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DISADomótica:

Redes de Sensores y

Actuadores

Tema 4. Tecnologías domóticas:

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

Tema 4. Tecnologías domóticas: sistemas, redes de sensores y

actuadores.

Pepe Maestre

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 COMPONENTESque se RELACIONAN entre sí

DISADomótica: Redes de Sensores y Actuadores

� que se RELACIONAN entre sí� dentro de un cierto ENTORNO� con un OBJETIVO dado

� Ejemplo: Calefactor

Automática presente todas partes (entorno)

� Cuerpo humano� Temperatura, presión sanguínea, frecuencia cardiaca, humedad de la piel, proceso digestivo ...

� Entorno inmediato� Presión agua redes


� Presión agua redes� Electricidad (voltaje y forma de onda ...)� Temp. Habitación

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


� Telefonía fija� Control de redes� Control en centralitas

Automática en todas partes (informática)

� Computadores � Fuente de alimentación� Control de discos� Control de impresoras ....

� Fabricación


� Fabricación� Hornos obleas.� Fabricación de placas� Inspección

Automática en todas partes (industria)


DISA


Automática en todas partes (coches)


La tecnología oculta

☺☺ Ampliamente utilizadaAmpliamente utilizada☺☺ Muy exitosaMuy exitosa�� Rara vez se habla de ellaRara vez se habla de ella�� Salvo cuando hay problemasSalvo cuando hay problemas


�� Salvo cuando hay problemasSalvo cuando hay problemas�� ¿Por qué¿Por qué??QQuizá porque resulta más sencillo hablar de uizá porque resulta más sencillo hablar de dispositivos que de ideasdispositivos que de ideas

Operación manual de un proceso

ObservarCompararDecidir


Actuar

Operación de un proceso

Proceso

Cambios Respuestas

CompararDecidir


Proceso

MedirActuar

Respuesta dinámica

Operación manual o en lazo abierto

Operación automática Operación automática

Proceso

Cambios Respuestas

controlador


MedirActuarValores Deseados

Operación en lazo cerrado

Componentes

Proceso

Variablesa controlar

Controlador Actuador

Variables para actuar


Valores Deseados

Sensor

Valores medidos

Terminología

Perturbación

Variable


Variable Manipulada

Variable Controlada Referencia

LT LC

� Hacer que el sistema se comporte como

se desea

� Mantener variables en torno a un valor

constante

La magia de la realimentación


� Estabilizar sistemas inestables

� Reducir el efecto de las perturbaciones y

de las variaciones en los componentes

� Mayor libertad para el ingeniero


� 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


� U = entrada� t = tiempo


� 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


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

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

Clasificación de Sistemas

� Atendiendo al medio de transmisión empleado:

� Cableados (cableado específico)� Mayor seguridad en comunicaciones pero exigen mayor

infraestructura y obra


� PLC (Power Line Communications)� 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


� Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de la red están conectados.

� Estrella




� Anillo




� Bus




� Árbol




� Mixta



� 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



� Jerarquizada

� Mayor modularidad


� Posibilidad de nodos controladores especializados según función

� Posibilidad de nodos controladores responsables de ciertas zonas

� Permite abarcar instalaciones mayores



� Distribuida

� Inteligencia presente en los nodos de red.


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


� 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


� 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.

Otros Criterios

� Normalización del sistema

� Facilidad de instalación y mantenimiento

� Facilidad de programación

� Posibilidades multimedia

� Simpleza de interfaces de usuario


� 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

Sistemas Existentes en el Mercado

� X10

� EIB-KNX

� LonWorks

� IPDomo


IPDomo

� Zigbee

� Cardio

� …


� X10:� Medio: PLC� Topología Física: Bus� Topología Lógica: Distribuida� Carácter: abierto� Otras:


� 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

Red X.10

� Tipos de dispositivos� Emisores de órdenes� Receptores de órdenes� E/R de órdenes� Inalámbricos

� Cada receptor tiene su identificador compuesto


� Cada receptor tiene su identificador compuesto de:� Código de hogar: A-P� Código de dispositivo: 1-16

� En total puede haber 256 receptores

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


120KHz� El 0 = ausencia de pulso� Redundancia => 50bps� Una trama completa necesita 11 ciclos CA

Red X.10. Funcionamiento


Red X.10


Red X.10

� Gama de productos:� Interruptores� Selectores de intensidad� Detectores varios� Alarmas� Pantallas táctiles


� Pantallas táctiles


� EIB-KNX:� Medio: Cableado (similar a RS485), PLC o RF� Topología Física: Bus� Topología Lógica: Distribuida� Carácter: abierto� Otras:� Norma EN-50090Sistema Europeo de los años 90


� 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)

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)


CEBus (EEUU)

� Incluye compañías como� Siemens (D)� Bosch (D)� Schneider (F)� Electricité de France (F)

Red KNX

� Modo S – Sistema� Necesita configuración avanzada mediante aplicación en PC

� Modo E – Easy� Se usa configuración de fábrica para funciones concretas

� Modo A – Automático


� Modo A – Automático� Basta con conectar el dispositivo

Red KNX. Dispositivos

� Tres tipos de dispositivos (modos A, E y S)


Red KNX. Dispositivos

� Compatible con productos EIB, EHS previos

� No es compatible con BatiBUS (Merlin Gerin)

� Dispositivos conectables:� 256 por línea � 60k en total


Red KNX


Red KNX. EIB

� EIB (European Installation Bus)

� Basado en modelo OSI

� Productos:� Instabus EIB de Jung � ABB i- bus EIB de NiessenSigma i-BUS Modular de ABB Stotz Kontakt


� 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)

Red KNX. EIB

� Direcciones de 16b� Organización distribuida� Los mensajes llevan la dirección del destinatario


Red KNX EIB


Red KNX EIB

� Además de la dirección física, cada dispositivo puede tener una dirección lógica de grupo:


Red KNX-EIB

� Telegrama:


� Existen también tramas de asentimiento, negación y terminal ocupado.

Red KNX-EIB

� Programación con ETS3� Interfaces gráficos con ELVIS



� Zigbee:� Medio: Inalámbrico� Topología Física: Bus� Topología Lógica: Mallada� Carácter: abierto� Otras:


� 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

Red Zigbee

� Enlace de radio bandas industrial, médica y científica (868MHz y 2,4GHz) 2003


Red Zigbee

� Baja tasa (250kbps) y alcance (10 a 70 m)

� Funcionamiento con baterías de duración > 2años


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)


� Cada perfil dispone de funciones (API)

� Todos los perfiles comparten PHY y MAC

� Cada dispositivo tiene una dirección MAC de IEEE de 64 bits

Red Zigbee. Topologías

� Estrella

� Interconexión total

� Jerárquica o Racimo


• 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

Red Zigbee


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

The ZigBee Platform

Public Application Profile Certified Product


IEEE 802.15.4

ZigBee Stack

Compliant Platform

The ZigBee Platform

Private Application Profile


IEEE 802.15.4

ZigBee Stack

Compliant Platform

Basic Radio Characteristics


ZigBee technology relies upon IEEE 802.15.4, which has excellent performance in low SNR environments

• 65,536 network (client) nodes

• Optimized for timing-critical applications and power management

– Time to Join Network: <30ms

Basic Network Characteristics


– Time to Join Network: <30ms

– Sleeping to active: <15ms

– Channel access time: <15ms

• Full Mesh Networking Support

Network coordinatorFull Function nodeReduced Function node

Communications flow

Virtual links

ZigBee Mesh Networking


Slide Courtesy of

Cluster Tree Networks

� Cluster tree networks enable a peer-peer network to be formed with a minimum of routing overhead.

1214

20CH2


DD/CH0

1

0

23

4

6

7

8

12

10

11

9

13

22

5 CH1

CH2

CH3

CH5

CH4

CH6“Parent”

“Child”

Links indicate familial relationship, not communications capability

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


� May span physically large areas

� Suitable for latency-tolerant applications

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.

Network Structure


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


� Z-Wave:� Medio: Inalámbrico� Topología Física: Bus� Topología Lógica: Mallada� Carácter: abierto, aunque pertenece a Zensys� Otras:


� 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

ZWave


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


� Dispositivos de muy bajo coste y consumo

� Lleva algunos años de ventaja a Zigbee en lo que a llegada al mercado se refiere

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


� IPDomo:� Medio: Cableado e inalámbrico (IP)� Topología Física: Árbol� Topología Lógica: Jerarquizada� Carácter: abierto� Otras:

sistema abierto (UPnP)


� 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

IPDomo

� Componentes:


IPDomo



� Vivimat:� Medio: Cableado RS-485� Topología Física: Estrella� Topología Lógica: Centralizada� Carácter: Propietario� Otras:


� 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

Vivimat



� SIMON VIS:� Medio: Cableado Par trenzado� Topología Física: Estrella� Topología Lógica: Centralizada� Carácter: Propietario� Otras:


� 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

Simón VISSimón VIS

CaracterísticasCaracterísticas

� Sistema centralizado para pequeñas y medianas instalaciones.

� El sistema alberga como parte principal el Módulo Módulo de Controlde Control.

� Control de 128 entradas y 128 salidas.

Dispone además de 128 programadores


� Dispone además de 128 programadores semanales independientes.


Características de las entradasCaracterísticas 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.


Características de las salidasCaracterísticas de las salidas

� 8 salidas distintas por módulo.

� 16 conexiones distintas de módulos de salidas al módulo de control.


al módulo de control.

� Total: 8 x 16 = 128 salidas.

� Cableado de salidas a la tensión que se desee.


Software TERMVISSoftware TERMVIS

� Programación en castellano.� Programación mediante diálogo pregunta-respuesta.


pregunta-respuesta.� Requerimientos mínimos del PC. (Con un 286 funciona correctamente)

DISA


Elementos VISElementos VIS



�� Módulo de alimentación Módulo de alimentación 15W15W

� Tensión continua y estabilizada de 24 V en el secundario (0,6A)

� Posibilidad de interconexión

Simón VISSimón VISElementos VISElementos VIS


� Posibilidad de interconexión con otros módulos de alimentación.

� 4 Módulos TE de cuadro

�� Módulo de ControlMódulo de Control� 128 entradas� 128 salidas� 128 programadores

Consumo 30 mA

Simón VISSimón VISElementos VISElementos VIS


� Consumo 30 mA� RS232 para conexión a

PC� 8 Módulos TE de cuadro



�� Módulo de Entradas 24VMódulo de Entradas 24V� 16 entradas digitales

independientes.� Tensión de entradas

24 V c.c.� 4 Módulos TE de cuadro.




�� Módulo de Salidas 230 VMódulo de Salidas 230 V� 8 Salidas de relé

(en 2 grupos de 4).� Tensión de salidas configurable

por grupo


por grupo� Imáx. por grupo 10A.� 4 Módulos TE de cuadro.



�� Módulo de Salidas 24 VMódulo 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.


� 4 Módulos TE de cuadro.



�� Módulo de Módulo de TemporizadoresTemporizadores

� Interfaz de usuario para modificar los 128 temporizadores semanales


temporizadores semanales del módulo de control.

� Hora y fecha actual� 8 Módulos TE de cuadro.



�� Módulo de MódemMódulo de Módem� Módem telefónico de tonos y

pulsos.� Comunicación bidireccional

(RS485).� Homologado.� 8 Módulos TE de cuadro.


� 8 Módulos TE de cuadro.



�� Módulo de DimmerMódulo de Dimmer� Regulador de intensidad de luz.� Carga mínima 40 W� Carga máxima 350W 300 VA

(cosϕ ≥0,85)� Fusible 1,6 A


� Fusible 1,6 A� Utilizable con transformadores

convencionales� 2 Módulos TE de cuadro



�� Módulo de BateriasMódulo 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

Módulo de alimentación

Módulo de control

Montaje en Montaje en

el cuadroel cuadro

Configuración mínimaConfiguración mínima


Módulo de control

Módulo de entradas

Módulo de salidas


CableadoCableado

AlimentaciónContro

l

Entradas


l

Salidas


� Delta Dore:� Medio: Inalámbrico (434, 868 MHz), protocolo X2D� Topología Física: Bus� Topología Lógica: Distribuida� Carácter: Propietario� Otras:


� 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

Delta Dore


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 dela propia red eléctrica.

� Protocolo: Se basa en el estándar EHS (European HomeSystem).


�BJC Dialogo.� Empresa: BJC. Fábrica Electrónica Josa, S.A.� Topología: libre, es decir, permite hacer anillos, bus, estrellas, etc. Lomás habitual es un bus donde se conectan los módulos del sistema.

� Protocolo: Utiliza el bus de control Lonworks.

�DIAloc.� Empresa: Weidmüller.


� Empresa: Weidmüller.� Topología: Utiliza una topología libre.

� Protocolo: DIAloc utiliza el protocolo Lonworks.

�CARDIO.� Empresa: Secant, comercializado en España porDomoVal Electronic, S.L.

� Topología: Árbol� Protocolo: protocolo propio

�SII.



�SII.� Empresa: SGI Sistemas.� Topología: Admite diversas topologías en función delmedio de transmisión utilizado.

� Protocolo: El control de las entradas se realiza medianteun cableado dedicado en estrella. También admitecomunicaciones por bus y corrientes portadoras para elcontrol de las salidas.

�Starbox CPL1.� Empresa: Delta Dore.� Topología: La propia de la red eléctrica de la vivienda, alutilizarla como medio de transmisión.

� Protocolo: Utiliza un protocolo de comunicaciones propio para lacomunicación a través de la red eléctrica (corrientesportadoras), denominado X2D.



portadoras), denominado X2D.

�INELI� Empresa: Sonaval S.L.� Topología: Estrella, desde el módulo de control a los diferentesmódulos de entrada/salida.

� Protocolo: Se trata de un sistema por cableado dedicado, nosigue ningún protocolo de estandarización.

� A destacar: integra bien el temas relacionados con distribuciónde audio.


� PLC: � Propio de grandes instalaciones. � Ejemplo típico S7 de Siemens. � Proyectos completamente realizados ad hoc.


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