección y Recepción de las Señales X10.

Fig. 18. Inyección y Recepción de las Señales X10.

Otra prueba que se realizó con el dispositivo Transmisor fue en una vivienda convencional. En esta prueba se analizó el comportamiento del dispositivo y de las señales transmitidas y recibidas en diferentes puntos de la vivienda. Es importante mencionar que en el circuito de la vivienda se tienen conectados distintos electrodomésticos lo que significan cargas inductivas, lo que por lo tanto representaría ruido en la red eléctrica de la vivienda. A pesar de las condiciones del circuito el dispositivo tuvo un correcto desempeño en el control de varios electrodomésticos.

VI. CONCLUSIONES.

De acuerdo a los resultados obtenidos a lo largo de este proyecto se puede dar cuenta que es posible tener una comunicación entre usuario y máquina, esto con el fin de tener un control preciso de los dispositivos que se encuentran en el hogar. Con las pruebas que se llevaron a cabo durante la realización de este proyecto, se demostró que existe una comunicación entre el transmisor diseñado y la red eléctrica.

Se logró el diseño de un Dispositivo Transmisor capaz de comunicarse con otros dispositivos mediante los conductores de la red eléctrica; al mismo tiempo que se comprendió el funcionamiento del protocolo X10, con el cual se lleva a cabo dicha comunicación.

Concretamente, las pruebas realizadas en el laboratorio también confirman el óptimo desempeño del dispositivo transmisor diseñado, pudiendo así controlar y automatizar una carga eléctrica de una vivienda. El decir que se tiene “Control” significa tener beneficios dentro un espacio habitacional como por ejemplo seguridad, confort y una mejor calidad de vida, obteniendo los beneficios antes mencionados sin alterar la instalación ya existente y sin hacer cambios en la vivienda, lo cual representa una inversión inicial baja debido a que la mayoría de las viviendas cuentan con los servicios básicos, y en este caso la red eléctrica es tomada como herramienta principal para el envío de la información.

VII. REFERENCIAS.

[1] R. Morgado A. (no date). Anteproyecto de memoria para optar al título de Ing. En Computación. [En línea]. Disponible en: http://www.domoticachile.org/index.php?option=com_docman&task=doc_details&gid=3&Itemid=57

[2] B. L. Renzo, P. Guarda y J.P. Salazar. (Octubre, 2004) Automatización del hogar usando el protocolo de comunicación x10. Valdivia, Chile. [en línea]. Disponible en: www.domoticachile.org/index.php?option=com_docman

[3] Manual de Microcontroladores PIC. [En línea] Disponible en:http://lc.fie.umich.mx/~jrincon/manual%20PICs%20Ruddy.pdf