sistema domÓtico para una casa inteligente · esto es lo que despierta interés en este proyecto....

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

SISTEMA DOMÓTICO PARA UNA CASA INTELIGENTE

Autor: Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén Director: Álvaro Sánchez Miralles

Director: Jaime Boal Martín-Larrauri

Madrid Mayo 2013

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (

RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. _____________________________________ , como _______________ de la

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en

relación con la

obra_________________________________________________________________________

_____________________________________________________________1, que ésta es una

obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad

Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa

cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna

autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que

más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor

CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,

tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro trabajo que deba ser objeto de evaluación académica

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

derechos del documento.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse

en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad

asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza

ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior

de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia

privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la

responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en

caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a ……….. de …………………………... de ……….

ACEPTA

Fdo……………………………………………………………

Proyecto realizado por el alumno/a:

Rodrigo Alejandro de Marcos Peirotén

Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……

Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Jaime Boal Martín-Larrauri

Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles

Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……

Vº Bº DEL COORDINADOR DE PROYECTOS

Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles

Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/……

Índice de documentos

DOCUMENTO I. MEMORIA

I. Memoria pág. 11 a 78 67 páginas

II. Estudio económico pág. 79 a 82 3 páginas

III. Manual del usuario pág. 83 a 92 9 páginas

DOCUMENTO II. PRESUPUESTO

1. Mediciones pág. 5 a 10 5 páginas

2. Precios unitarios pág. 11 a 16 5 páginas

3. Sumas parciales pág. 17 a 22 5 páginas

4. Presupuesto general pág. 23 1 página

XI

Figura 1: Arquitectura posible de un sistema domótico [2]

RESUMEN DEL PROYECTO

1. Introducción

Desde mediados del siglo XX se han organizado varias exhibiciones para enseñarnos ideas de cómo las casas aparentarían y cómo funcionarían en un futuro lejano. La gente se imaginaba cómo se podría hacer más cómoda la estancia en casa, cómo se facilitarían las tareas domésticas, etc. Después de la aparición de dispositivos electrónicos inteligentes como el ordenador fue surgiendo el concepto de la automatización del hogar: la domótica [1].

Este concepto se refiere a la automatización y control (encendido, apagado, apertura, cierre y regulación) de aparatos y sistemas de instalaciones eléctricas y electrotécnicas (iluminación, climatización, persianas y toldos, puertas y ventanas motorizadas, el riego, etc.) de forma centralizada y/o remota. El objetivo principal del uso de la domótica es el aumento del confort, el ahorro energético y la seguridad del hogar.

Sin embargo, llevar a cabo la automatización de un hogar no es tarea fácil. Es un sistema complejo con una gran variedad de elementos conectados entre sí. Es imprescindible una organización rigurosa del sistema para que en su conjunto pueda funcionar correctamente. Se deben definir unas reglas de automatización y de comunicación de manera que los dispositivos de percepción (sensores) comuniquen el estado actual de varios aspectos de la casa a los dispositivos que se encargan de cambiar estos aspectos (actuadores) para poder llevar a cabo el objetivo principal de la domótica. Además, debe haber una interfaz para que el usuario pueda personalizar el sistema inteligente a su antojo, como por ejemplo la temperatura en una habitación.

La arquitectura del sistema inteligente podría parecerse a lo mostrado en la Figura 1 [2]. La comunicación del sistema debe ser una red de bajo alcance, de baja tasa de transmisión de datos y de bajo consumo de manera que el coste no sea alto. A día de hoy se han desarrollado varios protocolos de comunicación que cumplen estos requisitos; y casi todos están enfocados al tema de la domótica.

Un importante aspecto de un sistema domótico es que no debería requerir la constante atención del usuario, sobre todo en temas de regulación. Un sistema que regule la temperatura a lo largo del día en una sala seguramente ahorre más energía que una persona regulando el termostato. La única salvedad es el mantenimiento del

XII

sistema; por ello, se trata de diseñar un sistema domótico resistente y de bajo consumo de modo que se permita un mantenimiento menos frecuente.

Debido a estos aspectos del sistema domótico, la demanda en este sector está en aumento mientras que estos sistemas inteligentes avanzan en diseño y tecnología. Por ello, la gente de hoy en día busca esta alternativa cómoda para cambiar su vida cotidiana a algo más atractivo y moderno.

Hoy en día existe un gran número de empresas en este sector; y como ejemplo se muestran los siguientes 2 ejemplos: SmartThings [3] e INSTEON [4]:

La empresa SmartThings, que ahora está en auge, ha diseñado una centralita o hub que entiende de varios protocolos inalámbricos como ZigBee o WiFi y también tiene conexión a un servidor en internet. Habilitando los electrodomésticos existentes para la comunicación inalámbrica, este hub se conecta los electrodomésticos entre sí en una red inalámbrica para formar el sistema domótico. En cambio, la empresa INSTEON vende ya sus electrodomésticos habilitados para la comunicación con su protocolo de comunicación propio, que bien puede ser por WiFi o por el cableado eléctrico (powerline communications).

Sin embargo, aunque son muy completos en cuanto a la automatización del hogar, ofrecen escasas alternativas en cuanto al ahorro energético. Además, la gran mayoría de las empresas en el sector de la domótica se han fundado en EEUU, donde la domótica es un sector más fuerte; y éstas se han internacionalizado después. Por ello, en países como España apenas se pueden encontrar anuncios y ofertas provenientes de empresas de domótica.

Esto es lo que despierta interés en este proyecto. Este proyecto constituye la mitad de un gran proyecto. Este proyecto se encarga del control de los sensores y actuadores que sirven propósitos distintos: seguridad, climatización, iluminación y ocio. El otro se encarga del ahorro energético por medio de, por ejemplo, almacenar la energía cuando esta sea barata y usarla cuando sea cara. Así, un hogar podrá aprovechar el confort y la seguridad que ofrece el sistema de automática y el ahorro energético del

Figura 2: Ejemplos de empresas en el sector de la domótica

XIII

de energía. Debido a ello, este proyecto se ha dedicado a cumplir los siguientes objetivos:

• Desarrollo de una red inalámbrica con dispositivos de control.

• Integración de sensores y actuadores a la red.

• Desarrollo de un software de interacción con el usuario a través de un PC.

• Integración con el sistema gestor de energía.

2. Metodología

Se ha definido una arquitectura para el sistema general, que se muestra en la Figura 4. El sistema domótico tiene cuatro partes importantes: el sistema de seguridad, el de iluminación, el de climatización y el de ocio; con sus respectivos sensores (temperatura, luz,…) y actuadores (persianas, calefacción,…). El maestro se encarga de coordinar el sistema domótico y el sistema gestor de energía, además de formar un puente entre el usuario y ambos sistemas. El usuario puede gestionar estos sistemas a través de la interfaz de control, que muestra la información relevante del sistema, que se almacena en la base de datos.

En cuanto al hardware de esta arquitectura, en el nivel más alto se encuentra un PC y un router. Los niveles más bajos son tarjetas controladoras gestionadas por un microprocesador de Microchip Technology Inc, las cuales son capaces de comunicarse entre ellos con un protocolo de comunicación inalámbrica mediante un módulo de radiofrecuencia de la misma empresa basada en ZigBee: MiWi. Además, el maestro central es una tarjeta especial, la cual también es capaz de comunicarse por WiFi a través de un módulo de comunicación WiFi de la misma empresa con el router para llegar al servidor y enlazar ambos niveles del sistema.

En cuanto al software de este sistema, en el nivel más alto se ha diseñado con Qt Designer la interfaz de control y se ha programado con Microsoft Visual Studio 2010 en lenguaje C++. La conexión con la base de datos MySQL se ha programado con el

Figura 3: Estructura del proyecto global

Figura 4: Arquitectura general del sistema

XIV

(a) TCD

mismo programa y también se ha hecho posible con ODBC (Open DataBase Connectivity). Para la conexión MiWi y WiFi se han empleado los drivers de Microchip Technology Inc. de estos protocolos en los microprocesadores. El algoritmo de control que los microprocesadores deben seguir en este proyecto se ha programado con MPLAB IDE.

3. Resultados

Se han desarrollado 5 tarjetas controladoras distintas, aunque dos de ellas sirven propósitos parecidos: son la TCD (Tarjeta Control Domótico), la TCI-4F (Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases), la TCI-F (Tarjeta de Control de Iluminación – Foco), la TCA (Tarjeta de Control de Actuadores) y la TCC (Tarjeta de Control Central:

La TCD en principio se diseñó como una tarjeta de propósito general, pero como los sensores son los únicos que requieren un circuito de acondicionamiento simple, se han desarrollado las demás tarjetas, aparte de la TCC, que es el coordinador de los dispositivos. Las tarjetas TCI-4F y TCI-F se han diseñado para conectarles LEDs RGB, que sirven propósitos de iluminación personalizada (sistema de ocio). La tarjeta TCA se ha diseñado para actuar varios tipos de sistemas automatizados (persianas, riego,…) mediante sus relés.

(d) TCA (e) TCC

Figura 5: Tarjetas desarrolladas en el proyecto

(b) TCI-4F (c) TCI-F

XV

En cuanto a la interfaz de control, se ha desarrollado la mostrada en la Figura 6. Según la habitación escogida en la lista desplegable de la izquierda en la parte inferior (dentro de la pestaña de Home Automation) se muestran las lecturas de los sensores y los controladores para los actuadores (en este caso existen persianas y LEDs RGB para controlar). En caso de que no exista un dispositivo de los que se muestran en la Figura 6 instalado en la habitación seleccionada, se mostrará un mensaje de advertencia.

4. Conclusiones

Este proyecto ha contribuido a desarrollar un sistema domótico robusto, fácil de controlar, y modular, ya que se puede controlar los dispositivos conectados a estas tarjetas sin importar su número. Este sistema domótico se ha integrado con éxito con un sistema gestor de energía para cubrir las necesidades de ahorro energético de la casa inteligente. Asimismo, durante el proceso se ha modificado el protocolo de comunicación MiWi para que sea más entendible para el usuario y para mejorar su funcionamiento, que puede ser aprovechado en futuras aplicaciones.

5. Referencias

[1] Wikipedia, domótica: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica [2] Casadomo, domótica: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14 [3] Empresa SmartThings: http://smartthings.com [4] Empresa INSTEON: http://www.insteon.net/

Palabras clave: domótica, automatización del hogar, WiFi, ZigBee, casa inteligente.

Figura 6: Interfaz de control

http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica

http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14

http://smartthings.com/

http://www.insteon.net/

XVI

PROJECT ABSTRACT

1. Introduction

Since mid-20th century, many exhibitions have been organized to show ideas about how would houses look and function in a distant future. People were imagining how could one make their homes more comfortable, how could the domestic tasks become easier, etc. Following the arrival of intelligent electronic devices like computers, the concept of home automation started to be present in many places [1].

This concept refers to the automation and control (switching on and off, opening, closing and regulation) of devices and of electrotechnic and electrical installations (lighting, climate control, blinds and sunshades, doors and motorized windows, sprinklers, etc.) in a centralized way and/or remote. The main targets of home automation are to increase comfort, security and energy savings.

However, carrying out the automation of a home is not an easy task. It is a complex system with a wide variety of interconnected elements. It is necessary to establish a rigorous organization of the system so it can run correctly by itself. Automation and communication rules must be defined so the perception devices (sensors) are able to communicate their current status regarding several aspects of the home to the devices which are in charge of changing these aspects (actuators) to carry out the main targets of home automation. In addition, there should be an interface so that the user can customize the intelligent system as he/she pleases, like, for example, the temperature of a certain room.

The network could look like what is shown in Figure 1 [2]. Its communication should be low-range, low-bitrate and low-consumption in order to reduce costs. As of today, many protocols have been developed which meet these requirements; and the great majority are focused to home automation environments.

An important feature of a home automation network is that it should not require the user’s constant attention, especially in regulation tasks. A system that adjusts the temperature in a room throughout the day will surely save more energy that a person adjusting the thermostat. The only exception is the maintenance of the system; therefore, this is about designing a robust and low-consumption home automation system in order to afford less frequent maintenances.

Due to these features of the home automation system, the demand in this sector is increasing and these systems are upgrading in design and technology every year. That

Figure 1: Possible architecture of the system [2]

XVII

is why people today want to find this comfortable alternative to change their day-to-day lives to something more attractive and modern.

As of today there are a great number of companies in this sector; and as an example the following 2 examples are shown: SmartThings [3] and INSTEON [4]:

On the one hand, the SmartThings company, which is relatively new, has designed a hub that understands several wireless protocols such as ZigBee or WiFi and also has connection with an online server. Enabling the existing appliances for wireless communication, this hub connects all these appliances together in a wireless network to create the home automation system. On the other hand, the INSTEON company sells its own appliances enabled for communication with their own communication protocol, that can be either by wireless communication or by powerline communications.

However, even if they are complete regarding automation at home, it offers very few alternatives regarding energy savings. In addition, the great majority of companies in the home automation sector have been founded in the USA, where home automation is a stronger sector; and these have globalized eventually. This is why, in countries like Spain, people can barely find advertisements and offers coming from home automation companies.

This is what generates interest in this project. This project constitutes the half of a great project. This project is in charge of the control of the sensors and actuators that serve different purposes: security/safety, lighting, heating/cooling and leisure. The other is in charge of energy savings through, for example, energy storage when it is cheap and its use when it is expensive. By doing so, a home can take advantage of the comfort and the security that the automation system provides and the energy savings provided by the energy system.

Therefore, this project has been carried out by completing the following objectives:

Figura 2: Examples of companies in the home automation sector

XVIII

• Wireless network with control devices development.

• Sensor and actuator integrations. • Interaction software with the user

using a PC. • Energy system integration.

2. Methodology

An architecture has been defined for the general system, shown in Figure 4. The home automation system is made up of 4 main subsystems: security, lighting, heating/cooling and leisure; with their respective sensors (light, temperature,…) and actuators (blinds, heaters,…). The master is in charge of coordinating the home automation system and the energy control system, as well as creating a bridge between the user and both systems. The user can run these systems using the control interface, which displays relevant information regarding the system, which is also stored in the database.

In the matter of this architecture’s hardware, there is a PC and a router at the topmost level. The lower levels are controller boards runned by Microchip Technology Inc. microprocessors, which are able to communicate among themselves with a wireless communication protocol by means of a radiofrequency module from the same company based on ZigBee, MiWi. In addition, the central master, which is represented by a special controller board, which is also able to communicate by WiFi through a WiFi module of the same company with the router to reach the server and link the architecture’s levels.

Regarding this architecture’s software, the control interface has been designed with Qt Designer and has been programmed with Microsoft Visual Studio 2010 in C++ language. The link with the MySQL database has been programmed with the same program and has been made possible with ODBC (Open DataBase Connectivity).

Figura 3: Global project structure

Figure 4: General system architecture

XIX

(a) TCD

Microchip Technology Inc. drivers have been used for the MiWi and WiFi connection of its microprocessors. The control algorithm which the microprocessors follow in this project has been programmed with MPLAB IDE.

3. Results

Five different controller boards have been designed, although two of them are used for similar purposes. These are (Spanish names are shown too): the Domotic Controller Board (TCD – Tarjeta de Control Domótico); the 4-Phase Lighting Controller Board (TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases); the Spotlight Lighting Controller Board (TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación – Foco); the Actuator Controller Board (TCA – Tarjeta de Control de Actuadores); and the Central Controller Board (TCC – Tarjeta de Control Central):

The TCD was designed initially as a general purpose Controller Board, but due to the fact that the sensors are the only devices which required a simple conditioning circuit the other boards were designed, apart from the TCC which is the device coordinator. The TCI-4F and TCI-F boards were designed to connect RGB LEDs to them, which are used for customized lighting (leisure system). The TCA is suitable for actuating various types of automatic systems (blinds, sprinklers,…) by means of relays.

(d) TCA (e) TCC

Figure 5: Controller boards designed in this project

(b) TCI-4F (c) TCI-F

XX

In the matter of the control interface, the one shown in Figure 6 has been developed. The sensor readings and the controllers of the actuators (in this case there are blinds and RGB LEDs to control) are displayed according to the room selected from the pull-down menu at the left (under the Home Automation tab). In case of a missing device among the ones shown in Figure 6, a warning message will be displayed and the controller will be disabled.

4. Conclusions

This project has contributed to develop a robust home automation system, which is easy to control and has modulation options, due to the fact that no matter how many boards and devices installed, the system is still controllable. This home automation network has been successfully merged with the energy control system to cover the energy saving needs of the smarthome. Additionally, during the process the MiWi wireless protocol has been modified to make it more user-friendly and to upgrade its performance, which can be used in future applications.

5. References

[1] Wikipedia, domotics: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica [2] Casadomo, domotics: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14 [3] SmartThings company: http://smartthings.com [4] INSTEON company: http://www.insteon.net/

Key words: domotics, home automation, WiFi, ZigBee, smarthome

Figure 6: Control interface





A todos aquellos que me han apreciado

y han hecho mella en mí

“Somos lo que hacemos, pero somos, principalmente,

lo que hacemos para cambiar lo que somos.”

EDUARDO GALEANO

“En el justo medio entre el exceso y el defecto

se encuentra la virtud.”

ARISTÓTELES

AGRADECIMIENTOS

Antes de nada, quisiera agradecer a mi familia por el gran apoyo moral que he

recibido por su parte durante la carrera; a mi hermano por sus consejos, los cuales me

han sido de gran ayuda; a mi madre por los ánimos que me da para afrontar los

momentos difíciles; y a mi abuelo, que a sus 95 años me sigue demostrando que con

perseverancia se superan muchos problemas. Os dedico el logro de haber finalizado esta

carrera.

Muchísimas gracias a mis directores de proyecto, Álvaro Sánchez y Jaime Boal.

Gracias por brindarme la oportunidad de trabajar en este proyecto; ha sido muy

interesante, he aprendido muchas cosas y me lo he pasado fenomenal. Gracias por

ayudarme en el transcurso del proyecto para solucionar los problemas que han surgido.

También quiero agradecer a mis amigos la estancia en la universidad. Gracias

por el grupo que hemos formado, nos hemos ayudado mucho y lo hemos pasado genial.

Mención especial se merecen Daniel Lestón, Manuel Peña y Pablo Zulaica. Han sido

grandes compañeros de estudio durante toda la carrera y han aguantado mi mal carácter

en los momentos de estrés. También quiero agradecer a Francisco Martín las horas de

trabajo que hemos compartido en el IIT. Por último, tampoco me quiero olvidar de

Teresa Basagoiti, Carmen Gómez y Andrea Hernández. Me habéis contagiado vuestra

alegría con creces.

DOCUMENTO I MEMORIA

Memoria Índice de la memoria

3

Sistema domótico para una casa inteligente


Índice de la memoria

Capítulo 1 Introducción .................................................................................. 13

1.1 Estado del arte .................................................................................................. 13

1.1.1 SmartThings .................................................................................................. 13

1.1.2 INSTEON ...................................................................................................... 14

1.1.3 Z-Wave .......................................................................................................... 15

1.1.4 UPB – Universal Powerline Bus ................................................................... 16

1.2 Motivación del proyecto .................................................................................. 16

1.2.1 Comparación .................................................................................................. 17

1.2.2 Motivación ..................................................................................................... 18

1.3 Objetivos .......................................................................................................... 19

1.4 Metodología ..................................................................................................... 20

1.5 Recursos / herramientas empleadas ................................................................. 21

Capítulo 2 Arquitectura del sistema domótico ............................................... 23

2.1 Estructura general del sistema ......................................................................... 23

2.2 Ejemplo en un hogar ........................................................................................ 24

Capítulo 3 Comunicación del sistema domótico ............................................ 27

3.1 Protocolo MiWi – Microchip Wireless ............................................................ 27

3.2 Estructura y dispositivos de la red MiWi ......................................................... 27

3.3 Direcciones de los dispositivos ........................................................................ 28

3.4 Creación de la red e integración de dispositivos .............................................. 29

3.5 Envío y recepción de mensajes ........................................................................ 29

3.6 Propagación y reenvío de mensajes ................................................................. 31

3.7 Flujograma de operación MiWi ....................................................................... 32


4



3.8 Modificaciones realizadas en el protocolo MiWi ............................................ 33

Capítulo 4 Dispositivos remotos ..................................................................... 37

4.1 Tarjetas controladoras ...................................................................................... 37

4.1.1 TCD: Tarjeta de Control Domótico ............................................................... 37

4.1.2 TCI-F: Tarjeta de Iluminación - Foco ........................................................... 39

4.1.3 TCI-4F: Tarjeta de Iluminación – 4 Fases ..................................................... 40

4.1.4 TCA: Tarjeta de Control de Actuadores ........................................................ 40

4.2 Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 ........................................................... 41

4.3 Módulo de radiofrecuencia MiWi .................................................................... 42

4.4 Arquitectura del algoritmo de control .............................................................. 43

4.5 Sensores ........................................................................................................... 44

4.5.1 Sensor de luminosidad ................................................................................... 44

4.5.2 Sensor de humedad ........................................................................................ 45

4.5.3 Sensor de temperatura ................................................................................... 46

4.5.4 Sensor de presencia ....................................................................................... 47

4.5.5 Calibración de sensores ................................................................................. 49

4.6 Actuadores ....................................................................................................... 50

4.6.1 Relé ................................................................................................................ 50

4.6.2 LED RGB ...................................................................................................... 52

Capítulo 5 Dispositivo central de control ....................................................... 57

Capítulo 6 Interacción con el usuario ........................................................... 59

6.1 Interfaz de control ............................................................................................ 59

6.2 Base de datos ................................................................................................... 63

Capítulo 7 Resultados y pruebas realizadas ................................................... 65

7.1 Prueba de comunicación MiWi ........................................................................ 65

7.2 Prueba de sensores ........................................................................................... 67

7.3 Prueba de actuadores ....................................................................................... 69


5



7.4 Prueba global en un entorno real ..................................................................... 69

Capítulo 8 Conclusiones ................................................................................. 71

Capítulo 9 Futuros Desarrollos ...................................................................... 75

Bibliografía ........................................................................................................77

Parte II Estudio económico ........................................................................ 79

Parte III Manual del usuario ...................................................................... 83

Capítulo 1 Dispositivos remotos ..................................................................... 85

1.1 Tarjetas controladoras ...................................................................................... 85

1.2 Dispositivos de comunicación ......................................................................... 86

1.2.1 Comunicación WiFi ....................................................................................... 86

1.2.2 Comunicación MiWi ..................................................................................... 86

Capítulo 2 Interfaz de control ........................................................................ 89

Capítulo 3 Acceso a la base de datos con ODBC ........................................... 91


6



Memoria Índice de figuras

7



.............................................13

.......................................14

...........................................................................15

..............................................................................................16

..................................................................................................17

...................................................20

...................................................................20

.................................................23

.....................25

.......................................................................27

....................................................28

....................................28

..................................29

......................31

........................................................................................................................32

............................................................................................................33

...................................................................................................................34

..............35

............35

..............................................................38

.......................................39

.................................40

.......................................................40

Índice de figuras Figura 1.1 Hub de SmartThings y la aplicación móvil [3]

Figura 1.2 Diagrama explicativo del protocolo INSTEON [4]

Figura 1.3 Nexia Bridge (Z-Wave) [6]

Figura 1.4 RUC (UPB) [7]

Figura 1.5 Tabla de comparación del protocolo inalámbrico entre tecnologías

orientadas a la domótica

Figura 1.6 Arquitectura posible del sistema domótico

Figura 1.7 Arquitectura general del sistema

Figura 2.1 Arquitectura general del sistema inteligente

Figura 2.2 Ejemplo de un plano de una casa inteligente, adaptado de [9]

Figura 3.1 Logos de ZigBee y Miwi [10]

Figura 3.2 Topología en malla de una red MiWi [11]

Figura 3.3 Asignación del short Address en una red MiWi [11]

Figura 3.4 Procedimiento de handshaking en una red MiWi [12]

Figura 3.5 Procedimiento de routing de mensajes en una red MiWi [11]

Figura 3.6 Flujograma de operación que sigue un dispositivo que funciona con

MiWi [11]

Figura 3.7 Ejemplo del hashtable con la configuración de la red del protocolo

MiWi modificado

Figura 3.8 Constantes relacionadas con el protocolo definidas en el archivo

parameters.h

Figura 3.9 Formato de los mensajes transmitidos en el protocolo modificado

Figura 3.10 Distintos tipos de instrucción transmitidos en el sistema domótico

Figura 4.1 TCD: Tarjeta de Control Domótico

Figura 4.2 TCI-F: Tarjeta de Control de Iluminación - Foco

Figura 4.3 TCI-4F: Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases

Figura 4.4 TCA: Tarjeta de Control de Actuadores


8



...............................................................................42

........43

.........................................................................................44

.....................................................45

............................................................45

..........................................................................46

.................................................46

.................................................................47

.......................................................48

.........................................................48

..............................................................48

..............................................................................50

...........................................50

................................................51

.............................................................................51

..................................................................52

...........................................................52

......53

.............................................................................................................................54

.............................................................................................55

....................................................................57

..................................58

..........................................................................................59

..................................61

.................62

Figura 4.5 Posible interconexión entre ambos dispositivos para el

funcionamiento del protocolo MiWi

Figura 4.6 Diagrama de flujo del algoritmo de control de los microprocesadores

Figura 4.7 Fototransistor [14]

Figura 4.8 Acondicionamiento de la fotorresistencia

Figura 4.9 TCD con un sensor de luz conectado

Figura 4.10 Pines del sensor capacitivo

Figura 4.11 TCD con un sensor de humedad conectado

Figura 4.12 TCD con un termistor conectado

Figura 4.13 Funcionamiento de un sensor PIR [22]

Figura 4.14 Aplicación de la lente de Fresnel [22]

Figura 4.15 TCD con un sensor PIR conectado

Figura 4.16 Conexión de un relé [24]

Figura 4.17 Tabla explicativa de los distintos tipos de relés

Figura 4.18 Distintos tipos de relés conectados al micro

Figura 4.19 Ejemplo de relé lacheado

Figura 4.20 Modelo RGB en formato cúbico

Figura 4.21 Acondicionamiento de un LED RGB

Figura 4.22 Parámetros fundamentales de los LEDs RGB usados en este proyecto

Figura 4.23 TCI-F con seis LEDs RGB iluminados con color azul conectados en

paralelo

Figura 4.24 TCI-4F con una tira de 15 LEDs RGB iluminados en blanco

conectado a una de sus fases

Figura 5.1 TCC: Tarjeta de Control Central

Figura 5.2 Diagrama de flujo del algoritmo de control de la TCC

Figura 6.1 Interfaz de control

Figura 6.2 Estructura y bloques principales de ambos programas

Figura 6.3 Paquetes enviados según las instrucciones entre interfaz y server


9



....................................................................63

...........................................................................................................................65

.......................................................................................................................67

...............................68

..............................................................68

..................................69

....................................69

.................................................................................70

....................................................................................................................82

..........................................89

....................................90

.......................................................................91

..................................................................91

..................................................92

..........................................................................92

Figura 6.4 Arquitectura de la base de datos

Figura 7.1 Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba

de MiWi

Figura 7.2 Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba

de sensores

Figura 7.3 Desglose del paquete recibido en la prueba de sensores

Figura 7.4 Tarjetas TCD probadas en un hogar

Figura 7.5 Tarjetas TCI-F, TCI-4F y TCA probadas en un hogar

Figura 7.6 Pruebas de la interfaz de control en un entorno real

Figura 7.7 TCC situado en el CGP

Figura 10.1 Ciclo de vida posible de el sistema domótico de este

proyecto [26]

Figura 20.1 Interfaz de control (pestaña del Energy System)

Figura 20.2 Interfaz de control (pestaña del Home Automation)

Figura 20.3 Ventana del DSN de sistema

Figura 20.4 Ventana para seleccionar driver

Figura 20.5 Ventana de conexión con la base de datos

Figura 20.6 Conexión con DBManager


10



Parte I MEMORIA

Memoria Introducción

13 Sistema domótico para una casa inteligente


Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se hace una introducción de este proyecto. Se comenzará

estudiando las alternativas y soluciones propuestas por varias de las empresas más

relevantes en el sector de la domótica. A partir de este análisis, se exponen las razones

que han despertado interés en el desarrollo de un nuevo sistema domótico, así como los

objetivos que se pretende llevar a cabo.

1.1 ESTADO DEL ARTE

En este apartado se estudia la situación actual de las empresas domóticas. Lo

más importante en los sistemas inteligentes es la organización, la comunicación y la

interacción con el usuario. Se han desarrollado varias maneras de enlazar los sensores

con los actuadores mediante distintas interfaces.

1.1.1 SMARTTHINGS

La empresa SmartThings [3] ha diseñado una centralita (Hub) que se comunica

con varios protocolos ya establecidos como ZigBee o WiFi y se conecta a una

plataforma segura en internet.

Lo atractivo de esta centralita es que

conecta automáticamente los sensores y

actuadores entre sí, sin necesidad de

atención por el usuario. Desde internet, la

información sobre el entorno llega a

dispositivos como smartphones mediante

una aplicación.

Figura 1.1: Hub de SmartThings y la aplicación móvil [3]




Lo curioso de esta aplicación, es que viene en distintas mini-aplicaciones; por

ejemplo, una aplicación que haga parpadear las luces de la casa cuando llega un correo

puede resultar una molestia para algunos; por eso, han separado la aplicación en varias

para que cada usuario controle y automatice lo que quiera. También, ofrecen la

posibilidad de diseñar aplicaciones mediante dispositivos Arduino para abrir fronteras y

crear una comunidad que comparta sus propias aplicaciones.

1.1.2 INSTEON

La empresa INSTEON[4], división de SmartLabs, Inc., tiene otra manera de

enlazar los dispositivos que constituye el sistema inteligente.

En este caso, la centralita es el SmartLinc, que requiere conexión a internet

mediante ethernet a un router. Los dispositivos deben configurarse manualmente para

enlazarlos con la centralita. Además, este protocolo se comunica por el cableado

eléctrico de la casa (como el protocolo X10) y/o por radiofrecuencia (915 MHz). Por

otra parte, los dispositivos están preparados para actuar como repetidores para aumentar

el alcance de la red inteligente; y repiten de manera simultánea (simulcast). Sin

embargo, todos los dispositivos tienen su tabla de referencia, luego si se añade un

dispositivo a la red se debe actualizar todos los demás dispositivos, no solo el

SmartLinc, lo cual requiere acción por parte del usuario para configurar y organizar la

red de forma correcta.

Además, no sólo se puede controlar por una aplicación mediante un smartphone,

sino que también han desarrollado controladores propios como teclados o pantallas

táctiles o convertidores de protocolo de señales infrarrojas a protocolo INSTEON para

Figura 1.2: Diagrama explicativo del protocolo INSTEON [4]




poder controlar elementos con, por ejemplo, un mando de televisión. El SmartLinc es

también compatible con cámaras IP, y éstas se pueden visualizar mediante la aplicación.

Por último, algunas de las aplicaciones clave de INSTEON son: monitorización del

consumo de potencia/energía en vivo, informes sobre el precio de la energía y la

respuesta a la demanda.

1.1.3 Z-WAVE

Existe otro protocolo más que está orientado a la domótica: Z-Wave[5]. Se opera

alrededor de los 900MHz, ofreciendo más alcance y evitando interferencias más

comunes en la banda de los 2.4GHz. Los dispositivos pueden actuar como repetidores

también, constituyendo así una red inalámbrica bastante robusta. Este protocolo se usa

en todas las empresas que forman la Z-Wave Alliance (150 aproximadamente). Las

empresas que forman esta alianza fabricaban sus propios electrodomésticos, y ahora las

han preparado para formar una red inalámbrica orientada a la domótica.. Muchas de

estas empresas trabajan entre sí para poder formar una red domótica completa. Un

ejemplo importante de estos es Nexia Home Intelligence, que por ejemplo integra los

cerrojos automáticos de la empresa Schlage con los termostatos de la empresa Trane en

una misma red.

En este ejemplo la centralita es el Nexia

Bridge[6] que requiere conexión por Ethernet

para conectarse al servidor. Posee dos botones

(+ y -) para añadir o excluir un dispositivo de

protocolo Z-Wave a la red. Si se necesita

añadir una cámara, se presiona el + y un botón

en la cámara para integrar la cámara a la red.

Mediante una página web o una aplicación se

puede controlar todos los elementos de la red a

través del Nexia Bridge.

Respecto al consumo de energía, también dispone de una aplicación que

monitoriza el consumo y los costes de ello de todos los dispositivos Z-Wave conectados

en la misma red. Es capaz de detectar consumos anormalmente excesivos y avisar al

usuario para que lo ajuste si fuera necesario.

Figura 1.3: Nexia Bridge (Z-Wave) [6]




1.1.4 UPB – UNIVERSAL POWERLINE BUS

Otro protocolo que está orientado a la domótica es el UPB[7] (Universal

Powerline Bus). UPB es una tecnología que usa el cableado de potencia actual para

mandar señales que controlan luces y cargas eléctricas desde cualquier sitio dentro o

fuera de la casa. Es barato ya que no necesita nuevos cables y es una solución fiable. Es

básicamente un protocolo X10 mejorado en gran medida. Se basa en mandar pulsos

determinados de 4KHz a 40kHz que viajan por la red eléctrica de la casa, y los

dispositivos que entiendan de este protocolo pueden extraer la información del cableado

eléctrico del hogar. Otro aspecto atractivo de este protocolo es su probabilidad casi nula

de fallo, ya que no tiene obstáculos o interferencias que atravesar como los protocolos

inalámbricos.

Es necesario un software (Upstart)

para controlar esta red desde un ordenador y

un convertidor para enlazar el PC con la red

eléctrica (por un puerto serie o por un puerto

USB). Existe otra alternativa, que es una

centralita (RUC – Remote Universal

Controller) que requiere conexión Ethernet y

un adaptador de puerto serie para enlazar el

RUC con la red eléctrica.

Finalmente, mediante un navegador de internet o aplicaciones para smartphones,

se puede controlar la red UPB de manera remota. Además, el RUC entiende de

protocolo INSTEON y Z-Wave ya mencionados anteriormente.

1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

Ha quedado clara la tendencia creciente del mundo de la domótica. Cada vez

resulta más atractiva la idea de automatizar o hacer inteligente el hogar donde vivimos.

Por ello, resulta interesante estudiar los métodos que se han desarrollado hasta hoy para

Figura 1.4: RUC (UPB) [7]




poder elaborar una solución que tenga elementos que los sistemas estudiados carezcan.

Primero, se ha determinado la solución de este proyecto comparando los sistemas

domóticos comerciales estudiados y se expondrá después la motivación de este proyecto

que ha causado esta comparación.

1.2.1 COMPARACIÓN

A partir de las características principales se va a proponer una solución con un

valor añadido para ofrecer una solución más efectiva y robusta. Como protocolo de

comunicación se usará ZigBee en este proyecto, aunque será a través de una interfaz

que desarrolló la empresa Microchip Technologies: MiWi (Microchip Wireless[8]). Se

caracteriza por su bajo consumo y bajas tasas de datos y posee otros rasgos que se

pueden ver a continuación:

SmartThings INSTEON Z-Wave UPB MiWi Powerline No Sí No Sí No

Radio Sí (varios) Sí (sub GHz)

Sí (sub GHz) No Sí (2.4GHz)

Propagación de mensajes Redirección. Simulcast Redirección. P2P Redirección.

Nivel de ruido Normal Escaso Bajo Muy escaso Normal Encriptación Sí Sí Sí** Sí Sí***

Tabla de direcciones

Solo en la centralita

En cada dispositivo

Solo en la centralita

En cada dispositivo

En cada dispositivo*

Actualización de la tabla de direcciones

Automático Manual Manual Automático Automático*

Integración de dispositivos a

la red Automático Manual Manual Automático Automático

Powerline se refiere a transmisión por el cableado eléctrico. Propagación de

mensajes es la manera en que los mensajes son transmitidos por la red. La tabla de

direcciones es un índice que tienen los dispositivos para saber la dirección del

No es propio del protocolo MiWi. Se ha programado para mejorarlo y para que obtenga esas propiedades

Desde hace cuatro años se implementó una encriptación sólida, ya que se podía hackear los cerrojos y cualquiera los podía abrir

Figura 1.5: Tabla de comparación del protocolo inalámbrico entre tecnologías orientadas a la domótica

*

*

*

Se puede descifrar con ZENA Network Analyzer, un dispositivo de Microchip Technology Inc. disponible en el mercado *

*

*

*




dispositivo al que tienen que mandar el mensaje; en algunos sólo la centralita sabe la

dirección de todos y los dispositivos sólo conocen la dirección de su maestro o esclavo.

Respecto al nivel de ruido no es de mucha importancia, ya que el protocolo está

diseñado para volver a mandar el mensaje hasta 3 veces más si no ha llegado

correctamente a su destino. Si no alcanza a su destino se usará el redireccionamiento

para encontrar caminos alternativos. Debido al alcance de las telecomunicaciones, el

hecho de que la información vaya encriptada es importante para que nada pueda

interferir fácilmente.

Sin embargo, ya que uno de los objetivos de la domótica es el ahorro energético,

los sistemas domóticos comerciales carecen de funcionalidades en cuanto a la gestión de

energía. Aunque no se incluya en este proyecto, una de las funciones más importantes

en una casa inteligente es la gestión de la energía: monitorizar el consumo energético de

los elementos de la casa (cuánto consumen las luces del salón, el aire acondicionado,

etc.); la respuesta a la demanda (monitorizar el coste actual de la energía); el

almacenamiento de energía cuando la energía esté más barata; y limitar el consumo

cuando la energía esté más cara. Estas cuatro funciones, aunque sean ajenas a este

proyecto, se integrarán con este proyecto una vez se configure la compatibilidad y la

integración entre ellos.

1.2.2 MOTIVACIÓN

Un factor importante a tener en cuenta es que el sistema domótico sea fácil de

entender y de gestionar. Por ello, el sistema domótico desarrollado en este proyecto

debe ser user-friendly para que sea más fácil de usar y sobre todo más atractivo. Por eso

se ha optado por utilizar un protocolo de comunicación que no requiera acción por parte

del usuario para establecer la red inteligente.

Si profundizamos en este factor uno se puede encontrar con un “límite” que

estos sistemas domóticos tienen. Estos sistemas domóticos ya desarrollados funcionan

según consignas/reglas temporales/eventos que el usuario define; es decir, que si el

usuario no pone las reglas, el sistema domótico no sabría qué hacer.

Por lo tanto, en este proyecto se ha estudiado la manera de dotar a este sistema

de una “inteligencia propia” para aportar más beneficios al sistema. Por ejemplo, si el

usuario quiere establecer una temperatura determinada en un lugar y el sistema




domótico “considera” que el coste energético de esta operación es alto, este sistema

podría modificar ligeramente la temperatura para que el usuario no note este cambio y

para reducir el coste energético.

Como se ha visto anteriormente, otro elemento que aportaría un valor

considerable a cualquier sistema domótico comercial es una gestión de energía en el que

se incluya un almacenamiento propio de energía. El sistema debería ser capaz de

almacenar energía mientras la demanda sea baja, para luego independizarse de la red

eléctrica una vez la demanda sea alta y subsistir con la energía almacenada previamente.

1.3 OBJETIVOS

Se han cumplido los siguientes objetivos para llevar a cabo este proyecto con los

rasgos mencionados en el apartado anterior:

1. Desarrollo de una red que se comunique de forma inalámbrica

Se ha utilizado el protocolo ZigBee con una interfaz que ha desarrollado

Microchip: MiWi. El sistema domótico debe tener un sistema de comunicación

inalámbrica para poder conectar todos los elementos del sistema entre sí.

2. Realizar un sistema que soporte un control de iluminación, de climatización y de

seguridad integrando sensores y actuadores en la red.

Un sistema domótico tiene como finalidad el aumento del confort, del ahorro

energético y de la seguridad del hogar.

3. Desarrollo de un software de interacción del sistema con un PC (opcional:

interacción con un smartphone)

El PC / smartphone debe registrar todas las variables y reglas de funcionamiento

de la red inteligente y se debe poder monitorizar el sistema y controlar desde éste.

4. Integración del sistema domótico con el sistema gestor de energía.

El sistema gestor de energía, como se ha mencionado anteriormente,

corresponde a otro proyecto. Es la otra mitad que hace falta para completar el sistema

inteligente en un hogar.




1.4 METODOLOGÍA

Se ha definido una arquitectura posible del sistema domótico en la figura 1.7.

Consiste en cuatro sistemas, que son enlazados entre sí por el maestro central, y a su vez

el maestro central se comunica con el sistema gestor de energía que no se incluye aquí.

Se ha definido cada

elemento de cada sistema por

separado y su interacción con el

resto de elementos; para los

sensores de luminosidad se debe

establecer el sensor a usar y la

interacción con la tarjeta

controladora. Una vez se haya

logrado, se puede pasar a definir el

siguiente elemento de esta

arquitectura.

Una vez todos los

elementos hayan sido definidos, el

siguiente paso es juntarlos todos en

la misma red mediante las tarjetas

controladoras y un software que

los configure de manera automática.

A continuación se definió la

arquitectura del sistema completo, como se

puede ver en la figura 1.7. Los sistemas

situados en el nivel bajo van separados, pero

coordinados por el mismo dispositivo, el

maestro central. El maestro se comunicará

con el PC, de modo que el usuario pueda

controlar el sistema completo, almacenándose

los datos en una base de datos accesible por

la interfaz de control.

Figura 1.6: Arquitectura posible del sistema domótico

Figura 1.7: Arquitectura general del sistema




Y como último paso se especificó la

interfaz de control y la base de datos a usar.

La interfaz debe ser entendible por el usuario

para que pueda gestionar su hogar con la

mayor facilidad posible. La información

sobre los aspectos de la casa es recogida por

los sensores para mostrarla en pantalla, y

también existen controladores para accionar

los actuadores correspondientes en la

habitación seleccionada con una lista

desplegable.

Finalmente, debido a que este proyecto tiene como objetivo incorporar sensores

y actuadores en una red inteligente, no es necesario implementar en el proyecto todos

los definidos en la figura 1.6. Por lo tanto se han implementado los sensores y

actuadores que requieren un circuito de acondicionamiento simple en este proyecto para

comprobar su integración en la red y el control llevado a cabo para manejar estos

dispositivos. En el siguiente apartado se especifican los sensores y actuadores que

implementados en este proyecto.

1.5 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS

Los recursos usados para llevar a cabo este proyecto se pueden clasificar en

cuatro grandes grupos: sensores, actuadores, tarjetas controladoras y software:

Sensores • Sensor de luz (fotorresistencia). • Sensor de temperatura (NTC). • Sensor de movimiento/presencia (PIR). • Sensor de humedad (condensador variable).

Actuadores • Relés lacheados y no-lacheados para accionar sistemas automatizados como las

persianas eléctricas o el riego del jardín. • Luz personalizada – LEDs tricolores o RGB.

Figura 1.8: Interfaz de control




Tarjetas controladoras • Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 y/o dsPIC33FJ128MC802. • Módulo de radiofrecuencia MRF24J40 (2.4GHz) de protocolo MiWi. • Módulo de radiofrecuencia MRF24WG0 (2.4 GHz) de protocolo WiFi. • Estaño, soldador y mordaza para soldar componentes a las tarjetas. • Otros componentes (alimentación, bobinas, condensadores, resistencias, etc.).

Software • Compilador MPLAB C30 IDE para programar en C. • Diseñador PCB CadSoft Eagle para elaborar circuitos impresos. • ZENA Network Analyzer para depurar la comunicación MiWi. • ERwin Data Modeller y DBManager para la creación y gestión de la base de

datos MySQL, usando ODBC para enlazar programas a la base de datos. • Qt Designer para el diseño de la interfaz de control. • Microsoft Visual Studio 2010 para la comunicación WiFi, para programar la

interfaz de control y para la escritura y lectura de datos en la base de datos.

Memoria Arquitectura del sistema domótico



Capítulo 2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA DOMÓTICO

En este capítulo se expone la arquitectura general que se ha desarrollado en este

proyecto: el sistema de control, el sistema de gestor de energía, la interfaz de control del

PC y la interacción entre ellos.

2.1 ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA

Este sistema se compone de varios elementos que controlan ciertos aspectos del

entorno doméstico. Es importante que las órdenes de control vengan de un elemento en

particular que esté en lo alto de la estructura. Por lo tanto, se ha desarrollado la siguiente

estructura:

Figura 2.1: Arquitectura general del sistema inteligente




Los elementos físicos del sistema domótico se encuentran en el nivel más bajo,

que son los sensores y actuadores, tal y como se ha expuesto anteriormente en la figura

1.6. Como ya se ha mencionado anteriormente, este proyecto no trata de desarrollar el

sistema de control energético, sino interactuar con él. Estos dos sistemas están

coordinados por un maestro central, que está en un nivel medio. Es un dispositivo clave

que actúa como puente entre el nivel bajo y el nivel alto del sistema, la interfaz de

control.

Sin embargo, como ya se mencionó anteriormente, en este proyecto no se van a

usar todos los sensores y actuadores ilustrados en la figura 1.6 debido a la complejidad

del algoritmo de control y de los protocolos de comunicación que ya presenta de por sí

el sistema inteligente.

La interfaz de control es la que se encarga de controlar el sistema entero. Manda

peticiones periódicas de datos y medidas a los dispositivos del sistema domótico y del

sistema energético para almacenarlos en la base de datos. Cuando el usuario lo desee,

puede controlar él mismo el sistema a través de la interfaz de control y puede pedirle

datos y medidas del sistema a la interfaz de control, que se las pasará directamente de la

base de datos.

Por ello, para facilitar la experiencia al usuario, la interfaz de control debe ser

fácil de manejar, lo cual garantiza un control eficaz y sencillo del sistema. Por otro lado,

es necesario un protocolo de comunicación robusto, de bajo coste y de bajo consumo.

En el capítulo 3 se explicará el protocolo de comunicación MiWi que siguen los

elementos del sistema inteligente que se encuentran en el nivel más bajo, y en el

capítulo 5 se verá el protocolo de comunicación WiFi que sigue el resto del sistema.

2.2 EJEMPLO EN UN HOGAR

Uno de los factores más importantes en un sistema domótico es la colocación de

los dispositivos en el hogar: los dispositivos controladores, el PC controlador, los

sensores, los actuadores, etc. Hay que tener en cuenta lo que necesita cada habitación y

lugar del hogar para determinar los sensores que debe haber en cada sitio del hogar, sin

olvidarse de la distancia entre dispositivos para no perjudicar la comunicación

inalámbrica. En la figura 2.2 se puede ver un ejemplo completo de cómo se puede




organizar y estructurar un sistema inteligente en un hogar, con sus correspondientes

elementos de domótica y elementos de gestión de energía:

En este ejemplo también se han incluido los dispositivos de control energético,

aunque no se desarrollen en este proyecto. Sin embargo, es necesario saber que los

dispositivos de control energético se han posicionado fundamentalmente para medir y

regular la corriente de algunos electrodomésticos. Como puede verse, lo más eficaz es

situar los elementos de control de más alto nivel a la entrada del hogar, ya que supone

una comodidad el gestionar la casa una vez se entre o se salga de ella. El maestro central

conviene colocarlo lo más centrado posible. En este caso se ha colocado también en el

recibidor.

Figura 2.2: Ejemplo de un plano de una casa inteligente, adaptado de [9]




Se han colocado diez dispositivos controladores domóticos por toda la casa para

poder gestionarla de forma eficaz. En general, un sensor de temperatura en cada

dispositivo es útil para monitorizar la temperatura en toda la casa. En la cocina sería

imprescindible un sensor de humo para notificar un posible incendio y un sensor de

humedad en el suelo para comprobar que no hay fugas de agua. En el recibidor-pasillo

es fundamental un sensor de presencia para mejorar la seguridad del hogar. En el salón,

dado su tamaño, es posible la utilización de dos dispositivos, ya que uno puede iluminar

el salón con LEDs RGB y el otro puede manejar las persianas eléctricas. En cada baño

se puede instalar también un sensor de humedad para controlar que no haya fugas de

agua. Finalmente, en las habitaciones se puede tener sensores de luz, controladores para

las persianas eléctricas y reguladores de carga para la luz (este último perteneciente a

los dispositivos de control energético) para mantener el nivel de luz constante en las

habitaciones automáticamente de forma óptima.

Este ejemplo cubre todos los aspectos generales de un sistema domótico

genérico. En los siguientes capítulos se va a detallar cada uno de estos aspectos relativos

a este proyecto, comenzando por el protocolo de comunicación en el siguiente capítulo.

Memoria Comunicación del sistema domótico



Capítulo 3 COMUNICACIÓN DEL SISTEMA DOMÓTICO

En este capítulo se expone uno de los elementos fundamentales de un sistema

domótico: el sistema de comunicación inalámbrica del sistema domótico. Su papel es

transmitir la información relevante acerca del entorno doméstico y las órdenes

procedentes de la interfaz de control.

3.1 PROTOCOLO MIWI – MICROCHIP WIRELESS

Este es el protocolo de comunicación escogido para el sistema domótico de este

proyecto. Es un protocolo de código libre de Microchip Technology Inc., aunque sólo se

puede usar en ciertos dispositivos de la misma empresa (en el capítulo 4 se verán los

dispositivos usados con este protocolo en este proyecto). Está basado en el protocolo de

comunicación inalámbrica ZigBee (que a su vez está basado en estándar IEEE 802.15.4,

especificación del Low Rate Wireless Personal Area Network). El protocolo MiWi se

caracteriza por lo siguiente [10]:

• Bajo coste • Bajo alcance • Bajo caudal de datos • Bajo consumo de potencia

Debido a estas propiedades, el protocolo

es adecuado para aplicaciones domóticas. En los

siguientes apartados se estudiará detalladamente

el funcionamiento general de los dispositivos que

operan con el protocolo MiWi.

3.2 ESTRUCTURA Y DISPOSITIVOS DE LA RED MIWI

Las redes formadas por este protocolo están compuestas por 4 tipos de

dispositivos en una topología de red mallada [11]:

Figura 3.1: Logos de ZigBee y Miwi [10]




• Maestro Central / PAN Coordinator: se encarga de formar la red y de asignar direcciones a los dispositivos que se conecten a la red.

• Coordinador / Coordinator: se puede usar para extender el alcance de la red o bien para cumplir funciones domóticas.

• Esclavo / End Device: cumple funciones domóticas. Puede ser FFD (full function device) o bien RFD (reduced function device). Lo segundo implica que el transmisor del dispositivo no tenga que estar encendido siempre para ahorrar potencia.

3.3 DIRECCIONES DE LOS DISPOSITIVOS

Una vez que el maestro haya establecido la red, este asignará una dirección

dinámica (Short Address, de 4 bytes) a los dispositivos que se conecten. Sin embargo, es

mejor identificar los dispositivos por dirección propia, física, permanente y única (EUI

– Extended Unique Identifier, de 8 bytes), ya que la dirección dinámica puede ser

distinta en distintos casos. En caso de que un dispositivo que se esté conectando a la red

detecte a un coordinador de la

red pero no al maestro de la

red, entonces el coordinador

de la red le asignará esa

dirección al dispositivo. En el

ejemplo a la derecha se puede

observar la mecánica que hay

detrás de las direcciones

dinámicas [11].

Figura 3.2: Topología en malla de una red MiWi [11]

Figura 3.3: Asignación del short Address en una red MiWi [11]




3.4 CREACIÓN DE LA RED E INTEGRACIÓN DE DISPOSITIVOS

Con el protocolo MiWi, un dispositivo puede ser configurado para ser el maestro

de una red, o para conectarse a una red ya establecida. Esta red se crea en un canal de la

banda de los 2.4GHz. Se pueden establecer una red en 16 canales con distinta

frecuencia. Dentro del mismo canal, es posible crear hasta 65536 redes y cada red lleva

su identificador – un número de 4 bytes (denominada PANID).

Un dispositivo que busque una red manda peticiones de baliza constantemente a

un canal. Una vez que una petición sea recibida por maestro/coordinador enviara una

baliza, que contiene la información de la red y del emisor, ya que varios dispositivos en

una red podrían ser capaces de integrar un dispositivo nuevo a la red. Una vez lleguen

esas balizas al dispositivo que desea conectarse, éste decide a qué dispositivo asociarse

y manda una petición de asociación. Después de un tiempo predefinido, el dispositivo

inicial manda un comando de

petición de datos para recibir la

respuesta de asociación desde el

otro lado de la conexión.

Finalmente el dispositivo

perteneciente a la red integra al

otro dispositivo a la red,

asignándole una short address.

Este procedimiento

(handshaking) se muestra en la

[12]:

3.5 ENVÍO Y RECEPCIÓN DE MENSAJES

Una vez se haya formado una red, lo siguiente que hay que tener en cuenta es

cómo enviar mensajes por la red. Cualquier dispositivo que sea miembro de una red de

protocolo MiWi usará su short address para comunicarse con el resto de la red. Esta

dirección corta ayuda a otros dispositivos de la misma red a determinar el paradero del

remitente y cómo dirigirse a él. [11]

Figura 3.4: Procedimiento de handshaking en una red MiWi [12]




Los mensajes se codifican con el algoritmo de seguridad XTEA (versión

modificada del TEA – Tiny Encryption Algorithm), algoritmo público que se puede

encontrar fácilmente en internet, aunque no se conoce su debilidad por el momento. Fue

escogido con un compromiso entre memoria ocupada y nivel de seguridad. [13]

Los mensajes están formados por dos partes: la cabecera y el contenido. La

cabecera del mensaje contiene la información necesaria para saber de qué red proviene

el mensaje enviado, la short address del remitente y la short address del destinatario. Si

un dispositivo recibe este mensaje pero no es el destinatario, lo reenvía, ya que por

problemas de alcance es posible que un dispositivo A no alcance al B pero sí al C que sí

puede alcanzar al B. El contenido del mensaje contiene la información que se pretendía

enviar, y esto es lo que se debe procesar si es el destinatario quien lo recibe. [11]

Hay veces que un mensaje no llega a su destino, que ocurre con una probabilidad

muy baja; pero existe un método de confirmación de recepción (acknowledgement -

ACK) para saber si el mensaje ha llegado a su destino. Si el dispositivo emisor del

mensaje no ha recibido el acknowledgement después de un tiempo predefinido (timeout)

entonces enviará el mensaje de nuevo. Si lo ha intentado 3 veces sin éxito declarará un

error. Nótese que este es un método que verifica si el mensaje se ha enviado

correctamente, pero no verifica si el contenido no ha sido modificado por error. Para

ello existe la comprobación de redundancia cíclica (CRC) que añade datos a la cabecera

que guardan relación con el contenido del mensaje. Si esta relación no se cumple una

vez recibido el mensaje, se mandará una petición de reenvío. [11]

Los dispositivos tienen un buffer para la transmisión y para la recepción (TX

buffer y RX buffer respectivamente). El TX buffer almacena bytes como contenido del

mensaje que se desea enviar, y cuando se esté ejecutando el comando de emisión, se le

añade la información correspondiente a la cabecera, se envía el buffer al destino

deseado y luego se limpia. El RX buffer recibe lo que en su momento estaba en el TX

buffer de otro dispositivo. Una vez se haya procesado el mensaje recibido se limpia el

RX buffer. Estos buffers son útiles ya que los dispositivos pueden estar ocupados y no

pueden atender a la recepción o la emisión del mensaje en un momento dado. [11]

También existe un método global de envío de mensajes que se denomina

broadcast. Se trata de mandar un mensaje a todos los dispositivos que se encuentren en

la red. Es un método útil para hacer llegar un mensaje general a todos los dispositivos

de la red.




3.6 PROPAGACIÓN Y REENVÍO DE MENSAJES

Para guiar un mensaje en una red inalámbrica puede requerir procesos

laboriosos. El protocolo MiWi resuelve este problema con un método que guía los

mensajes (routing), tal y como se puede resumir en la siguiente figura:

Este árbol de decisión representa el mecanismo que sigue un mensaje cuando es

recibido por un dispositivo distinto al destinatario. Esto también puede ocurrir por

razones de alcance. En el caso de que un mensaje recibido sea un broadcast, el

dispositivo hace un re-broadcast para asegurarse de que llegue el mensaje a todos los

dispositivos de la red. Si un dispositivo recibe un mensaje duplicado por broadcast,

ignorará las duplicaciones.

En la primera condición del árbol de decisión se pregunta si se conoce al

dispositivo directamente. Un dispositivo A conoce a otro B directamente si:

• A ha sido integrado a la red por B, o viceversa • A ha recibido un mensaje por parte de B, o viceversa

Si se observa la figura 3.3 de nuevo, se puede ver que antes de mandar mensaje

alguno, el dispositivo A no conoce a los dispositivos E, F y G (y viceversa). Una vez el

dispositivo A mande un mensaje al dispositivo E, mandará un mensaje al C, que es

quien integró al dispositivo E a la red; tal y como aparece en la segunda pregunta del

árbol de decisión de la figura 3.5. Finalmente el dispositivo C le reenviará el mensaje al

dispositivo E, entonces E conoce directamente a A. Una vez E mande el

acknowledgement al dispositivo A, el dispositivo A conoce directamente a E. [11]

Figura 3.5: Procedimiento de routing de mensajes en una red MiWi [11]




3.7 FLUJOGRAMA DE OPERACIÓN MIWI

El flujograma de operación de un dispositivo que opera con el protocolo de

comunicación inalámbrica MiWi se puede ilustrar en la siguiente figura:

El dispositivo primero debe inicializar la pila y el hardware para preparar las

comunicaciones. Después, establece la conexión con la red de una manera o de otra; es

decir, si está configurado para ser maestro pues crea la red, si no, busca al maestro o a

los coordinadores hasta que le manden una baliza para establecer la conexión e

integrarse a la red. [11]

Una vez el dispositivo sea parte de una red, entra en un bucle infinito en el que

se comprueba siempre si hay un paquete en su RX buffer o si debe enviar un mensaje; y

actúa en consecuencia. El protocolo está configurado de tal manera que no se pueda

recibir a la vez que se envía, por lo tanto hay que tener esto en cuenta una vez se

modifique el protocolo para adaptarlo a la aplicación que se desee; en este caso, en una

aplicación para crear un sistema domótico para una casa inteligente. En el siguiente

apartado se expondrán las modificaciones que se han implementado en este protocolo.

Figura 3.6: Flujograma de operación que sigue un dispositivo que funciona con MiWi [11]




3.8 MODIFICACIONES REALIZADAS EN EL PROTOCOLO MIWI

Se han implementado varios cambios con el fin de facilitar la programación y

mejorar las características del protocolo MiWi. En primer lugar, se han implementado

dos modos nuevos de conexión para los dispositivos que deseen integrarse a la red, que

son una versión modificada del modo existente:

1. El dispositivo manda peticiones de baliza a cierto canal de frecuencia con cierta identificación (PANID) y se conecta al dispositivo que le mande una baliza.

2. Igual que el anterior, pero sólo aceptará la baliza si proviene de un dispositivo (maestro o coordinador) con un cierto short address predefinido.

El modo 2 ha sido creado para aumentar el alcance de la red de manera más

eficaz, de modo que se puede fijar la short address de todos los dispositivos si se

controla el orden en el que estos dispositivos se encienden; lo cual es útil para saber a

qué short address hay que mandar un mensaje para que llegue a cierto dispositivo. La

desventaja de este es que requiere fijar el orden de conexión de los dispositivos.

Para facilitar la configuración del EUI de cada dispositivo, se definió una

variable accesible que se añade al byte menos significativo (LSB) de esta dirección

permanente (que tiene 8 bytes en total), la cual se ha definido como micro. Para

micro=0x00 se tiene un EUI de 0x1122334455667701. Después, se ha creado una

tabla de direcciones o hashtable que relaciona la variable micro de cada dispositivo

con su respectivo short address, de modo que se pueda saber a qué short address

(definida en el protocolo MiWi como myShortAddress) mandar un mensaje para

que llegue a cierto dispositivo (distinguido por la variable micro). En la siguiente

figura se puede observar un ejemplo:

micro myShortAddress

MSB LSB

1 0x01 0x00

2 0x02 0x00

3 0x01 0x02

4 0x01 0x03

Figura 3.7: Ejemplo del hashtable con la configuración de la red del protocolo MiWi modificado




Con el hashtable no es necesario el modo 2 de conexión para poder relacionar

cada dispositivo con su respectivo short address dentro de la red. El hashtable podría

tener una fila más relacionada al maestro central, pero es redundante ya que se sabe que

el maestro tendrá micro 0 y myShortAddress 0x0000. Cuando los demás

dispositivos se integran a la red, estos le mandan un mensaje al maestro central con su

respectiva fila del hashtable, es decir, su micro y su myShortAddress. Una vez

haya pasado un tiempo predefinido, el maestro mandará el hashtable que tiene al resto

de los dispositivos para que también lo tengan.

Debido al requisito de predefinir varias variables para configurar la red, se ha

creado un archivo cabecera parameters.h en el que se encuentran todas las

constantes que definen la red y el dispositivo; de modo que resulte más fácil configurar

a la red y a los dispositivos. Las constantes que hay en este archivo son las siguientes:

Constante Descripción Restricciones

MI_DIR_ZIGBEE (micro)

Distingue a cada dispositivo, se

añade el valor de este al último

byte del EUI de cada dispositivo

Distinta en cada dispositivo

MI_CHANNEL La frecuencia de la red que se

quiere establecer o unirse Igual en cada dispositivo

MI_PAN_ID La identificación de la red que

se quiere establecer o unirse Igual en cada dispositivo

NUM_DISPOSITIVOS El número de dispositivos que

hay previsto en toda la red Igual en cada dispositivo

TAM_MENS El tamaño máximo en bytes que

puede contener un mensaje Igual en cada dispositivo

ANNOUNCE_HASHTABLE_TIME El tiempo que el maestro espera

a anunciar el hashtable (ms) Ninguna

MI_MODO Modo de conexión (1,2) Ninguna

ID_MI_MAESTRO_MSB El MSB del maestro/coordinador

asociado al modo 2

El maestro/coordinador de la red

debe tener esta short address

ID_MI_MAESTRO_LSB El LSB del maestro/coordinador

asociado al modo 2

El maestro/coordinador de la red

debe tener esta short address

Figura 3.8: Constantes relacionadas con el protocolo definidas en el archivo parameters.h




Figura 3.9: Formato de los mensajes transmitidos en el protocolo modificado

Figura 3.10: Distintos tipos de instrucción transmitidos en el sistema domótico

Otro elemento importante es definir un protocolo de mensajes robusto. En este

archivo cabecera también se definieron constantes relacionadas al tipo de mensaje o

instrucción que se envía o se recibe. A continuación se expone el formato de los

mensajes mandados en este protocolo:

Cabecera propia del

protocolo original

Número de bytes N del

mensaje (1 byte)

Instrucción

(1 byte)

Contenido adicional del mensaje

(38 bytes máximo)

La cabecera propia del protocolo original contiene información como el

destinatario del mensaje, la petición de confirmación (ACK), la comprobación por

redundancia cíclica (CRC), etc. El número N de bytes es igual a la longitud del

contenido adicional del mensaje mas uno, el byte de la instrucción del mensaje. Este

número es necesario para saber cuántos bytes se deben interpretar. El byte más

importante es el de la instrucción, pues indica al dispositivo cómo debe interpretar este

mensaje. Los distintos tipos de instrucción se exponen a continuación, con su contenido

adicional asociado:

INST_HASHTABLE_UPDATE 3 bytes: el byte de la variable micro y los dos bytes del

myShortAddress del emisor (para rellenar la hashtable).

INST_PEDIR_MEDIDAS_DOM 0 bytes adicionales, sólo indica al dispositivo que debe mandar

lecturas de los sensores conectados a él (siguiente instrucción).

INST_MEDIDAS_DOMOTICAS

12 bytes: El dispositivo emisor informa sobre el estado y la medida de

sus sensores de temperatura, humedad, luz y presencia, formando 4

grupos de 3 bytes para informar sobre ello.

INST_PEDIR_ESTADO_RGBS 0 bytes adicionales, el dispositivo receptor debe mandar el estado de

los LEDs conectados a él (siguiente instrucción).

INST_ESTADO_RGBS

5 bytes: el primero indica qué LEDs tiene habilitados el dispositivo emisor, el

segundo indica la potencia del LED en general (%) y los últimos 3 indican la

intensidad (%) de cada color del LED tricolor (rojo, verde y azul)

INST_LUZ 5 bytes: el primero indica qué LEDs debe encender el dispositivo receptor, y los últimos 4

son los niveles de potencia general, rojo, verde y azul que debe establecer en los LEDs.

INST_RELE 1 byte, que indica qué relés debe excitar el dispositivo receptor del mensaje.




En las instrucciones INST_MEDIDAS_DOMOTICAS e INST_ESTADO_RGBS

se incluye también la variable micro del dispositivo ya que le ahorra al maestro central

la tarea de mirar esta variable en su hashtable, de modo que el maestro central reenviará

el mensaje por WiFi al PC sin tener que procesarlo (ver capítulo 5).

Finalmente, se ha modificado el temporizador o timer por dos razones. La

primera es que usaba dos timers en vez de uno y dejaba solo un timer disponible para

las aplicaciones domóticas de este proyecto, dificultando la coordinación entre ciertas

tareas. Por ello, este protocolo solo usará un timer. La desventaja de ello es que la

cuenta del timer rebosaría antes, por lo tanto el registro asociado que cuenta las veces

que el timer rebosa contaría mucho más rápido que antes y llegaría al límite demasiado

pronto. Debido a ello, se ha aumentado la frecuencia del timer en un 1000%

aproximadamente.

La segunda razón por la que se ha modificado el timer es porque el registro

asociado tenía un número de bytes que, sin modificar el timer, llegaba a su fin en

aproximadamente 2 horas después de su conexión a la red (cuando llega a su fin vuelve

a contar desde 0); y como el protocolo cuenta tiempo por referencias, si establece una

referencia en 1:45 para contar media hora, no va a llegar nunca ya que pasado la media

hora el registro estará en 0:15 y la diferencia sería de -90 minutos. Se le han añadido 4

bytes más a este registro; y con la frecuencia del timer 10 veces más rápido ahora podrá

contar hasta más de 100 años sin volver a contar desde 0.

Realizados todas estas modificaciones, el protocolo es ahora más robusto y más

fácil de manejar, facilitando la comunicación entre dispositivos de la red interna MiWi y

también la comunicación entre la red MiWi y el PC para controlar los dispositivos

desde la interfaz de control. En el capítulo 5 se verá el protocolo de comunicación usado

para enlazar el resto del sistema con la red MiWi.

Explicado ya las características fundamentales del protocolo de comunicación

del sistema domótico, en el siguiente capítulo, se verán los distintos dispositivos que

van a operar con el protocolo MiWi.

Memoria Dispositivos remotos



Capítulo 4 DISPOSITIVOS REMOTOS

En este capítulo se verá el hardware desarrollado y usado en este proyecto: las

tarjetas controladoras, el microprocesador, el módulo de radiofrecuencia, los sensores y

los actuadores.

4.1 TARJETAS CONTROLADORAS

Las tarjetas controladoras o de control han sido diseñadas con el programa de

CAD CadSoft Eagle 6.1. Algunas de estas tarjetas se pueden alimentar con pilas; por

ello, se pueden colocar en cualquier lugar de la casa sin tener que pasar un cable de

alimentación desde un enchufe, lo cual resulta útil para ciertos sensores como los de

presencia. Se han diseñado en este proyecto cuatro tarjetas que sirven propósitos

distintos:

• TCD: Tarjeta de Control Domótico

• TCI-F: Tarjeta de Control de Iluminación – Foco

• TCI-4F: Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases

• TCA: Tarjeta de Control de Actuadores

Estas tarjetas se colocarían en distintos lugares de la casa, como se puede ver en

la figura 2.2. La tarjeta que representa el maestro central (TCC) se verá en el capítulo 5;

Cada tarjeta viene con un microprocesador y un módulo de radiofrecuencia que se verán

en los apartados 4.2 y 4.3 respectivamente. A continuación se expondrán las

características principales de cada tarjeta.

4.1.1 TCD: TARJETA DE CONTROL DOMÓTICO

Esta tarjeta fue la primera que se diseñó y por ello es la tarjeta de propósito

general de este proyecto. Las otras 3 tarjetas fueron diseñadas posteriormente ya que

ciertos actuadores requerían una serie de componentes que ocupan un espacio

considerable, como los relés de la TCA.




Esta tarjeta se alimenta a 12V, por lo tanto se puede alimentar con pilas. Tiene

dos estabilizadores de tensión cuyas tensiones de salida son 5V y 3.3V. Estas tensiones

de salida son adecuadas para

la gran mayoría de sensores y

actuadores que hay en el

mercado.

Los sensores y

actuadores que se deseen

conectar a la tarjeta se

conectan en los pines que van

de 3 en 3 en la parte superior

y en la izquierda de la tarjeta.

Son 3 pines para cada

sensor/actuador ya que uno

está a 3.3V o 5V (mediante

un jumper se selecciona), otro

está a 0V y el tercero está

conectado al microprocesador.

En concreto, los pines en el recuadro A y B son los que entran al conversor

analógico-digital del microprocesador. Estos pines del microprocesador son capaces de

medir tensión, de 0 a la tensión de alimentación (en este caso es 3.3V). Se han separado

en dos grupos distintos ya que tienen una alimentación distinta. Con los pines verdes se

puede establecer una tensión de 3.3V o de 5V mediante un jumper. En el recuadro C se

encuentran los pines asociados al periférico de control de motores del microprocesador.

Asimismo, en el recuadro D se pueden conectar sensores digitales para que, con el

selector rojo de la parte superior izquierda de la tarjeta, tengan una resistencia pull-

down. En el recuadro E se encuentran pines de funciones reducidas que se pueden usar

para establecer o leer tensiones de 0V, 3.3V o de 5V solamente (como el resto de los

pines). Adicionalmente, en la esquina inferior izquierda se han dispuesto varios pines

para poder gestionar un encoder (recuadro F).

Se puede apreciar en la figura 4.1 el microprocesador y el módulo de

radiofrecuencia, ambos de Microchip Technology Inc. El espacio que existe entre el

módulo de RF y el resto del circuito es necesario para no interferir en las

Figura 4.1: TCD: Tarjeta de Control Domótico

A

B

C

D E

F

G

H I




comunicaciones del dispositivo. También hay un conector blanco de tres pines

(recuadro I) debajo que sirve para comunicación I2C (Inter-Integrated Circuit) con otras

tarjetas. El conector blanco que está a la derecha del conector I2C (recuadro H) es por

donde se alimenta la tarjeta a 12V. El circuito estabilizador de tensión se encuentra

encima del módulo de radiofrecuencia, delimitado por dos bobinas (de color cobre). Por

si fuera necesario, se han colocado varios pines a 5V y a 3.3V (recuadro G) con sus

respectivos pines a tierra encima del circuito estabilizador de tensión.

En definitiva, esta tarjeta es capaz de gestionar y controlar una gran variedad de

sensores y actuadores adecuados para aplicaciones domóticas. A continuación se

expondrá las características de las otras tres tarjetas, que no son de propósito general.

4.1.2 TCI-F: TARJETA DE ILUMINACIÓN - FOCO

Esta tarjeta ha sido diseñada para gestionar

LEDs RGB (véase 4.6.2), y por ello se alimenta a

220V en corriente alterna (se puede apreciar el

transformador, que es el componente grande rojo),

para poder proporcionar una corriente lo

suficientemente alta al LED para poder iluminar

gran parte de una habitación.

Esta tarjeta también dispone de un conector

I2C y está diseñada para también soldarle (recuadro

D) un sensor de temperatura NTC (véase 4.5.3). En

la parte inferior de la tarjeta se puede apreciar los

tres transistores asociados a cada LED.

En el recuadro A se encuentra el conector de 4 pines para enchufar a un LED

RGB. Hay un pin a 3.3V y los 3 restantes son los pines asociados a cada color del LED.

Por si fuera necesario, existen 2 pines de 3.3V con sus pines asociados a tierra (recuadro

B). La entrada a 220V se encuentra en el recuadro C. Entre los recuadros B y C se

encuentra el conector de 3 pines de comunicación I2C, como en la tarjeta TCD.

Figura 4.2: TCI-F: Tarjeta de Control de Iluminación - Foco

A C B

D




Figura 4.4: TCA: Tarjeta de Control de Actuadores

4.1.3 TCI-4F: TARJETA DE ILUMINACIÓN – 4 FASES

Esta tarjeta ha sido diseñada para

gestionar varias tiras de LEDs RGB (véase

4.6.2), aunque de menor calibre que el de la

tarjeta anterior. En total se pueden acoplar 4

circuitos de LEDs RGB distintos, haciendo un

total de 12 transistores requeridos para ello.

A diferencia de la tarjeta anterior, esta

se alimenta a 12V y alimenta a los LEDs RGB

a 12V también; mientras que la tarjeta anterior

alimentaba su LED RGB asociado a 3.3V. En

el caso de este proyecto se han conectado tiras

de LEDs RGB de 15 cada una a cada fase. Las

4 fases se señalan en los recuadros A y B.

El conector de alimentación se encuentra en el recuadro C, y también esta tarjeta

dispone de pines a 3.3V (recuadro D). Asimismo, el conector de comunicación I2C está

presente en esta tarjeta también; y se encuentra entre los recuadros B y C.

4.1.4 TCA: TARJETA DE CONTROL DE ACTUADORES

Para el control de actuadores se ha

diseñado esta tarjeta que es capaz de

gestionar relés ya que viene equipada con el

circuito de acondicionamiento necesario

para ello. Esta tarjeta también está

alimentada a 220V. Se pueden conectar a la

derecha de los relés (recuadro A),

dispositivos como el riego de un jardín o una

persiana eléctrica (ver figura 4.19).

En el recuadro B se encuentra el conector de alimentación a 220V en corriente

alterna.

Figura 4.3: TCI-4F: Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases

B

A

C

D

A

B




4.2 MICROPROCESADOR DSPIC33FJ32MC202

Este microprocesador de la empresa Microchip Technology Inc. es el

controlador del sistema domótico escogido en este proyecto. En él se programa el

algoritmo de control para controlar los actuadores y para tomar lecturas de los sensores.

Este microprocesador tiene programado un driver del protocolo de comunicación MiWi

de Microchip Technology Inc., el cual está programado para que funcione con

dispositivos de la misma empresa.

Las características importantes de este microprocesador para este proyecto son

las siguientes [27]:

• Alimentación necesaria de 3.3V o 5V. La tensión de alimentación fija la tensión

de los pines de salida digitales al mismo nivel de tensión de alimentación y

limita la máxima tensión para los pines de entrada digitales y analógicos al

mismo nivel de tensión de alimentación.

• 28 pines, de los cuales 21 se pueden usar como salida o entrada digital y entre

estos 6 pueden usarse como entrada analógica mediante el conversor analógico-

digital. Este conversor es capaz de medir el voltaje de entrada en un pin del

microprocesador con una resolución de aproximadamente 0.1% de la tensión de

alimentación.

• 3 timers de 16 bits, de los cuales uno es necesario para el protocolo MiWi,

dejando dos para otras tareas temporales.

• Un módulo SPI (Serial Peripheral Interface), un estándar de comunicaciones

necesario para transferir información desde el microprocesador hasta el módulo

de radiofrecuencia y viceversa.

• Límite de intensidad de salida de 200mA; un importante factor a tener en cuenta

para la conexión de actuadores al micro.




4.3 MÓDULO DE RADIOFRECUENCIA MIWI

Este dispositivo, que es también propiedad de Microchip Technology Inc. se

encarga de transferir información entre microprocesadores usando el protocolo de

comunicación MiWi [28]. Transmite a 2.4GHz con un caudal de datos máximo de

250Kbps y se alimenta a 3.3V. Para la aplicación de este proyecto, es necesario conectar

entre el microprocesador y el módulo de RF cuatro pines de datos (gestionados por el

módulo SPI), aparte del pin de reset, el de alimentación y el de tierra. En la siguiente

figura se muestra un ejemplo de qué pines se podrían conectar entre sí. En dicho

ejemplo, se requieren solamente 4 pines de datos, además de la alimentación, el reset y

la tierra.

Figura 4.5: Posible interconexión entre ambos dispositivos para el funcionamiento del protocolo MiWi




4.4 ARQUITECTURA DEL ALGORITMO DE CONTROL

El microprocesador sigue un bucle cerrado una vez haya creado la red o se haya

integrado a ella. El siguiente esquema explica detalladamente cómo funciona el

algoritmo de control programado en los microprocesadores:

¿Se ha recibido un mensaje?

No

Inicialización del hardware y del

protocolo MiWi

Creación de la red o integración del

dispositivo a la red

Procesar el mensaje recibido e

interpretar la petición recibida

Ejecutar la orden recibida y/o cargar

un mensaje de respuesta

¿Se debe ejecutar una tarea

temporal?

Ejecutar la tarea y cargar un mensaje

de respuesta si fuera necesario

¿Se debe transmitir un

mensaje?

Enviar el mensaje almacenado antes debido a una tarea

anterior

Sí

No

Sí

No

Sí

Figura 4.6: Diagrama de flujo del algoritmo de control de los microprocesadores




4.5 SENSORES

En este apartado se expondrán los sensores que se han usado en este proyecto y

su calibración. Es importante tener en cuenta las variables que se deseen medir para

escoger el tipo de sensores que se deben implementar en este proyecto:

• Nivel de luz – Sensor de luminosidad

• Nivel de humedad – Sensor de humedad

• Nivel de temperatura – Sensor de temperatura

• Detección de presencia – Sensor de presencia

4.5.1 SENSOR DE LUMINOSIDAD

Para aplicaciones domóticas existen 3 tipos de sensores de luminosidad (o

sensores fotoeléctricos) adecuados:

• Fotodiodo: es un diodo sensible a la luz infrarroja y a la luz visible. Cuando sea

excitado por la luz incidente conducirá una cantidad de corriente proporcional a

la intensidad de la luz que incide sobre el diodo.

• Fototransistor: es un transistor que también es sensible

a la luz infrarroja y a la luz visible. Es más sensible que

el fotodiodo debido a la ganancia propia del transistor.

Funciona de la misma manera que un transistor normal

al que se le ha conectado un fotodiodo entre su base y

su colector, tal y como se puede ver en la figura 4.7.

• Fotorresistencia: también conocido como LDR (del inglés Light-Dependent

Resistor). Es una resistencia sensible a la luz incidente, que reduce su resistencia

dependiendo de la intensidad de la luz incidente. En una habitación oscura su

resistencia es del orden de millones de ohmios y en una habitación iluminada su

resistencia es del orden de cientos de ohmios.

En este proyecto se ha escogido la fotorresistencia para medir el nivel de

luminosidad ya que requiere un circuito de acondicionamiento más simple que el de las

otras alternativas. La desventaja es que las otras alternativas ofrecen una respuesta lineal

con la luminosidad, mientras que la fotorresistencia ofrece una respuesta exponencial, lo

Figura 4.7: Fototransistor [14]




cual resulta más difícil de determinar el nivel de luz con una fotorresistencia (se

requiere una calibración mucho más compleja). [15]

El circuito de acondicionamiento

necesario para la fotorresistencia se muestra en

la figura 4.8, donde

es la fotorresistencia.

La tensión de salida se calcula de este modo:

Figura 4.8: Acondicionamiento de la fotorresistencia

1516171819202122232425262728

1413121110987654321

dsPI

C33F

J32M

C202

+3.3V

20 k

vo

Rf

(4.1)

Figura 4.9: TCD con un sensor de luz conectado




En definitiva, se ha escogido el sensor de humedad capacitivo ya que requiere un

circuito de acondicionamiento más simple, aunque los sensores resistivos suelen ser

más fáciles de acondicionar; sin embargo, los sensores de humedad resistivos son

también sensibles a la temperatura y habría que incorporarles un sensor de temperatura

adicional. Además del condensador sensible a la humedad, existen sensores que tiene un

chip de acondicionamiento de señal integrado de manera que la salida será directamente

proporcional a la humedad relativa. [16]

Un ejemplo de este tipo de

sensores es el de la siguiente figura, y

es el escogido para este proyecto ya que

no necesita circuito de

acondicionamiento alguno.

En la siguiente figura se puede ver el

sensor de humedad conectado a la TCD. Este es el

único sensor en este proyecto al cual se le debe

alimentar a 5V, pero la salida de este componente

como máximo llega a 3.8V; aunque para llegar a

3.3V debe haber una humedad relativa del 80%, el

cual es un valor muy alto en un hogar, aunque es

un valor normal si el sensor se encuentra en un

jardín cuando se ha regado.

4.5.3 SENSOR DE TEMPERATURA

En cuanto a la temperatura, existen tres tipos de sensores adecuados para este

proyecto:

• Termopar: este dispositivo consiste en dos conductores distintos que producen

una diferencia de potencial cuando se calientan. No requieren alimentación y

pueden usarse para medir un alto rango de temperaturas (algunos tienen un

rango de 0ºC a 2300ºC), pero no suelen disponer de una precisión decente. [18]

• Termistor: son resistencias mucho más sensibles a la temperatura que las

resistencias normales. A diferencia de los termopares, los termistores están

hechos de un cerámico o de un polímero. Los hay de dos tipos: NTC (Negative

Figura 4.10: Pines del sensor capacitivo

Figura 4.11: TCD con un sensor de humedad conectado




Temperature Coefficient, inversamente proporcionales a la temperatura) y PTC

(Positive Temperature Coefficient, directamente proporcionales a la

temperatura). Otra diferencia con los termopares es que los termistores no

ofrecen una respuesta lineal con la temperatura y tienen un rango de medida

mucho menor (normalmente de -90ºC a 130ºC). [19]

• RTD: del inglés Resistance Temperature Detectors. A diferencia de los

termistores, los RTD están hechos de metales puros conductores como el platino

o el cobre. Pueden usarse para medir temperaturas de -200ºC hasta 500ºC y

suelen tener mayor precisión que los termopares, aunque no son tan sensibles.

Otra desventaja es que el material necesario es mayor y más caro. [20]

En conclusión, para este proyecto se han

escogido los termistores como sensores de

temperatura principalmente por coste, sensibilidad y

rango de temperatura. La única desventaja es la

calibración necesaria ya que no son lineales con la

temperatura y requiere una calibración más

compleja. El acondicionamiento es idéntico al del

sensor de luminosidad (ver figura 4.8), aunque con

una resistencia de 150Ω. En la figura 4.12 se puede

ver el termistor conectado a la TCD.

4.5.4 SENSOR DE PRESENCIA

Estos sensores son más complejos que los anteriores. Se pueden clasificar en dos

grandes grupos:

• Sensores de presencia activos: estos sensores son característicos por la emisión

de energía para la detección de cambios en los alrededores (que principalmente

son objetos en movimiento). Pueden emitir ondas ultrasónicas, microondas y

ondas de radio.

• Sensores de presencia pasivos: se conocen como sensores PIR, del inglés

Passive Infrared. se basan en la detección de calor emitida por ondas infrarrojas.

Sólo detectan cambios de calor emitido, es decir, si un cuerpo se mueve en una

habitación con la misma temperatura, estos sensores no lo detectarían.

Figura 4.12: TCD con un termistor conectado




Figura 4.13: Funcionamiento de un sensor PIR [22]

Figura 4.15: TCD con un sensor PIR conectado

Debido a que las tarjetas no disponen de

tanta potencia y se han diseñado como

dispositivos de bajo consumo, la opción más

adecuada es la de los sensores de presencia

pasivos. En la siguiente figura se muestra el

funcionamiento de estos sensores, que en realidad

poseen dos elementos piroeléctricos y lo que

miden es la diferencia de intensidad de las ondas

infrarrojas que llegan a cada una de ellas. [22]

Debido a que son elementos direccionales,

se amplía el rango infrarrojo de ellos mediante una

lente de Fresnel, tal y como se muestra en la

siguiente figura. Esta lente en principio fue

diseñada para los faros en las costas para hacer

más visible la luz a los barcos; sin embargo, en

este caso se usa para convertir el rayo IR en un

haz para incrementar la visión del sensor. [23]

Debido a que estos sensores pueden arrojar valores negativos de tensión y que es

una señal difícil de acondicionar, existen chips de acondicionamiento de señal diseñados

específicamente para los sensores de presencia PIR. Con estos chips, si el sensor detecta

un cambio en su línea de visión, en la salida aparecerá un valor de tensión de 3.3V o 5V

(depende de la tensión de alimentación), lo necesario para poder interpretar con el

microprocesador que hay presencia en el lugar en cuestión.

Por ello, se va a utilizar un

sensor PIR con acondicionamiento de

señal equipado con una lente de fresnel

para detectar presencia. En la siguiente

figura se puede observar un sensor

conectado a la TCD.

Figura 4.14: Aplicación de la lente de Fresnel [22]




4.5.5 CALIBRACIÓN DE SENSORES

Teniendo en cuenta que los sensores analógicos son leídos por el

microprocesador y representados por un valor que va de 0 (0V) a 1023 (3.3V), se

procede a tomar lecturas usando referencias.

En el caso de la temperatura, se usó un termómetro de mercurio para medir la

temperatura en 4 casos distintos:

13ºC = 800; 19ºC = 587; 21ºC = 463; 28ºC = 258

Sabiendo que la resistencia NTC sigue una exponencial, aproximando por una

curva logarítmica se llega a la siguiente ecuación:

(4.2)

(4.3)




Figura 4.17: Tabla explicativa de los distintos tipos de relés

4.6 ACTUADORES

En este apartado se expondrán los actuadores que se han usado en este proyecto.

Se debe tener en cuenta las variables y los elementos del entorno que fuesen útiles

controlar para escoger el tipo de actuadores que deben implementarse en este proyecto:

• Actuador genérico – Relé

• Actuador luminoso – LED RGB

4.6.1 RELÉ

Un relé es un dispositivo usado

para conmutar un circuito externo a otro

nivel de tensión, es decir, aislado

galvánicamente. Por ejemplo, se podría

abrir o cerrar un circuito a 220V en

alterna desde otro circuito a 5V en

continua tal y como se puede ver en la

figura 4.16. [24]

Una vez que el microprocesador conectado a este circuito dé una tensión de

3.3V o de 5V el Relé se excitará, cerrando el circuito a 220V. En este ejemplo la tensión

de conmutación del relé es de 5V, una característica muy importante a tener en cuenta al

diseñar este circuito ya que normalmente los hay de mayor tensión y 5V no sería

suficiente para excitar la bobina del relé. También se debería comprobar que el relé

pueda soportar los 220V en alterna. Debido a que pueda ocurrir una sobretensión en la

bobina causada por el transistor al entrar en corte, es necesario un diodo de libre

circulación en paralelo con la bobina para protegerlo. [24]

Existen varios tipos de

relés según los contactos que

tengan y según si conmutan entre

dos circuitos o simplemente

abren o cierran un solo circuito,

tal y como aparece esta tabla:

Tipos de relés Un circuito Dos circuitos

Sin

conmutación

SPST

Single Pole Single Throw

DPST

Dual Pole Single Throw

Con

conmutación

SPDT

Single Pole Dual Throw

DPDT

Single Pole Dual Throw

Figura 4.16: Conexión de un relé [24]




Estos tipos de relés

pueden usarse para varias

aplicaciones, desde encender

una bombilla en un circuito

de 220V hasta cambiar el

sentido de giro de un motor

de corriente continua. En la

figura 4.18 se muestran los

circuitos de conexión de

estos ejemplos.

Por otra parte, existen relés con una bobina o con dos. Los anteriores disponían

de solamente una bobina (relés no lacheados), los cuales están normalmente abiertos o

cerrados y pasan al otro estado cuando la bobina es excitada. En cambio, los relés con

dos bobinas (relés lacheados) requieren dos circuitos para poder accionar el

conmutador. El conmutador no está normalmente en ninguna de las dos posiciones, solo

cambia de posición si se excita la bobina asociada; y si se deja de excitar esta bobina no

ocurre nada por lo que no es necesario excitar la bobina asociada para mantener el

conmutador en la posición deseada. [24]

Un ejemplo de relé lacheado es el de

la siguiente figura, en el que se aplica a una

persiana eléctrica. Funciona de manera

parecida a un flip-flop RS (biestable). En este

ejemplo si el pin 4 del microprocesador

estuviera a nivel alto el conmutador cambiaría

de posición y la persiana bajaría. Una vez el

conmutador haya cambiado de posición se

puede dejar el pin 4 a nivel bajo. Pasaría lo

contrario con el conmutador y la persiana si se

pone el pin 3 del micro a nivel alto.

Este ejemplo sólo funcionaría si el relé de la izquierda (que es no-lacheado)

estuviera cerrando el circuito de alimentación de la persiana. Por lo tanto, para parar la

persiana habría que poner el pin 2 del microprocesador a nivel alto. En principio se va a

equipar la TCA con relés DPDT lacheados (biestables) y no-lacheados (monoestables).

Figura 4.18: Distintos tipos de relés conectados al micro [24]

Figura 4.19: Ejemplo de relé lacheado [24]




4.6.2 LED RGB

Un LED RGB (o led tricolor) es una combinación de tres diodos LED de colores

rojo, verde y azul. Está basado en el modelo RGB (Red Green Blue). Este modelo

consiste de estos tres colores, a los que se le asigna un valor entre 0 y 255. Combinando

estos tres valores se puede obtener cualquier color. Este modelo se puede representar en

un cubo, tal y como aparece en la figura 4.20. [25]

Este modelo

representa los cambios en el

color al variar los valores del

color rojo, verde y azul. Los

colores más típicos se

encuentran en las aristas del

cubo, aunque sea posible

obtener los valores

intermedios. Sin embargo,

estos valores representan

colores no muy distintos a los

de las aristas.

Teniendo en cuenta este modelo,

el LED RGB puede iluminarse de

cualquiera de estos colores. El circuito

de acondicionamiento se muestra en la

figura 4.21. La idea detrás de esto es

sacar una señal de pulsos PWM por las

tres salidas del micro para poder regular

la intensidad de cada LED de color,

combinando los tres colores para formar

cualquier color. Los valores de las

resistencias se han escogido teniendo en

cuenta los siguientes parámetros de

estos LEDs:

Figura 4.20: Modelo RGB en formato cúbico [25]

Figura 4.21: Acondicionamiento de un LED RGB

1516171819202122232425262728

1413121110987654321

dsPI

C33

FJ32

MC

2022.2 k

22

3.3 V3.3 V

2.2 k

3.3 V

2.2 k




Debido a la caída de tensión máxima del LED rojo, es necesaria una resistencia

en el colector para reducir esta caída de tensión. Teniendo en cuenta que el consumo de

corriente máximo es de 50mA:

Figura 4.22: Parámetros fundamentales de los LEDs RGB usados en este proyecto

(4.4)

(4.5)




colector debe ser menor que 0.7V ya que el emisor se encuentra a 0V. Teniendo en

cuenta que la corriente por el emisor es la corriente por la base (la que sale del pin del

micro) multiplicado por el parámetro β del transistor:

(4.6)

(4.7)

(4.8)

Figura 4.23: TCI-F con seis LEDs RGB iluminados con color azul conectados en paralelo




(4.13)

(4.10)

(4.11)

(4.12)

(4.9)

Figura 4.24: TCI-4F con una tira de 15 LEDs RGB iluminados en blanco conectado a una de sus fases

Memoria Dispositivo central de control



Capítulo 5 DISPOSITIVO CENTRAL DE CONTROL

Este dispositivo central de control (TCC - Tarjeta de Control Central) es muy

diferente de los demás dispositivos, ya que su algoritmo de control es mucho más

complejo debido a 3 características fundamentales:

• Se encarga de coordinar el sistema domótico y el sistema gestor de energía en la

red inalámbrica MiWi.

• Cumple funciones principales del sistema gestor de energía, como medir la

corriente que hay en las líneas de entrada situadas en el cuadro de mando y

protección de la casa.

• Capacidad de comunicarse con la interfaz de control por WiFi, lo que constituye

el puente entre ambos sistemas y la interfaz de control.

Debido a la necesidad de memoria de programa por el hecho de integrar el

protocolo MiWi y el WiFi en un mismo dispositivo, el microprocesador usado es

distinto al mencionado anteriormente (dsPIC33FJ32MC202). Para esta tarjeta se usa el

microprocesador dsPIC33FJ128MC802. Además del módulo de radiofrecuencia MiWi

esta tarjeta está equipada con un módulo de comunicación WiFi. Por último, posee

transformadores de intensidad que desempeñan propósitos relacionados con la gestión

de energía. Por ello, esta tarjeta se ha desarrollado en el proyecto de la gestión

energética del sistema domótico. A continuación se muestra la tarjeta TCC en la figura

5.1:

El microprocesador, situado en la parte

superior izquierda, es capaz de enlazar ambos

módulos de comunicación mediante un

algoritmo de traducción de mensajes entre

protocolos. Para propósitos relacionados con el

sistema gestor de energía, El circuito

inmediatamente debajo del microprocesador se

encarga de tomar las medidas de corriente del

cuadro general del hogar. Figura 5.1: TCC: Tarjeta de Control Central

Memoria Dispositivo central de control



Para entender el funcionamiento completo de esta tarjeta se expone en la figura

5.2 su flujograma de operación:

¿Se ha recibido un mensaje?

Enviar el mensaje almacenado antes debido a una tarea

anterior

No

Sí

No No

¿El mensaje es para mí (la TCC)?

¿Se debe ejecutar una tarea

temporal?

¿Se debe transmitir un

mensaje?

Sí

Sí

Sí

Ejecutar la orden recibida y/o cargar

un mensaje de respuesta

Ejecutar la tarea y cargar un mensaje

de respuesta si fuera necesario

Reenviar el mensaje recibido sin procesar al destino deseado

previamente

Inicialización de los periféricos y de

los módulos de hardware

Inicialización de los protocolos MiWi y WiFi

Creación, administración y

coordinación de la red MiWi

Establecer comunicación

WiFi con el PC a través del router

No

Figura 5.2: Diagrama de flujo del algoritmo de control de la TCC

Memoria Interacción con el usuario



Figura 6.1: Interfaz de control

Capítulo 6 INTERACCIÓN CON EL USUARIO

En este capítulo se verán los programas detrás de la interacción con el usuario

para entender cómo puede un usuario controlar su casa de manera sencilla y cómoda.

6.1 INTERFAZ DE CONTROL

La interfaz de control es un programa diseñado para que un usuario pueda

gestionar su hogar domótico sin tener que entender los algoritmos y operaciones

complejas que hay detrás. Ha sido programada con Microsoft Visual Studio en lenguaje

C++ y diseñada con Qt. A continuación se muestran en la figura 6.1 las ventanas de la

interfaz de control; una asociada al sistema energético y otro al sistema domótico:

El principio de funcionamiento de la interfaz de control es sencillo; se muestra la

información al usuario separado en dos partes:

• La parte general, en el que se muestra el consumo total de la casa según el

dispositivo central de control del anterior capítulo. En esta parte se puede

establecer el coste que el usuario está dispuesto a pagar, la potencia máxima y la

potencia mínima deseada por el usuario escribiendo en los campos asociados y

pulsando el botón de Send Parameters para efectuar los cambios deseados, solo

si se activa la autogestión en el control en el slider de Self-management.




• La parte concreta, en el que se divide la información según la región

seleccionada del hogar y según el sistema de control domótico y energético.

o En el energético se puede ver la intensidad, la prioridad y el porcentaje

de regulación de los enchufes de la habitación. Si la prioridad es baja y el

consumo se ha limitado en la parte general, este enchufe será el primero

en ser limitado por los dispositivos del sistema de gestión energética.

o En el domótico se muestran los niveles de luz, temperatura y humedad; y

si ha habido detección de presencia recientemente o no. También se ha

implementado un controlador para persianas eléctricas de la tarjeta TCA

y para los LEDs RGB de las tarjetas TCI-F y TCI-4F. Si no existe un

dispositivo asociado con alguno de los campos mostrados en la región

seleccionada de la casa se mostrará el mensaje “Missing device” para

indicarlo. En caso de que sí exista pero no hubiera conexión con el

dispositivo se mostrará el mensaje “Not available”.

Toda la información que la interfaz muestre en pantalla se extrae de la base de

datos, de tal modo que se actualizará cada cierto periodo de tiempo para que el usuario

no espere tanto para ver cómo cambian las medidas según las condiciones de la

habitación. Para el sistema domótico el tiempo de actualización es de 5 segundos y para

el sistema gestor de energía es de 1 segundo. En el caso del sistema domótico, se envían

las peticiones para cada tarjeta de uno en uno a lo largo del periodo de los 5 segundos,

ya que si llegan muchos mensajes a la vez el maestro podría perderlos por sobrecarga.

Sin embargo, para poder llevar a cabo esta actualización es necesario otro

programa que gestione las comunicaciones WiFi entre el PC y la tarjeta TCC. Una vez

que el usuario quiera cambiar algo en el sistema este programa se encargaría de

comunicarlo a los elementos del sistema relacionados con este cambio. Este programa

se le denominará el programa del servidor o server.

Por ello, se tienen ejecutando en el PC dos programas en paralelo, uno para la

interfaz de control (InterfazGeneral.sln) y otro para las comunicaciones WiFi con el

resto del sistema (Server.sln), teniendo en cuenta el almacenamiento y la lectura de

datos en una base de datos, que se verá en el siguiente apartado.

Estos dos programas interactúan entre sí por varios motivos, sobretodo porque la

interfaz no tiene acceso a la base de datos, pero el server sí (a través de ODBC). Se dan




Figura 6.2: Estructura y bloques principales de ambos programas

3 casos distintos, dependiendo de qué datos se deben intercambiar y qué programa es el

emisor y cuál es el receptor de los mensajes intercambiados:

• La interfaz pide cada 5 segundos las medidas de los sensores y el estado de los

actuadores de la habitación seleccionada al server. También este es el caso para

las medidas de corriente del sistema gestor de energía.

• El server contesta la petición anterior enviando la información pedida por la

interfaz.

• La interfaz manda una orden destinada a todos o a un cierto dispositivo

perteneciente al sistema domótico o al energético. El server hace de puente entre

la interfaz y el maestro central; después el maestro central enviará la orden al

dispositivo deseado en función de la orden que se envió desde la interfaz.

A continuación se muestra en la figura 6.2 la estructura simplificada de ambos

programas:

La interfaz general posee un gran número de funciones, las cuales se clasifican

en 4 bloques:

• Funciones generales de la interfaz: incluye la inicialización de la interfaz, el

temporizador de la interfaz, mostrar datos en la pantalla y recibir las órdenes que

el usuario introduce en ella.

• Funciones domóticas: se activan cuando el usuario selecciona la pestaña

correspondiente al control domótico. La interfaz pide al server a través del

bloque de comunicación las medidas y los estados de los actuadores de la




Figura 6.3: Paquetes enviados según las instrucciones entre interfaz y server

habitación seleccionada en la lista desplegable. También se encargan de

interpretar los datos recibidos provenientes del server para que sean entendibles

por el usuario.

• Funciones energéticas: sirven un propósito parecido a las funciones domóticas,

pero relacionadas con el sistema gestor de energía.

• Intercambio de datos con el server: a través del protocolo TCP/IP, desde el

mismo PC, la interfaz puede comunicarse con el server.

En cuanto al server, tiene también una serie de funciones, que sirven propósitos

de comunicación entre varios elementos del sistema:

• Intercambio de datos con la interfaz: igual que viceversa, mediante el

protocolo TCP/IP se forma un enlace entre ambos programas. Los paquetes

intercambiados entre ambos programas son los siguientes:

Instrucción (emisor) Contenido del paquete

Petición de valores

generales (interfaz) Ninguno

Informe de valores

generales (server)

Una tabla con los valores de los sensores y de los LEDs

RGB instalados.

Petición de tarjetas

instaladas (interfaz) Ninguno

Informe de tarjetas

instaladas (server)

Una tabla con la información sobre las tarjetas instaladas con

los dispositivos que tienen conectados en cada habitación.

Orden de actuar

persianas (interfaz)

Una tabla con los relés a actuar de la tarjeta instalada en una

habitación determinada.

Orden de actuar LEDs

RGB (interfaz)

Una tabla con los valores de los LEDs RGB a actuar de la

tarjeta instalada en una habitación determinada.

• Intercambio de datos con el maestro: mediante la comunicación WiFi, el

server es capaz de enviar peticiones al sistema energético y al domótico y recibir

datos de ambos sistemas, pasando por el maestro central previamente. Los

paquetes en este protocolo tienen el mismo formato que los paquetes explicados

en la figura 3.10. Las tarjetas están atentas a las peticiones reenviadas por el

maestro y responden inmediatamente a estas peticiones con sus medidas.

• Intercambio de datos con la base de datos: a través de ODBC, el server puede

mandar comandos o peticiones en lenguaje SQL (Single Query Language) para




Figura 6.4: Arquitectura de la base de datos

leer o escribir datos en la base de datos. Escribirá en la base de datos cuando el

maestro le haya mandado datos; y leerá de la base de datos cuando tenga que

contestar a una petición de medidas de sensores y estados de actuadores.

• Gestión de recursos compartidos: para evitar que el server tenga que leer de la

base de datos y escribir a la base de datos al mismo tiempo (debido a que el

maestro y la interfaz les hayan mandado un mensaje al server al mismo tiempo),

se ha definido un recurso compartido, o mutex (en algunos sistemas en tiempo

real se conoce como semáforo o semaphore). Si el server está consultando a la

base de datos no se le permite realizar otra consulta al mismo tiempo con este

mutex.

6.2 BASE DE DATOS

La base de datos ha sido diseñada con ERwin Data Modeller y creada con

DBManager y está en formato MySQL. Está compuesta de varias tablas y variables, tal

y como se puede ver a continuación en la estructura de la base de datos en la figura 6.3:

Cada tabla sirve un propósito en concreto. A continuación se exponen las

funciones de cada tabla:

• PARAMETROS: Esta tabla es independiente de las demás. Contiene

información acerca de los parámetros de coste, potencia máxima y potencia

mínima y del modo de funcionamiento de autogestión (ver figura 6.1).




• REGION: contiene todas las regiones dentro de la casa (ID_REGION), con su

descripción. Además, se pueden agrupar según ID_REGION_PADRE (por

ejemplo, HABITACION1 y HABITACION2 irían ligadas a HABITACIONES).

• UBICACIÓN: Asocia a cada dispositivo o tarjeta controladora a una ubicación

(ID_UBICACION) y a una región definida en la tabla REGION.

• DISPOSITIVOS: Asigna a cada dispositivo una descripción única (por ejemplo,

TCD SALÓN) con su ubicación (ID_UBICACION) y dirección de protocolo

MiWi asociada (un byte) mediante un único ID_DISPOSITIVO. La columna de

PRIORIDAD asigna prioridades a las tarjetas del sistema gestor de energía.

• TRANSDUCTOR: teniendo en cuenta el ID_DISPOSITIVO de la tabla anterior

establece qué tipo de sensores (presencia, temperatura, corriente, etc.) y cuántos

existen en cada uno de estos dispositivos; y distingue a cada uno de estos

sensores mediante ID_TRANSDUCTOR.

• TIPO_TRANSDUCTOR: esta tabla es una columna donde aparecen los tipos de

sensor mencionados en la tabla TRANSDUCTOR.

• CALIBRACION: debido a que los sensores necesitan calibración, esta tabla se

usa para almacenar la medida recibida de los microprocesadores (un número de

10 bits que toma valores según la tensión de entrada al conversor A/D) para

convertirla a las unidades asociadas al tipo de sensor. La columna índice

distingue a los distintos tipos de sensor que miden una misma variable (por

ejemplo, existen varios tipos de sensores de corriente en el sistema gestor de

energía).

• VARIABLE: Teniendo en cuenta que ID_VARIABLE es el mismo a

ID_TRANSDUCTOR en la tabla TRANSDUCTOR, esta tabla se usa para

describir a cada transductor para saber su procedencia. Por ejemplo: el

ID_VARIABLE número 9 se describe como la temperatura procedente del

sensor de temperatura de la TCD 1.

• VALOR_VARIABLE: A esta tabla llegan todas las medidas que arrojan los

sensores de todos los dispositivos. Se distinguen por fechas para usar la medida

más reciente para calibrarla y luego mostrar en la interfaz de control.

Realizando las consultas pertinentes de manera correcta, el server lee y escribe

datos de estas tablas para hacer que el sistema funcione.

Memoria Resultados y pruebas realizadas



Figura 7.1: Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba de MiWi

Capítulo 7 RESULTADOS Y PRUEBAS REALIZADAS

En este capítulo se verán las pruebas realizadas en este proyecto, así como los

resultados obtenidos de estas pruebas.

7.1 PRUEBA DE COMUNICACIÓN MIWI

Como el primer objetivo de este proyecto es crear una red inalámbrica para

luego incorporar sensores y actuadores a ella, las primeras pruebas que se deben realizar

son las de la comunicación MiWi. Se tienen los siguientes paquetes:

Maestro se conecta y manda peticiones

de baliza para asegurarse de que no

hay otro maestro en la red.

Se conecta un esclavo con

micro=0x02. Estos son los

paquetes del handshake.

Obtiene la dirección 0x0100.

Información

para la hashtable

para el maestro. Se conecta un esclavo

con micro=0x01. A

diferencia del otro, este

micro no ha sido

integrado por el

maestro; por eso obtiene

una dirección de 0x102. Información

para la hashtable

para el maestro. La hashtable ha

sido enviada por

broadcast.




Estos paquetes tienen que ver con la tabla de direcciones (hashtable), que es una

de las modificaciones que se llevaron a cabo en el protocolo para mejorar su

funcionamiento (véase el capítulo 3 para más información sobre el protocolo MiWi).

Los paquetes pequeños son de confirmación o de acknowledgement. Se han colocado 3

dispositivos TCD en distintas plantas de un edificio, para comprobar también el alcance

de la red, ya que es posible aumentarla si se instalan dispositivos coordinadores de la

red. En concreto, el maestro global (micro=0x00) se ha colocado en la planta 3, y los

esclavos con micro=0x01 y micro=0x02 en las plantas 1 y 2 respectivamente.

Los 3 primeros paquetes representan las comprobaciones que realiza el maestro

para asegurarse de que no hay ya otro maestro que haya establecido una red en el canal

0x13 (dentro de la casilla de color marrón aparece ese número).

Después aparece una petición de baliza proveniente del micro=0x02. Como ya

se mencionó en el capítulo 3, la EUI es de 0x1122334455667701 para el micro=0x00.

Los demás dispositivos tendrán esta EUI pero con el último BYTE sumado una cantidad

igual a su número de micro. Por ello, el cuarto paquete aparece con la EUI de

0x1122334455667703, o sea, que este dispositivo tiene micro=0x02. El siguiente

paquete (que es una baliza) es proveniente del dispositivo con micro=0x00 y contiene

información relevante acerca de la red y del maestro que ha recibido esta petición de

baliza. A continuación el dispositivo que intenta conectarse manda una petición de

asociación y el maestro después le manda una respuesta de asociación, finalizando el

handshake. Este dispositivo adquiere un myShortAddress de 0x0100.

Una vez el dispositivo haya sido integrado a la red, este manda un mensaje al

maestro central de 3 elementos: micro, myShortAddress(MSB) y

myShortAddress(LSB). Estos 3 elementos relacionan su identificación física con

su dirección dinámica. El maestro rellena la hashtable con esta relación para referirse a

ella en futuros mensajes si fuera necesario.

Los siguientes paquetes son referentes al dispositivo con micro=0x01, pero

este no se asocia con el maestro global, sino con el dispositivo con micro=0x02. Lo

que ha ocurrido es que el dispositivo que quiere integrarse a la red ha analizado ambas

balizas y ha decidido mandar una petición de asociación con el dispositivo con

micro=0x01, ya que físicamente se encuentra a una planta de distancia y no a dos, y

esto sería más beneficioso para la red. Entonces, se asocia con el que tiene

micro=0x02 y por ello adquiere un myShortAddress de 0x0102.




Figura 7.2: Paquetes recogidos con ZENA Network Analyzer para la prueba de sensores

Como en el caso anterior, el dispositivo que se acaba de conectar manda al

maestro su correspondiente fila de la hashtable. Pasado un tiempo, el maestro global

decide publicar la hashtable a todos los dispositivos de la red (broadcast).

Esta prueba ha resultado satisfactoria. Se ha logrado verificar el alcance de la red

y la secuencia de integración de los dispositivos a la red; y se confirma el correcto uso

de la hashtable.

7.2 PRUEBA DE SENSORES

Se trata de probar los 4 sensores de luz, temperatura, humedad y presencia. Se

tienen dos tarjetas TCD. El esclavo tiene estos 4 sensores conectados mientras que el

maestro solo pide las medidas a él. Para realizar la prueba se tiene que calibrar los

sensores mencionados anteriormente (véase 4.5.5).

Se tienen los siguientes paquetes enviados entre un maestro y un esclavo con los

4 sensores mencionados anteriormente:

La secuencia de mensajes del principio es idéntica a la de la prueba anterior. El

paquete que más importa en esta prueba es la última que el esclavo le envía al maestro.

Es un paquete largo que tiene 5 partes (ver figura 3.10), mostrado en la siguiente tabla:

Maestro se conecta y manda peticiones

de baliza para asegurarse de que no

hay otro maestro en la red.

Se conecta un esclavo con

micro=0x81. Estos son los

paquetes del handshake.

Obtiene la dirección 0x0100.

Información

para la hashtable

para el maestro. Maestro envía la

orden al esclavo. Respuesta del

esclavo




Figura 7.3: Desglose del paquete recibido en la prueba de sensores

Figura 7.4: Tarjetas TCD probadas en un hogar

Contenido del mensaje Descripción Interpretación

0x81 Es el número del micro del

esclavo. -

0x01 El primer byte indica que el

dispositivo mide temperatura.

Los otros dan la medida.

El valor devuelto es 0x02FA,

que es 762. Usando la

ecuación (4.2), hay 19.98ºC.

0x02

0xFA


dispositivo mide humedad.


El valor devuelto es 0x01BD,

que es 445. Con la ecuación

(4.3), existe un 25.87% HR.

0x01

0xBD


dispositivo mide luz. Los

otros dan la medida.

El valor devuelto es 0x009C,

que es 156, que indica que

hay buena luminosidad.

0x00

0x9C


dispositivo detecta presencia.


El valor devuelto no es

0x0000, luego hay presencia. 0x01

0x00

Esta prueba se ha cumplido con éxito. Se ha comprobado la validez de las

tarjetas TCD para medir con sus sensores. Este paquete llegaría al maestro central y este

lo reenviaría al server para que éste lo escriba en la base de datos y luego la interfaz

obtenga los datos pidiéndoselos al server para mostrarlos en pantalla al usuario para que

pueda monitorizar estas variables. En la figura 7.4 se pueden ver dos tarjetas TCD

probados en un hogar, instalados en dos ubicaciones posibles:




Figura 7.5: Tarjetas TCI-F, TCI-4F y TCA probadas en un hogar

Figura 7.6: Pruebas de la interfaz de control en un entorno real

7.3 PRUEBA DE ACTUADORES

Se han probado los LEDs RGB y los relés de la TCA accionando persianas, tal y

como se puede ver en la figura 7.5. Se verificó la validez de los LEDs RGB conectados

a las TCI-F los que están conectados a la TCI-4F. Se han podido controlar persianas

desde la TCA satisfactoriamente, ofreciendo al usuario un control remoto para

accionarlas desde donde guste.

7.4 PRUEBA GLOBAL EN UN ENTORNO REAL

Se ha probado el sistema entero (incluyendo la parte de gestión de energía) en un

hogar real, cuyos resultados se muestran en la figura 7.6:




Figura 7.7: TCC situado en el CGP

Se han mostrado en pantalla los resultados arrojados por las tarjetas

controladoras instaladas en el hogar. Los casos mostrados se refieren a dos zonas del

hogar: el jardín y el hall.

En el caso del jardín, existe una humedad del 32%, lo cual significa que el aire

está algo húmedo, lo que es normal para un jardín, además de que el día de las pruebas

era lluvioso. Carece de sensor de presencia, pero el sensor de luz indica que los niveles

de luz son decentes ya que el cielo estaba nublado. Por último, la temperatura en el

jardín es de 11.7º, cuyo valor es lógico para un exterior. Además, existe un controlador

para cambiar la iluminación personalizada de color, cuyos valores se muestran en

negrita. Sin embargo, no hay un controlador para persianas instalado en el jardín.

En el otro caso se muestran las medidas en un interior, las cuales arrojan un

valor de humedad relativa del 29.6%, que es alto para un interior, pero debido al tiempo

lluvioso existían niveles más altos de humedad en el aire. El sensor de presencia indica

que no hay movimiento en el hall. El sensor de temperatura arroja un valor de 21.4ºC,

cuyo valor tiene sentido para un interior. A continuación, el sensor de luz indica que hay

niveles buenos de luz. En este caso la iluminación personalizada se encontraba en

blanco al 100%, y existía un controlador para persianas.

La conexión de los dispositivos al sistema fue

hecho posible por el maestro central, que se encontraba

en la TCC. La TCC sirve propósitos del sistema gestor

de energía, como medir el consumo en el CGP (Cuadro

General de Protección). Por ello, la tarjeta se sitúa allí,

independientemente de dónde se encuentre el router, ya

que el módulo WiFi tiene un alto alcance. Esta tarjeta ha

realizado con éxito el papel de coordinador de la red.

Memoria Conclusiones



Capítulo 8 CONCLUSIONES

Este proyecto se ha enfocado a llevar a cabo un sistema domótico capaz de

coordinar sensores y actuadores en una red, manejar, gestionar, monitorizar y controlar

su funcionamiento a través de una interfaz de control y una base de datos; así como

integrar el sistema domótico con el sistema gestor de energía. Los resultados y logros en

este proyecto han sido los siguientes:

• Modificación con éxito del protocolo de comunicación basado en ZigBee para

dispositivos de Microchip Technology Inc. (microprocesadores y módulo de

radiofrecuencia), que es el protocolo MiWi, para mejorar su funcionamiento y

orientarlo a la aplicación desarrollada en el presente proyecto. Asimismo se ha

desarrollado un driver para hacer el protocolo más entendible para el usuario,

programando funciones adicionales en lenguaje C.

• Se han fusionado los protocolos MiWi y WiFi de Microchip Technology Inc. en

un solo microprocesador con un módulo de comunicación WiFi de la misma

empresa; logrando un controlador capaz de traducir mensajes de un protocolo a

otro y formando así un puente entre el router y los dispositivos del sistema

inteligente. Este microprocesador pertenece a la tarjeta controladora TCC, la

cual no ha sido diseñada en el presente proyecto.

• Se ha desarrollado una tarjeta de propósito genérico para este proyecto: la TCD

(Tarjeta de Control Domótico); capaz de controlar una gran variedad de

dispositivos. Sin embargo, la necesidad de circuitos de acondicionamiento

redujo el papel de esta tarjeta al control y lectura de sensores; lo cual ha llevado

al desarrollo de otras tarjetas.

• Se han verificado, validado y calibrado los sensores conectados a la TCD:

temperatura, luz, humedad y presencia.

• Se ha desarrollado dos tarjetas enfocadas a propósitos de iluminación: la TCI-F

(Tarjeta de Control de Iluminación – Foco) y la TCI-4F (Tarjeta de Control de

Iluminación – 4 Fases). Estas dos tarjetas pueden controlar y gestionar LEDs

RGB, bien sean tiras de LEDs RGB (TCI-4F) o bien sean LEDs individuales

(TCI-F).




• Se ha desarrollado una tarjeta enfocada a controlar sistemas automatizados: la

TCA (Tarjeta de Control de Actuadores). Con sus relés lacheados y no-

lacheados se puede controlar una gran variedad de automatismos como persianas

o riegos de jardín.

• Se ha programado un programa en lenguaje C++ (server) que es capaz de

comunicar un PC con la TCC a través del router.

• Se ha diseñado una base de datos la cual es gestionada por el mismo programa

del server. Se ha diseñado esta base de datos para que sea lo más fácil posible

para programar el server para obtener variables del sistema domótico y datos

acerca del sistema gestor de energía.

• Se ha desarrollado otro programa en lenguaje C++ que gestiona una interfaz de

control ejecutable en el PC. Este programa es capaz de comunicarse con el

server para enlazarlo con el resto del sistema.

• Se han programado ambos programas de C++ para que admitan peticiones,

órdenes y datos del sistema domótico y del sistema gestor de energía; lo cual

tiene como resultado la integración completa y total entre ambos sistemas

inteligentes.

• Aunque se hayan cumplido todos los objetivos en el apartado 1.3, no se ha

llevado a cabo el objetivo de poder gestionar el sistema desde un smartphone; lo

cual se mencionará como futuro desarrollo en el siguiente capítulo.

Como conclusión, se han logrado los objetivos planteados al comienzo de este

documento (ver 1.3). El sistema desarrollado puede ser empleado por un usuario para

monitorizar las variables en su hogar y para actuar los controladores conectadas a las

tarjetas desarrolladas en este proyecto. También el usuario será capaz de gestionar el

consumo de su hogar y verá reducido su potencia contratada de manera considerable

mediante el sistema gestor de energía, suponiendo ahorros anuales notables.

Sin embargo, en el proceso del desarrollo de este proyecto se han tenido que

afrontar varios problemas con el protocolo de comunicación, aunque los más

importantes se deben a una misma razón, la cual se expondrá a continuación. Se deben

destacar para evitar su posible reproducción en futuras aplicaciones y proyectos.

El principal problema se encuentra en el maestro central, que además de

coordinar la red emplea recursos en medir las corrientes del cuadro general del hogar.

Se ha observado una sobrecarga de tareas y algunas tareas se han ejecutado con retraso,




o ni siquiera se han logrado llevar a cabo. Por ello se ha empleado una versión avanzada

del compilador que permite tener más margen al microprocesador de la TCC.

Por otro lado, se diseñó la interfaz de control inicialmente para enviar peticiones

de medidas a todos los microprocesadores a la vez cada 5 segundos. Debido al problema

de sobrecarga de tareas expuesto anteriormente, estas peticiones no llegaban a las

tarjetas TCD que controlaban los sensores. Se ha tenido que alternar las peticiones, de

tal manera que durante el periodo de 5 segundos se envíen las peticiones uno a uno para

cada dispositivo existente en el sistema domótico.

Asimismo, se programó la interfaz de control para enviar todos los cambios que

el usuario deseara para los controladores de una vez, lo cual, una vez más, falla debido

al problema de sobrecarga de tareas de la TCC. Por ello, se ha programado la interfaz de

manera que no se manden todas las peticiones a la vez.

En definitiva, se resalta una vez más que el principal problema se encontraba en

la presión que soportaba el microprocesador de la TCC debido al gran número de tareas

que debía cumplir: tomar medidas de corriente y comunicar los dispositivos con el PC,

traduciendo los mensajes uno a uno.

Memoria Futuros Desarrollos



Capítulo 9 FUTUROS DESARROLLOS

En este momento faltan elementos en el presente proyecto para desarrollar un

sistema domótico más completo y más robusto que el que se ha desarrollado. Se

proponen los siguientes futuros desarrollos:

• Completar la arquitectura del sistema domótico que se definió en la figura 1.6.

En este proyecto se han implementado los sensores y actuadores más

importantes y menos complejos para poder completar los objetivos propuestos

(ver 1.3) anteriormente. Sin embargo, no son suficientes para ofrecer el confort y

la seguridad que se podría obtener con todos los sensores y actuadores definidos

en la arquitectura inicialmente definida.

• Incrementar la robustez del protocolo MiWi. Existen casos puntuales en los que

un defecto en el hardware de las tarjetas controladoras pueda afectar la

estabilidad del sistema.

• Mejorar la interfaz de control en cuanto a modularidad. Aunque no se pueda

accionar sobre un actuador que no esté instalado o recibir medidas acerca de

sensores que no existan en una cierta zona del hogar, en vez de mostrar una

advertencia se propone cambiar el aspecto de la interfaz de control para lograr

una organización más limpia de la interfaz.

• Implementar esta interfaz de control en dispositivos portátiles como

smartphones o tablets. Este último punto incrementaría el confort del sistema

considerablemente, ya que el usuario no estaría restringido a un lugar fijo para

poder controlar su sistema inteligente.

• Asimismo, se propone desarrollar un servidor online para que el usuario pueda

gestionar su red domótica desde donde sea, siempre que tenga acceso a internet.

Memoria



Memoria Bibliografía



BIBLIOGRAFÍA

[1] Wikipedia, domótica: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica [2] Casadomo, domótica: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14 [3] Empresa SmartThings: http://smartthings.com [4] Empresa INSTEON: http://www.insteon.net/ [5] Alianza Z-Wave: http://www.z-wavealliance.org/ [6] Empresa Nexia Home Intelligence: http://www.nexiahome.com [7] Empresa Web Mountain Technologies http://www.webmtn.com/ [8] Microchip Technology Inc., Microchip Wireless: http://www.microchip.com/miwi/ [9] Promociones Euro de Santander: http://www.promocioneseurodesantander.net [10] Microchip Technology Inc., Personal Area Networks: http://www.microchip.com/pan/ [11] Microchip Technology Inc., D. Flowers, Y.Yang, MiWi Networking Protocol Stack:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01066A.pdf [12] Microchip Technology Inc., Y.Yang, MiWi P2P Wireless Protocol:

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http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01283A.pdf [14] The EncycloBEAMia, Eric Seale, Phototransistor:

http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/phototransistor.html [15] Wikipedia, Photodiode: http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode [16] Wikipedia, Hygrometer: http://en.wikipedia.org/wiki/Hygrometer [17] Datasheelcatalog.org, BC140 NPN medium power transistors datasheet:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/BC141.pdf [18] Wikipedia, Thermocouple: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple [19] Wikipedia, Thermistor: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor [20] Wikipedia, Resistance thermometer: http://en.wikipedia.org/wiki/Resistance_thermometer [21] Wikipedia, Motion detector: http://en.wikipedia.org/wiki/Motion_detector [22] Ladyada, PIR motion sensors: http://www.ladyada.net/learn/sensors/pir.html [23] Wikipedia, Fresnel lens: http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_lens [24] A. Sánchez Miralles, Libro de texto de Microprocesadores para Sistemas Electrónicos Digitales

(ICAI). Año: 2011 [25] Andrea Kalčicová, RGB Model: http://web.vscht.cz/kalcicoa/POCPRE/rgb.html [26] F. Martín Martínez, Gestión Energética para una Casa Inteligente. Año: 2013 [27] Microchip Technology Inc., dsPIC33FJ32MC202 Datasheet:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/70283g.pdf [28] Microchip Technology Inc., RF Transceivers Products:

http://www.microchip.com/paramchartsearch/Chart.aspx?branchID=1206





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http://www.microchip.com/paramchartsearch/Chart.aspx?branchID=1206

Memoria Bibliografía



Parte II ESTUDIO ECONÓMICO

Estudio económico



El sector de la domótica está sufriendo los avances tecnológicos que se están

llevando hoy en día. Además, los gustos cambiantes de los consumidores están tomando

en muchos casos rumbo hacia este sector, ya que la domótica es una alternativa cómoda

y moderna para la vida cotidiana.

Otro factor importante a considerar es la investigación y desarrollo de las Smart

Cities, que pretenden instalar una red inteligente en las ciudades, y ya se está

implementando en algunos lugares como Ámsterdam, Málaga y Dubái. Estas redes

inteligentes serán más avanzadas en cuanto a la comunicación e infraestructura que las

redes domóticas en hogares, ya que la tecnología usada para la comunicación es distinta.

En vez de ZigBee, se usaría BPL (Broadband over Power Line), WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access) y redes móviles como el 3G. Las redes

sensoriales inalámbricas (WSN – Wireless Sensor Network) en este contexto serán

mucho más extensas y rigurosas, y medirán más variables como la contaminación en el

aire, la disponibilidad de aparcamientos en la acera para los que deseen aparcar por el

barrio y el nivel de los contenedores de basura para los recogedores de basura.

Se estima que la demanda en el sector de la domótica sufrirá un aumento

considerable después de la aparición de las Smart Cities. La tendencia de los habitantes

de las Smart Cities les llevaría a domotizar sus hogares. Por lo tanto, se prevé que los

productos desarrollados en este proyecto serán viables en un futuro próximo. Además, a

diferencia de países como EEUU, en España no existen tantas empresas enfocadas en el

sector de la domótica luego la entrada en el sector no sería un problema.

Como el sector aún está poco desarrollado, aún no es posible alcanzar una cuota

de mercado considerable, pero con la llegada de las Smart Cities el sector se

desarrollaría bastante. A continuación se muestra la característica de las curvas de

costes, ventas y beneficio que seguiría este sistema domótico antes y después de la

llegada de las Smart Cities:

Analizando el típico ciclo de vida de un producto, se definen 7 posibles etapas

de los productos desarrollados en este proyecto:

Estudio económico



1. Introducción: Los costes serán muy intensos debido al desarrollo y a la

integración del producto en el mercado (campañas publicitarias y estudios de mercado). En general, las ventas son muy bajas, pero van incrementándose poco a poco, aunque no produzcan beneficios todavía ya que las pérdidas son muy altas. Estos productos se empiezan a dar a conocer en el mercado.

2. Crecimiento: Las ventas han alcanzado el máximo nivel de crecimiento y no paran de crecer. El producto está terminándose de integrarse en el mercado y las pérdidas comienzan a desaparecer.

3. Madurez: Las ventas han parado de crecer y han llegado a un máximo. En este momento los costes comienzan a descender y los beneficios a aumentar.

4. Declive: Los productos llegan a su declive con su obsolescencia. 5. Crecimiento II: parecida a la etapa 2, debido al refuerzo proveniente de las

Smart Cities, el ciclo se repite, comenzando por el crecimiento. Las ventas llegan a niveles más altos que anteriormente. Se prevé que los sistemas domóticos encontrarán ventajas si se integran en las redes de los Smart Cities. Por ello, los costes sufren un incremento en esta etapa.

6. Madurez II: análoga a la etapa 3, con niveles más altos de ventas y de beneficio, y con ligeramente menos costes.

7. Declive II: similar a la etapa 4. En estos momentos se ha podido desarrollar un sustituto del producto debido al cambio tecnológico o al cambio de tendencias, lo cual repercute seriamente en las ventas.

Figura 1 Posibles beneficios de la empresa

Beneficio

Consolidación

de las Smart

Cities

Ventas

Costes

Tiempo

Unidades

Monetarias 1

2

3

4

5

6

7

Figura 10.1: Ciclo de vida posible de el sistema domótico de este proyecto [26]

Parte III MANUAL DEL USUARIO

Manual del usuario Dispositivos remotos



Capítulo 1 DISPOSITIVOS REMOTOS

En este capítulo se tratarán los siguientes apartados relacionados con los

dispositivos: las tarjetas controladoras y los dispositivos de comunicación.

1.1 TARJETAS CONTROLADORAS

El sistema domótico representado por las tarjetas controladoras está coordinada

por el maestro, que se encuentra en la TCC. En la instalación de la red inalámbrica, para

lograr la mejor configuración de la red posible se debe activar primero la TCC, y

después, en orden, los dispositivos en orden descendente de cercanía a la TCC. Con esto

se puede asegurar que la red obtenga el mejor alcance y que los dispositivos sean

integrados a la red por el dispositivo activo más cercano a él, de modo que reduce la

probabilidad de fallo de envío de mensajes.

Las tarjetas controladoras no se alimentan todas de la misma manera, tal y como

se expone a continuación:

• Alimentación a 12V en corriente continua: TCD y TCI-4F.

• Alimentación a 220V en corriente alterna: TCI-F, TCA y TCC.

Una vez que la TCC se haya activado, aparte de formar la red MiWi entre los

dispositivos también se puede empezar a establecer la conexión con la interfaz de

control, a través del router (junto con las tarjetas controladoras se proporcionaría un PC

portátil y un router configurados para la comunicación del sistema inteligente). El

último paso a seguir es la inicialización de la interfaz de control en el PC.

El usuario deberá tener en cuenta la siguiente lista de precauciones para evitar

accidentes, ya que algunos circuitos operan con una tensión considerable:

• En caso de alimentar cualquier dispositivo y no se ilumina el LED rojo de

encendido, desconectar inmediatamente y avisar al servicio técnico.

• En ningún caso el usuario manipulará las tarjetas, sobre todo cuando se

encuentren en funcionamiento.

• En caso de avería no intentar repararlo, sino avisar al servicio técnico.




• En caso de que el LED verde de la TCC no parpadee después de conectarla,

desconectar y verificar que el router está conectado correctamente.

• Mantener los dispositivos alejados del agua y la humedad.

1.2 DISPOSITIVOS DE COMUNICACIÓN

1.2.1 COMUNICACIÓN WIFI

Es necesario establecer la misma dirección IP y canales para todos los

dispositivos de comunicación, así como configurar otros elementos de comunicación:

• En los programas de la interfaz y del server, hay que configurar la dirección IP

del servidor en los archivos Host.txt y ServerApp.ini respectivamente.

• En el driver de comunicación WiFi del microprocesador se debe configurar la

misma dirección IP del servidor y también su dirección MAC.

• En este mismo driver se debe igualar la dirección SSID (el nombre de la red

WiFi) del microprocesador a la del router, así como la clave de seguridad del

router, la cual debe tener la seguridad configurada en modo WPA (Wifi

Protected Access) con cifrado PSK (Phase Shift Keying).

• Si no se desea conectar el PC mediante un cable de tipo Ethernet sino por WiFi,

se debe también usar la misma clave en el PC.

• Debido a que el módulo de comunicación WiFi del microprocesador sólo tiene

disponibles los canales 1, 6 y 11, se debe configurar el router para la

comunicación en uno de estos canales.

• La modulación en la comunicación WiFi será de 802.11b o 802.11g.

1.2.2 COMUNICACIÓN MIWI

Usando el sniffer ZENA Network Analyzer, se pueden comprobar los siguientes

requisitos:

• Sin conectar ningún dispositivo a la red MiWi, comprobar si no existe alguna

red ya establecida en los canales 11-26 y programar los microprocesadores con




el canal libre. Si no se cumple para ningún canal, asegurarse de que la constante

que define el identificador de la red no sea igual a las redes ya establecidas.

• Si aparece en ZENA Network Analyzer una cantidad excesiva de paquetes de

petición de baliza (beacon request) de un mismo dispositivo asegurarse de que

el dispositivo más cercano no esté a una distancia muy lejana y de que la red

haya sido creada ya por la TCC (se recomienda que los dispositivos no estén

separados por más de una pared).

• Asimismo, si el ZENA Network Analyzer muestra un número muy alto de

paquetes de petición de asociación (association request) es muy posible que una

tarjeta controladora esté defectuosa. Avisar al servicio técnico.

• Si algún dispositivo se ha apagado, se puede reconectar sin problemas. Sin

embargo, si la TCC se desconecta, se deben apagar todos los dispositivos y

luego encenderlos una vez la TCC vuelva a establecer la red MiWi.

• Si en ZENA Network Analyzer aparecen 4 paquetes idénticos consecutivos sin

un paquete tipo ACK después, se trata de un mensaje fallido y es muy probable

que algún dispositivo se haya apagado por falta de alimentación.

Manual del usuario Acceso a la base de datos con ODBC



Capítulo 2 INTERFAZ DE CONTROL

Es necesario haber preconfigurado la base de datos antes de ejecutar la

aplicación de la interfaz. También se debe ejecutar la interfaz después de haber

conectado todas las tarjetas controladoras y después de haber ejecutado la aplicación del

server y establecer la comunicación WiFi con la TCC. A continuación se muestran las

distintas zonas de la interfaz de control:

Las diferentes partes de la interfaz de control (en la pestaña del Energy System)

se exponen a continuación:

A. Zona de parámetros generales

1. Parámetros de coste y consumo que el usuario quiere fijar (mediante el botón

de Send Parameters). También se muestra en pantalla el consumo total.

2. Medidas de corriente provenientes de la TCC (situada en el cuadro general

de protección del hogar).

Figura 20.1: Interfaz de control (pestaña del Energy System)

A

B

2

1

3

1

2 3

4

4

C




Figura 20.2: Interfaz de control (pestaña del Home Automation)

3. Menú desplegable que cambia la información mostrada en la zona B según

la habitación/región seleccionada.

4. Selector de modo autogestión (ON/OFF).

B. Zona de parámetros del sistema energético/domótico (depende de 1.)

1. Pestaña selectora para cambiar de sistema.

2. Corriente, porcentaje de carga y prioridad del enchufe seleccionado según el

menú desplegable de enchufes.

3. Zona de gráficos de consumo.

4. Cambio de parámetros mostrados en 2.

C. Zona que indica el estado de conexión con el server.

1. Lectura de los sensores de la habitación seleccionada.

2. Controlador para persianas. Se actúa pulsando en el botón Send new state.

3. Controlador para LEDs RGB. Se actúa pulsando en Send new lighting. Los

valores actuales de los LEDs RGB se muestran en negrita, y los que se

quieren establecer con los sliders aparecen a la derecha.

1 3

2




Figura 20.3: Ventana del DSN de sistema

Figura 20.4: Ventana para seleccionar driver

Capítulo 3 ACCESO A LA BASE DE DATOS CON ODBC

Para que la base de datos funcione correctamente es necesario establecer el

enlace de acceso con ODBC. Los pasos necesarios para llevar esta tarea a cabo son las

siguientes:

1. Primero se accede, en el Panel de Control, dentro de Herramientas administrativas,

entrar en Orígenes de datos ODBC. Si se selecciona la pestaña DSN de sistema se

llega a la siguiente ventana:

2. A continuación se pulsa el botón de Agregar y se selecciona el Driver MySQL

ODBC con la versión correspondiente y por último se pulsa Finalizar.




Figura 20.5: Ventana de conexión con la base de datos

Figura 20.6: Conexión con DBManager

3. Pulsando Finalizar aparece la siguiente ventana:

Se deben completar los campos siguientes:

• Data Source Name: el nombre de la base de datos

• TCP/IP Server: escribir localhost o la IP donde esté la base de datos.

• User: el nombre de usuario, que debe coincidir con el que esté configurado en la

base de datos.

• Password: la contraseña, que también debe coincidir con la configurada en la

base de datos.

Posteriormente se comprueba la conexión con el botón Test. Si lo es, pulsar OK.

4. Habiendo completado estos pasos ya se ha

establecido conexión con la base de datos.

Ahora sólo queda como último paso conectar

mediante DBManager. Para conectar se

selecciona en la pestaña de Tools el menú de

Server, y dentro de él se selecciona Server

Manager. Se llegaría a la ventana mostrada

en la figura 20.6. Se rellenan los campos de

usuario y contraseña, y pulsar aceptar si esta

es satisfactoria.

DOCUMENTO II PRESUPUESTO

Presupuesto Índice del presupuesto

3



Índice del presupuesto

Contenido Índice del presupuesto ............................................................................................ 3

Capítulo 1 Mediciones ...................................................................................... 5

1.1 TCD – Tarjeta de Control Domótico ................................................................. 5

1.2 TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación-Foco .............................................. 6

1.3 TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación-4 Fases ........................................ 6

1.4 TCA – Tarjeta de Control de Actuadores .......................................................... 7

1.5 TCC – Tarjeta de Control Central ...................................................................... 8

1.6 Equipo y herramientas empleadas ..................................................................... 8

1.7 Software empleado ............................................................................................ 8

1.8 Mano de obra directa ......................................................................................... 9

Capítulo 2 Precios unitarios ........................................................................... 11

2.1 TCD – Tarjeta de Control Domótico ............................................................... 11

2.2 TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación-Foco ............................................ 12

2.3 TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación-4 Fases ...................................... 12

2.4 TCA – Tarjeta de Control de Actuadores ........................................................ 13

2.5 TCC – Tarjeta de Control Central .................................................................... 14

2.6 Equipo y herramientas empleadas ................................................................... 14

2.7 Software empleado .......................................................................................... 14

2.8 Mano de obra directa ....................................................................................... 15

Capítulo 3 Sumas parciales ............................................................................ 17

3.1 TCD – Tarjeta de Control Domótico ............................................................... 17

3.2 TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación-Foco ............................................ 18

3.3 TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación-4 Fases ...................................... 18

3.4 TCA – Tarjeta de Control de Actuadores ........................................................ 19

3.5 TCC – Tarjeta de Control Central .................................................................... 20

Presupuesto Índice del presupuesto

4



3.6 Equipo y herramientas empleadas ................................................................... 20

3.7 Software empleado .......................................................................................... 21

3.8 Mano de obra directa ....................................................................................... 21

Capítulo 4 Presupuesto general ..................................................................... 23

Presupuesto Mediciones

5



Capítulo 1 MEDICIONES

En este capítulo se expondrá la cantidad de componentes necesarios para la

elaboración de los diferentes dispositivos, así como las horas requeridas para llevar a

cabo las tareas realizadas en este proyecto.

1.1 TCD – TARJETA DE CONTROL DOMÓTICO

Componente Cantidad Condensador cerámico multicapa 100 nF 1 Condensador electrolítico Al 68 μF 16V 2 Condensador electrolítico Al 68 μF 63V 1

Condensador SMD 100 nF 7 Diodo LED 1

Diodo Schottky 2 Fuente de alimentación step-down 3.3V 1 Fuente de alimentación step-down 5.0V 1

Inductor axial 100 μH 2 Interruptor DIP deslizante 3 vías 1

Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 1 Módulo de radiofrecuencia MiWi 1

PCB 1 Pulsador 1

Resistencia 1 kΩ 1 Resistencia 1 MΩ 2 Resistencia 1.8 kΩ 2 Resistencia 10 kΩ 1 Resistencia 384 kΩ 2

Resistencia SMD 10 kΩ 1 Terminal macho con ajuste por fricción 2 vías 2.54mm 3 Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 1

Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 70 Terminal recto PCB 5.08mm (Verde) 11

Zócalo de 28 pines 1


6



1.2 TCI-F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-FOCO

Componente Cantidad Condensador SMD 100 nF 5

Diodo LED 1 LED RGB individual 6


PCB 1 Pulsador 1

Resistencia 1 kΩ 1 Resistencia 4.7 kΩ 2

Resistencia SMD 10 kΩ 1 Resistencia SMD 2.2 kΩ 3 Resistencia SMD 22 Ω 1

Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm 4 Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm 1

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 1 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 4

Transformador de tensión 1 salida 1 Transistor NPN (BC140) 3


1.3 TCI-4F – TARJETA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN-4 FASES

Componente Cantidad Condensador electrolítico Al 68 μF 16V 1 Condensador electrolítico Al 68 μF 63V 1

Condensador SMD 100 nF 7 Diodo LED 1

Diodo Schottky 1 Fuente de alimentación step-down 3.3V 1

Inductor axial 100 μH 1 Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 1

Módulo de radiofrecuencia MiWi 1 PCB 1


7



Pulsador 1 Resistencia 1 kΩ 1 Resistencia 1 MΩ 1

Resistencia 384 kΩ 1 Resistencia 4.7 kΩ 2

Resistencia SMD 10 kΩ 1 Resistencia SMD 2.2 kΩ 12

Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm 16 Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm 1

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 1 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 4

Tira de 15 LEDs RGB 4 Transistor NPN (BC140) 12


1.4 TCA – TARJETA DE CONTROL DE ACTUADORES

Componente Cantidad Condensador SMD 100 nF 5

Diodo LED 1 Diodo rectificador 3


PCB 1 Pulsador 1

Relé lacheado 1 Relé no lacheado 1 Resistencia 1 kΩ 4

Resistencia 4.7 kΩ 2 Resistencia SMD 10 kΩ 1

Terminal de rosca PCB 2 vías 5.08mm 1 Terminal de rosca PCB 6 vías 2.54mm 2

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 1 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 4 Transformador de tensión 2 salidas 1

Transistor NPN 3 Zócalo de 28 pines 1


8



1.5 TCC – TARJETA DE CONTROL CENTRAL

Esta tarjeta no se ha desarrollado en este proyecto, sino en el proyecto del

sistema gestor de energía. Se incluye ya que como es el coordinador de la red no puede

existir dicha red sin dicho coordinador. Sin embargo, no se incluirá la lista de

componentes de la TCC, sino el precio final de ella.

1.6 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS

Elemento Cantidad Horas de proyecto

Horas de uso al año

PC 1 450 1350 Programador MPLAB ICD3 1 170 300

Polímetro 1 200 400 ZENA Packet Sniffer 1 80 300

Destornillador, alicates y otras herramientas 1 30 1200

Soldador 1 40 500 Desoldador 1 10 250 Mordaza 1 30 200

Router WiFi 1 10 100

1.7 SOFTWARE EMPLEADO



MPLAB IDE v8.63 1 300 800 EAGLE PCB Designer v6.1.0 1 30 250

Visual Studio 2010 1 100 1000 ERwin Data Modeling 1 5 100

DBManager Professional v3.2 1 20 400 Office Word 2007 1 120 600 Qt Designer v5.0.1 1 10 100

Zena Network analyzer v3.0 1 80 300


9



1.8 MANO DE OBRA DIRECTA

Actividad Horas Diseño de las tarjetas 25

Montaje de las tarjetas 40 Programación 300

Implementación de sensores 25 Implementación de actuadores 15

Pruebas y solución de problemas 200 Documentación del proyecto 135

Horas totales 740


10



Presupuesto Precios unitarios

11



Capítulo 2 PRECIOS UNITARIOS

En este capítulo se expondrá la cantidad de componentes necesarios para la

elaboración de los diferentes dispositivos, así como las horas requeridas para llevar a

cabo las tareas realizadas en este proyecto.


Componente Precio (€/ud.) Condensador cerámico multicapa 100 nF 0,098 Condensador electrolítico Al 68 μF 16V 0,136 Condensador electrolítico Al 68 μF 63V 0,210

Condensador SMD 100 nF 0,060 Diodo LED 0,100

Diodo Schottky 0,075 Fuente de alimentación step-down 3.3V 5,870 Fuente de alimentación step-down 5.0V 6,590

Inductor axial 100 μH 1,140 Interruptor DIP deslizante 3 vías 1,380

Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 2,880 Módulo de radiofrecuencia MiWi 9,880

PCB 1,935 Pulsador 1,020

Resistencia 1 kΩ 0,028 Resistencia 1 MΩ 0,028 Resistencia 1.8 kΩ 0,028 Resistencia 10 kΩ 0,028 Resistencia 384 kΩ 0,028

Resistencia SMD 10 kΩ 0,017 Terminal macho con ajuste por fricción 2 vías 2.54mm 0,317 Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 0,288

Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 0,045 Terminal recto PCB 5.08mm (Verde) 0,095

Zócalo de 28 pines 0,042


12




Componente Precio (€/ud.) Condensador SMD 100 nF 0,060

Diodo LED 0,100 LED RGB individual 0,924



Resistencia 1 kΩ 0,028 Resistencia 4.7 kΩ 0,028

Resistencia SMD 10 kΩ 0,017 Resistencia SMD 2.2 kΩ 0,021 Resistencia SMD 22 Ω 0,028

Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm 0,060 Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm 0,754

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 0,288 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 0,045

Transformador de tensión 1 salida 12,910 Transistor NPN (BC140) 0,580



Componente Precio (€/ud.) Condensador electrolítico Al 68 μF 16V 0,136 Condensador electrolítico Al 68 μF 63V 0,210

Condensador SMD 100 nF 0,060 Diodo LED 0,100

Diodo Schottky 0,075 Fuente de alimentación step-down 3.3V 5,870

Inductor axial 100 μH 1,140 Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 2,880

Módulo de radiofrecuencia MiWi 9,880 PCB 1,935


13



Pulsador 1,020 Resistencia 1 kΩ 0,028 Resistencia 1 MΩ 0,028

Resistencia 384 kΩ 0,028 Resistencia 4.7 kΩ 0,028

Resistencia SMD 10 kΩ 0,017 Resistencia SMD 2.2 kΩ 0,021

Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm 0,060 Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm 0,754

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 0,288 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 0,045

Tira de 15 LEDs RGB 4,950 Transistor NPN (BC140) 0,580



Componente Precio (€/ud.) Condensador SMD 100 nF 0,060

Diodo LED 0,100 Diodo rectificador 0,045



Relé lacheado 7,230 Relé no lacheado 2,780 Resistencia 1 kΩ 0,028

Resistencia 4.7 kΩ 0,028 Resistencia SMD 10 kΩ 0,017

Terminal de rosca PCB 2 vías 5.08mm 0,754 Terminal de rosca PCB 6 vías 2.54mm 2,070

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 0,288 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 0,045 Transformador de tensión 2 salidas 15,120

Transistor NPN 0,036 Zócalo de 28 pines 0,042


14




El coste de los componentes de esta tarjeta no se muestra en este proyecto ya que

se ha desarrollado en otro. No obstante, en el siguiente capítulo se tendrá en cuenta.


Elemento Precio (€/ud.) PC 799,00

Programador MPLAB ICD3 154,60 Polímetro 45,00

ZENA Packet Sniffer 100,00 Destornillador, alicates y otras herramientas 80,00

Soldador 35,00 Desoldador 34,87 Mordaza 31,69

Router WiFi 22,00


Elemento Precio (€/ud.) MPLAB IDE v8.63 Versión libre

EAGLE PCB Designer v6.1.0 Versión libre Visual Studio 2010 115,00

ERwin Data Modeling 3637,79 DBManager Professional v3.2 Libre para uso no comercial

Office Word 2007 135 Qt Designer v5.0.1 Libre para uso no comercial

Zena Network analyzer v3.0 Gratis


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Actividad Precio (€/hora) Diseño de las tarjetas 45

Montaje de las tarjetas 15 Programación 25

Implementación de sensores 20 Implementación de actuadores 20

Pruebas y solución de problemas 55 Documentación del proyecto 40


16



Presupuesto Sumas parciales

17



Capítulo 3 SUMAS PARCIALES

En este capítulo se indicarán los importes parciales a partir de los primeros dos

capítulos: las mediciones y los precios unitarios.


Componente Cantidad Precio (€/ud.) Coste total (€) Condensador cerámico multicapa 100 nF 1 0,098 0,098 Condensador electrolítico Al 68 μF 16V 2 0,136 0,272 Condensador electrolítico Al 68 μF 63V 1 0,210 0,210

Condensador SMD 100 nF 7 0,060 0,420 Diodo LED 1 0,100 0,100

Diodo Schottky 2 0,075 0,150 Fuente de alimentación step-down 3.3V 1 5,870 5,870 Fuente de alimentación step-down 5.0V 1 6,590 6,590

Inductor axial 100 μH 2 1,140 2,280 Interruptor DIP deslizante 3 vías 1 1,380 1,380

Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 1 2,880 2,880 Módulo de radiofrecuencia MiWi 1 9,880 9,880

PCB 1 1,935 1,935 Pulsador 1 1,020 1,020

Resistencia 1 kΩ 1 0,028 0,028 Resistencia 1 MΩ 2 0,028 0,056 Resistencia 1.8 kΩ 2 0,028 0,056 Resistencia 10 kΩ 1 0,028 0,028 Resistencia 384 kΩ 2 0,028 0,056

Resistencia SMD 10 kΩ 1 0,017 0,017 Terminal macho con aj. fricción 2 vías 3 0,317 0,951 Terminal macho con aj. fricción 3 vías 1 0,288 0,288 Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 70 0,045 3,150 Terminal recto PCB 5.08mm (Verde) 11 0,095 1,045

Zócalo de 28 pines 1 0,042 0,042 TOTAL 38,802


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Componente Cantidad Precio (€/ud.)

Coste total (€)


LED RGB individual 6 0,924 5,544 Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 1 2,880 2,880

Módulo de radiofrecuencia MiWi 1 9,880 9,880 PCB 1 1,935 1,935

Pulsador 1 1,020 1,020 Resistencia 1 kΩ 1 0,028 0,028

Resistencia 4.7 kΩ 2 0,028 0,056 Resistencia SMD 10 kΩ 1 0,017 0,017 Resistencia SMD 2.2 kΩ 3 0,021 0,063 Resistencia SMD 22 Ω 1 0,028 0,028

Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm 4 0,060 0,240 Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm 1 0,754 0,754

Terminal macho con ajuste por fricción 3 vías 2.54mm 1 0,288 0,288

Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 4 0,045 0,180 Transformador de tensión 1 salida 1 12,910 12,910

Transistor NPN (BC140) 3 0,580 1,740 Zócalo de 28 pines 1 0,042 0,042

TOTAL 38,005



Coste total (€)

Condensador electrolítico Al 68 μF 16V 1 0,136 0,136 Condensador electrolítico Al 68 μF 63V 1 0,210 0,210


Diodo Schottky 1 0,075 0,075 Fuente de alimentación step-down 3.3V 1 5,870 5,870

Inductor axial 100 μH 1 1,140 1,140


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Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 1 2,880 2,880 Módulo de radiofrecuencia MiWi 1 9,880 9,880

PCB 1 1,935 1,935 Pulsador 1 1,020 1,020

Resistencia 1 kΩ 1 0,028 0,028 Resistencia 1 MΩ 1 0,028 0,028

Resistencia 384 kΩ 1 0,028 0,028 Resistencia 4.7 kΩ 2 0,028 0,056

Resistencia SMD 10 kΩ 1 0,017 0,017 Resistencia SMD 2.2 kΩ 12 0,021 0,252

Terminal acodado PCB (Negro) 5.08mm 16 0,060 0,960 Terminal de rosca PCB 2 vías 2.54mm 1 0,754 0,754


Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 4 0,045 0,180 Transistor NPN (BC140) 12 4,950 59,400

Zócalo de 28 pines 1 0,580 0,580 Tira de 15 LEDs RGB 4 0,042 0,168

TOTAL 86,405



Coste total (€)


Diodo rectificador 3 0,045 0,135 Microprocesador dsPIC33FJ32MC202 1 2,880 2,880

Módulo de radiofrecuencia MiWi 1 9,880 9,880 PCB 1 1,935 1,935

Pulsador 1 1,020 1,020 Relé lacheado 1 7,230 7,230

Relé no lacheado 1 2,780 2,780 Resistencia 1 kΩ 4 0,028 0,112

Resistencia 4.7 kΩ 2 0,028 0,056 Resistencia SMD 10 kΩ 1 0,017 0,017

Terminal de rosca PCB 2 vías 5.08mm 1 0,754 0,754 Terminal de rosca PCB 6 vías 2.54mm 2 2,070 4,140


20




Terminal recto PCB 5.08mm (Negro) 4 0,045 0,180 Transformador de tensión 2 salidas 1 15,120 15,120

Transistor NPN 3 0,036 0,108 Zócalo de 28 pines 1 0,042 0,042

TOTAL 47,077


El coste unitario de la TCC es de 69,115€/ud.




Precio (€/ud.)

Amortización anual

Coste (€)

PC 1 450 1350 799,00 25% 66,58 Programador MPLAB ICD3 1 170 300 154,60 25% 21,90

Polímetro 1 200 400 45,00 25% 5,63 ZENA Packet

Sniffer 1 80 300 100,00 25% 6,67

Destornillador, alicates y otras herramientas

1 30 1200 80,00 25% 0,50

Soldador 1 40 500 35,00 25% 0,70 Desoldador 1 10 250 34,87 25% 0,35 Mordaza 1 30 200 31,69 25% 1,19

Router WiFi 1 10 100 22,00 25% 0,55 TOTAL 104,06


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Precio (€/ud.)

Amortización anual

Coste (€)

Visual Studio 2010 1 100 1000 115,00 20% 2,30

ERwin Data Modeling 1 5 100 3637,79 20% 36,38

Office Word 2007 1 120 600 135 20% 5,40

TOTAL 44,08


Actividad Horas Precio (€/hora) Coste € Diseño de las tarjetas 25 45 1125

Montaje de las tarjetas 40 15 600 Programación 300 25 7500

Implementación de sensores 25 20 500 Implementación de actuadores 15 20 300

Pruebas y solución de problemas 200 55 11000 Documentación del proyecto 135 40 5400

TOTAL 26425


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Presupuesto Presupuesto general

23



Capítulo 4 PRESUPUESTO GENERAL

Sumando las cantidades de todas las partes calculadas anteriormente se concluye

que el coste de este proyecto, impuestos incluidos, asciende a:

Concepto Coste (€) TCD - Tarjeta de Control Domótico (3 uds.) 116,41

TCI-F - Tarjeta de Control de Iluminación - Foco (2 uds.) 76,01 TCI-4F - Tarjeta de Control de Iluminación - 4 Fases (1 ud.) 86,41

TCA - Tarjeta de Control de Actuadores (1 ud.) 47,08 TCC - Tarjeta de Control Central (1 ud.) 69,12

Equipo y herramientas empleadas 104,06 Software empleado 44,08

Mano de obra directa 26425,00 TOTAL 26968,15

sistema domÓtico para una casa inteligente · esto es lo que despierta interés en este proyecto....

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