OFICINA TECNICA NOTAS DE CLASE DOMOTICA. DEPARTAMENTO DE EXPRESION GRAFICA Y PROYECTOS DE INGENIERIA E.U.I.T.I. e I.T.T. Vitoria- Gasteiz.

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1 DEPARTAMENTO DE EXPRESION GRAFICA Y PROYECTOS DE INGENIERIA E.U.I.T.I. e I.T.T. Vitoria- Gasteiz OFICINA TECNICA NOTAS DE CLASE Profesor: Alfredo Martínez Argote

2 ÍNDICE 1 DEFINICIÓN DE DOMÓTICA INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA EVOLUCIÓN DE LA DOMÓTICA CRITERIOS DE EVALUACIÓN Tipo de arquitectura Medio de transmisión Velocidad de transmisión Protocolo de comunicación Preinstalación domótica Nodos PROTOCOLOS Y ESTÁNDARES Konnex X CEBus LonWorks/LonTalk SCP BACnet HAVi Jini UpnP HAPI TCP/IP ZigBee Otros estándares REDES LAN, WLAN, PAN y WPAN Ethernet USB HomePNA HomePlug Bluetooth WiFi Home RF MÉTODOS DE ACCESO PASARELA RESIDENCIAL APLICACIONES DOMÓTICAS UPV/EHU Vitoria/Gasteiz i

3 1 DEFINICIÓN DE DOMÓTICA El desarrollo de tecnologías, para usar en edificios de todo tipo y principalmente de automatización, está teniendo un crecimiento considerable y una curva ascendente en sus aplicaciones que es imparable. Este sector no podía permanecer al margen de esta influencia y aunque con cierto retraso, esta inmerso en este proceso. Cuando las tecnologías especificas de un sector se desarrollan, aparecen las "Disciplinas Tecnológicas" para distinguirlas de otras y así surgen la Robótica, Informática, etc., entre otras. Estas disciplinas son necesarias para conocer y unificar criterios, para desarrollar normas de calidad y de aplicaciones, etc., en definitiva conseguir tres cosas fundamentales beneficiar a usuarios, evitar el abuso y eliminar las posibilidades de desprestigiar al sector si la tecnología es mal aplicada. El termino DOMÓTICA fue acuñado por los medios periodísticos franceses. Se necesitaba definir al conjunto de materiales y técnicas nuevas que se estaban utilizando en la edificación. Esta necesidad también se hacia patente en el colectivo técnico que acepto el termino sin plantearse su modificación, es cierto que existen algunos intentos de introducir variables, pero creo que sin grandes éxitos. La DOMÓTICA es una disciplina tecnológica que se aplica en los edificios, de todo tipo, con el fin de aumentar LA SEGURIDAD, EL CONFORT, LOS SERVICIOS MULTIMEDIA, el uso del DISEÑO BIOCLIMÁTICO Y EL AHORRO ENERGÉTICO. La domótica es la nueva ciencia y técnica que trata de hacer inteligentes a los edificios. Se supone que una casa inteligente es la que está fresca en verano y caliente en invierno, la que ahorra energía, y la que en general obedece las órdenes de sus ocupantes. Hay que apresurarse a advertir que la arquitectura tradicional creó durante siglos muchas "casas inteligentes", porque la sabiduría en el uso de los materiales, el aislamiento y la orientación cuidadosamente estudiada producían precisamente esos efectos... Pero en la sociedad actual, esas cosas se consiguen más bien mediante el control de los numerosos artefactos que hay en los hogares. Domótica viene del latín domus, "casa" (que también está presente en la palabra "doméstico") y de un sufijo, -tica, que también está en telemática, ofimática, robótica... En el origen remoto, la terminación - tica remite a automática, y hoy en general induce el significado de "gestión por medios informáticos". En inglés se dice domotics. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 1

4 Una casa media tiene hoy no menos de treinta o cuarenta artefactos (de microondas a lavadoras, de equipos de música e imagen a calefacciones), prácticamente todos ya animados por un chip. La domótica pretende que en vez de ser un conjunto heterogéneo, con controles y lógicas diferentes, se puedan gestionar en su conjunto. Uno podría, así, encender y apagar las luces de una casa no habitada y poner la televisión (para engañar a posibles merodeadores), y encender la calefacción para que esté caldeada el día que vamos a volver. Eso ya se puede hacer fácilmente. Pero el futuro querría ver también sistemas de control de stocks (para detectar cuándo se va a acabar la leche), o de planificación de dietas, unidos a funciones de telecompra y procesado inteligente de alimentos. Algo que también se planea es la operación mediante la voz de todos estos artefactos. La domótica sin duda estará muy bien, pero si sabemos el caos que producen los frecuentes cuelgues del ordenador, no querríamos ni imaginarnos un bug que ordenara la compra de doscientos litros de leche cada día, o un diálogo de sordos con el televisor rogándole infructuosamente que se apague, o baje el volumen, o las dos cosas... UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 2

5 2 INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA Domótica es una denominación referida a las viviendas, por la que diversos productos tecnológicos de áreas como la electricidad, la electrónica, la informática, la robótica y las telecomunicaciones convergen y se integran en un sistema con objeto de proveer aplicaciones y servicios de utilidad para los habitantes del hogar. Su finalidad es cubrir y mejorar varias de las necesidades de los usuarios, destacamos: Aumentar la seguridad Incrementar el confort Mejorar las comunicaciones Ahorrar energía, dinero y tiempo Facilitar el control integral de la casa Ofrecer nuevos servicios La domótica tiene varias áreas socio-tecnológicas con sus correspondientes funciones, son: Automatización y Control que abarca el control (apagar / encender, abrir / cerrar y regular) de aplicaciones y dispositivos domésticos como iluminación, climatización, persianas / toldos, puertas y ventanas, cerraduras, riego, electrodomésticos, suministro de agua, gas, electricidad, etc. Seguridad y Vigilancia de personas, bienes, incidencias y averías con alarmas de intrusión y cámaras de vigilancia, alarmas personales y alarmas técnicas de incendio, humo, agua, gas, fallo de suministro eléctrico etc. Comunicaciones de voz y datos incluyendo textos, imágenes y sonidos con redes locales, intercambio y compartiendo recursos entre todos los dispositivos, acceso a Internet y a nuevos servicios (telefonía sobre IP, televisión digital etc.). UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 3

6 Servicios y Ocio abarca información, tele servicios, entretenimiento, diversión, educación con radio, televisión, audio / video multi-room, cine en casa, videojuegos; captura, tratamiento y distribución de imágenes fijas / dinámicas y de sonido dentro y fuera de la casa a través de Internet como: Salud - actuar en la sanidad mediante asistencia sanitaria, consultoría sobre alimentación y dieta, telecontrol, etc. Compra - comprar y vender mediante publicidad, telecompra, tele venta, tele reserva, etc. Finanzas - gestionar el dinero a través de tele banca, consultoría financiera... Aprendizaje - aprender y reciclarse mediante la tele-enseñanza. Actividad profesional - trabajar total o parcialmente desde el hogar, para ciertas profesiones y ciertos perfiles psicológicos. Ciudadanía - gestiones múltiples con la Administración del Estado, con la Comunidad Autónoma y con el Municipio; voto electrónico y otros como búsqueda y procesamiento de otra información como museos, bibliotecas, información meteorológica, jurídica o fiscal, tele periódicos. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 4

7 3 EVOLUCIÓN DE LA DOMÓTICA La inteligencia del hogar es el resultado de aplicar la tecnología disponible en cada época. Por eso el hogar ha sido, es, e inexorablemente lo será en el futuro, inteligente. Llegados a este punto pasamos a ver la evolución tecnológica que nos ha llevado hasta la tecnología actual. a) Evolución Tecnológica Desde 1875 en el que se inventó la máquina de vapor de Watt (la primera regulación automática) hasta 1968 en el que Intel creo el primer microprocesador (que permitía funciones de control) la evolución de la tecnología experimenta un gran avance que permite que en adelante se puedan acometer mayores avances. b) Edificios Inteligentes Las crisis energéticas de los 70 obligó a un consumo de la energía lo más racional posible, lo que exigía una precisión en los equipos de control que sólo la electrónica podía dar. Además se produjeron cambios en la legislación de los países civilizados que obligaron a un mayor control del gasto energético y protección ambiental. Desde los años 80 se dice que un edificio inteligente es aquel que descansa sobre los cuatro pilares siguientes: Automatización de funciones: Proporciona la mayor autonomía funcional posible al edificio. Automatización de actividades: Proporciona la infraestructura necesaria para soportar la actividad del edificio. Telecomunicaciones avanzadas: Permite transmitir cualquier tipo de información multimedia de la que se pueda hacer uso en el edificio. Flexibilidad al cambio: Garantiza que el edificio sea capaz de satisfacer las necesidades de cualquier usuario que use el edificio. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 5

8 c) Pre-domótica Un estadio inmediatamente anterior a la domótica son las instalaciones predomóticas, que se desarrollaron principalmente en Italia. Estos sistemas consisten en una serie de dispositivos electrónicos que se conectan a la red eléctrica de la casa, y que cumplen algunas funcionalidades más o menos complejas. Generalmente estos dispositivos añadidos son sistemas modulares, con lo que se pueden hacer diferentes combinaciones de funciones en cada placa. El control de cada función debe hacerse con un par de hilos desde el mecanismo actuador, con lo que el cableado irá creciendo y complicándose, conforme aumente el número de funcionalidades que se deseen incorporar a la red eléctrica. d) Nacimiento de la domótica Resulta imposible precisar una fecha concreta para el nacimiento de la domótica, ya que no se trata de un hecho puntual, sino de todo un proceso evolutivo que comenzó con las redes de control de los edificios inteligentes y se ha ido adaptando a las necesidades propias de la vivienda. Si hemos de destacar una fecha en concreto, esta sería el año con la salida al mercado del sistema X-10, considerado el primer sistema domótico propiamente dicho. La domótica, así entendida hoy, implica casi exclusivamente una serie de dispositivos orientados a la gestión técnica de la vivienda. La vida diaria de los miembros del hogar se ve crecientemente facilitada por dispositivos que ayudan, en primer fugar, a la gestión del entorno material, tales como los relacionados con la energía, la iluminación, el aire acondicionado, la calefacción, el agua caliente, la ventilación, las persianas y las puertas. En segundo lugar, a la gestión de las tareas domésticas rutinarias: cocinar (cocina, horno, horno microondas, tostador de pan, batidora, exprimidora...); lavado de vajilla (lavavajillas); lavado de ropa (lavadora y secadora); limpieza de la casa (aspirador, abrillantadora); control de gasto (contadores de gas, electricidad, agua, agua caliente, calefacción); y en mucho menor grado de confort encontramos la gestión de los desechos (basuras) sin que la imaginación de los inventores aporte novedades reales todavía. En tercer lugar, la gestión de la seguridad y la vigilancia se puede ver facilitada por dispositivos, pasivos y activos, tales como las alarmas, cámaras y sensores para emergencias y fallos, tanto locales como conectados a centros especializados de emergencia (policía, bomberos, hospitales, residencias de ancianos, centros de asistencia social...). UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 6

9 En el momento actual, en España se están tendiendo cables por las grandes ciudades que van a transportar a las casas y a las empresas indistintamente la señal de la televisión (en el próximo futuro, digital, con muchos canales), la señal de la radio (también digital en el futuro), de la telefonía (para transmisión de voz) y de Internet (para la transmisión de datos, voz, sonido -música- e imágenes fijas y en movimiento). Los costes de los procesadores de señales digitales y los sensores avanzados de imagen están cayendo muy deprisa, por lo tanto pronto desearemos dispersar por nuestra vivienda cámaras de vigilancia, micrófonos de campo remoto, y otros sensores. Con estos dispositivos, los agentes inteligentes podrían tener cuenta del medio ambiente, aprender nuestras costumbres, y actuar en nuestro lugar. Dentro de diez años, las viviendas serán capaces de reconocer visualmente gente y responder a órdenes de voz o gestos. La tecnología informática está facilitando a los proveedores de servicios la tarea de modernizar redes analógicas en digitales, y así mejorar rendimientos y sus capacidades para transportar diferentes tipos de señales - teléfono, música, televisión e información. Sin embargo, muchos dispositivos son todavía analógicos, por lo tanto hasta que al menos la instalación doméstica y los dispositivos no se pongan al día y se hagan digitales, las puertas residenciales serán necesarias para separar los servicios digitales y encaminarlos hacia dispositivos analógicos por encima de la instalación doméstica existente. Las puertas pueden ser instaladas en las nuevas viviendas cerca del eje de instalación / cables estructurado o donde terminan todos los servicios, pero esto no es tan fácil en viviendas más antiguas donde el teléfono, el televisor y la instalación eléctrica entran por sitios diferentes. Es imposible poner las viviendas a prueba del futuro, debido a los rápidos progresos en informática y tecnologías de comunicaciones. Sin embargo, hay cosas que nos ayudarán a ajustar algunos cambios, incluyendo los sistemas de instalación estructurados y las nuevas tecnologías sin cable, cuya popularidad aumentará tan pronto como disminuyan los precios y los dispositivos se hagan más pequeños y más portátiles. Ciertas tipologías de hogares son mejores candidatos para esto: Hogares en que los dos miembros de la pareja son económicamente activos. Hogares mono-personales altamente móviles Familias en su edad media. Personas mayores con limitadas capacidades físicas, y minusválidos. Se deduce de todo lo anterior que problemas son más sociales que tecnológicos. Las casas irán incorporando aplicaciones inteligentes parcialmente. Visto desde la perspectiva actual, las áreas de gestión de energía, sistemas de seguridad, y entretenimiento parecen ser las más importantes. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 7

10 4 CRITERIOS DE EVALUACIÓN Dos criterios para valorar un sistema domótico, el de usuario y el técnico: Criterios de usuario: - Posibilidad de realizar preinstalación del sistema en la fase de construcción - Facilidad de ampliación e incorporación de nuevas funciones - Simplicidad de uso - Grado de estandarización e implantación del sistema - Variedad de elementos de control y funcionalidades disponibles - Tipo de servicio posventa Criterios técnicos: - Tipo de arquitectura (topología si es distribuido) - Topología - Velocidad de transmisión - Medios de transmisión - Tipo de protocolo - Fabricación de elementos por terceras partes Para poder clasificar técnicamente un sistema de automatización de viviendas, es necesario tener claros una serie de conceptos técnicos, como son: tipo de arquitectura, medio de transmisión, velocidad de transmisión y protocolo de comunicaciones. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 8

11 4.1 Tipo de arquitectura La arquitectura de un sistema domótico, como la de cualquier sistema de control, especifica el modo en que los diferentes elementos de control del sistema se van a ubicar. Existen dos arquitecturas básicas: la arquitectura centralizada y la distribuida. Arquitectura centralizada Es aquella en la que los elementos a controlar y supervisar (sensores, luces, válvulas, etc.) han de cablearse hasta el sistema de control de la vivienda (PC o similar). El sistema de control es el corazón de la vivienda, en cuya falta todo deja de funcionar, y su instalación no es compatible con la instalación eléctrica convencional en cuanto que en la fase de construcción hay que elegir esta topología de cableado. Arquitectura distribuida Es aquella en la que el elemento de control se sitúa próximo al elemento a controlar. Hay sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a la capacidad de proceso, pero no lo son en cuanto a la ubicación física de los diferentes elementos de control y viceversa, sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a su capacidad para ubicar elementos de control físicamente distribuidos, pero no en cuanto a los procesos de control, que son ejecutados en uno o varios procesadores físicamente centralizados. En los sistemas de arquitectura distribuida que utilizan como medio de transmisión el cable, existe un concepto a tener en cuenta que es la topología de la red de comunicaciones. La topología de la red se define como la distribución física de los elementos de control respecto al medio de comunicación (cable). UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 9

12 4.2 Medio de transmisión En todo sistema domótico con arquitectura distribuida, los diferentes elementos de control deben intercambiar información unos con otros a través de un soporte físico (par trenzado, línea de potencia o red eléctrica, radio, infrarrojos, etc.). A continuación enumeramos los siguientes tipos de medios: Líneas de distribución de energía eléctrica. (Corrientes portadoras) Ej.: X-10 Si bien no es el medio más adecuado para la transmisión de datos, si es una alternativa a tener en cuenta para las comunicaciones domesticas dado el bajo coste que implica su uso, dado que se trata de una instalación existente. Para aquellos casos en los que las necesidades del sistema no impongan requerimientos muy exigentes en cuanto a la velocidad de transmisión, la línea de distribución de energía eléctrica puede ser suficiente como soporte de dicha transmisión. Soportes metálicos La infraestructura de las redes de comunicación actuales, tanto públicas como privadas, tiene en un porcentaje muy elevado, cables metálicos de cobre como soporte de transmisión de las señales eléctricas que procesa. En general se pueden distinguir dos tipos de cables metálicos: Par metálico Los cables formados por varios conductores de cobre pueden dar soporte a un amplio rango de aplicaciones en el entorno domestico. Este tipo de cables pueden transportar: Datos, voz o alimentación de corriente continua. Cables de pares Están formados por cualquier combinación de los tipos de conductores que a continuación se detallan: Cables formados por un solo conductor con un aislamiento exterior plástico, par de cables, par apantallado o par trenzado. Coaxial Un cable coaxial está constituido por un conductor cilíndrico externo que rodea a un cable conductor interno. Este último se mantiene a lo largo del eje axial mediante una serie de anillos aislantes regularmente espaciados o bien mediante un material sólido aislante. El conductor exterior se cubre con una cubierta o funda protectora. Este tipo de cables permite el transporte de las señales de video y señales de datos a alta velocidad. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 10

13 Fibra óptica La fibra óptica es el resultado de combinar la tecnología de semiconductores (que proporciona los materiales necesarios para las fuentes y los detectores de luz), y la tecnología de guiado de ondas ópticas (que proporciona el medio de transmisión, el cable de fibra óptica). Conexión sin hilos Infrarrojos El uso de mandos a distancia basados en transmisión por infrarrojos esta ampliamente extendida en el mercado residencial para el control a distancia de equipos de Audio y Vídeo. La comunicación se realiza entre un diodo emisor que emite una luz en la banda de IR (infrarrojos), sobre la que se superpone una señal, convenientemente modulada con la información de control, y un fotodiodo receptor cuya misión consiste en extraer de la señal recibida la información de control. Radiofrecuencias La introducción de las radiofrecuencias como soporte de transmisión en la vivienda, ha venido precedida por la proliferación de los teléfonos inalámbricos y sencillos mandos a distancia. 4.3 Velocidad de transmisión La velocidad a la cual se intercambian información los diferentes elementos de control de la red se denomina velocidad de transmisión 4.4 Protocolo de comunicación Una vez establecido el soporte físico y la velocidad de comunicaciones, un sistema domótico se caracteriza por el protocolo de comunicaciones que utiliza, que no es otra cosa que el idioma o formato de los mensajes que los diferentes elementos de control del sistema deben utilizar para entenderse unos con otros y que puedan intercambiar su información de una manera coherente. Dentro de los protocolos existentes, se pueden realizar una primera clasificación atendiendo a su estandarización: - Protocolos estándar. Los protocolos estándar son los que de alguna manera son utilizados ampliamente por diferentes empresas y estas fabrican productos que son compatibles entre sí. - Protocolos propietarios. Son aquellos que desarrollados por una empresa, solo ella fabrica productos que son capaces de comunicarse entre sí. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 11

14 4.5 Preinstalación domótica La preinstalación domótica es la posibilidad de dejar preparada una vivienda para que, con el menor número de actuaciones, se le pueda ofrecer una verdadera preinstalación domótica en una vivienda. Ha de ser compatible con la instalación eléctrica actual, de tal manera que el usuario pueda, en la fase de construcción, elegir la preinstalación domótica y la instalación eléctrica convencional y con posterioridad, realizar cualquier tipo de automatización en la vivienda. 4.6 Nodos Una red domótica de arquitectura distribuida está compuesta por una serie de nodos que se conectan unos con otros a través de un medio de comunicaciones. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 12

15 5 PROTOCOLOS Y ESTÁNDARES Inicialmente, la única manera de construir una instalación domótica era con el uso de sensores y actuadores que se unían, con una arquitectura centralizada, a un autómata o controlador que tenía embarcada toda la inteligencia que se exigía a la vivienda. Casi siempre eran sistemas propietarios, muy pocos flexibles y que hacían muy difícil y costoso el aumento de las prestaciones. Pero desde hace pocos años, gracias a la drástica bajada de los precios del hardware electrónico, es posible construir sensores y actuadores con inteligencia suficiente como para implementar "una red de área local" de control distribuido. Con una arquitectura distribuida y apoyándose en tecnologías o estándares como el X-10, el EIB, el Lonworks, entre otros, la domótica ha ganado en facilidad de uso e instalación, en flexibilidad, en modularidad y en interconectividad a la vez que ha reducido su coste, y ampliado el abanico de productos, de fabricantes y de instaladores que trabajan en este campo. En las arquitecturas distribuidas, las redes de control se pueden intercambiar los telegramas mediante cables de pares trenzados, con corrientes portadoras sobre la misma red de baja tensión (powerline communication), vía radio, por fibras ópticas, con cable coaxial, etc. Siendo las dos primeras las de uso más frecuente, el resto se usan allí donde alguna de sus prestaciones es imprescindible debido a los requisitos de la instalación. El objetivo de las siguientes páginas es realizar una presentación de las tecnologías, protocolos y sistemas propietarios que creo que más están contribuyendo a la industria de la domótica. Algunos de estos estándares o protocolos tendrán un papel clave en el desarrollo de la domótica mediante pasarelas residenciales. 5.1 Konnex El Konnex es la iniciativa de tres asociaciones europeas: 1. EIBA, (European Installation Bus Association), 2. Batibus Club International, 3. EHSA (European Home Systems Association), Con el objeto de crear un único estándar europeo para la automatización de las viviendas y oficinas. Se puede afirmar que el nuevo estándar tendrá lo mejor del EIB, del EHS y del Batibus y que aumentará considerablemente la oferta de productos para el mercado residencial. Respecto al nivel físico el nuevo estándar podrá funcionar sobre: Par trenzado (TP1): aprovechando la norma EIB equivalente. Par trenzado (TP0): aprovechando la norma Batibus equivalente. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 13

16 Ondas Portadoras (PL100): aprovechando la norma EIB equivalente. Ondas Portadoras (PL132): aprovechando la norma EHS equivalente. Ethernet: aprovechando la norma EIB.net. Radiofrecuencia: aprovechando la norma EIB.RF EIB El European Installation Bus o EIB es un sistema domótico desarrollado bajo los auspicios de la Unión Europea con el objetivo de contrarrestar las importaciones de productos similares que se estaban produciendo desde el mercado japonés y el norteamericano donde estas tecnologías se han desarrollado antes que en Europa. El objetivo era crear un estándar europeo, con el suficiente número de fabricantes, instaladores y usuarios, que permita comunicarse a todos los dispositivos de una instalación eléctrica como: contadores, equipos de climatización, de custodia y seguridad, de gestión energética y los electrodomésticos. El EIB está basado en la estructura de niveles OSI y tiene una arquitectura descentralizada. Este estándar europeo define una relación extremo a extremo entre dispositivos que permite distribuir la inteligencia entre los sensores y los actuadores instalados en la vivienda. Aunque en un principio sólo se contempló usar un cable de dos hilos como soporte físico de las comunicaciones, se pretendía que pudiera funcionar sobre los siguientes medios físicos: EIB.TP: sobre par trenzado. EIB.PL: Corrientes portadoras. EIB.net: usando el estándar Ethernet. EIB.RF: Radiofrecuencia. EIB.IR: Infrarrojo. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 14

17 En la práctica, sólo el par trenzado ha conseguido una implantación masiva mientras que los demás apenas han conseguido una presencia testimonial. El sistema EIB está diseñado en base a tres elementos: El bus es el medio físico que une a todos los componentes del sistema. Los sensores son los elementos que conectados a los dos hilos del bus convierten cualquier parámetro físico o actuación en una señal. Los actuadores, también conectados al bus, son los que reciben de los sensores las ordenes (telegramas) para actuar sobre el circuito de potencia a controlar. Por ser un sistema descentralizado todos los componentes deben tener incorporado un microprocesador, y además, al estar conectados por el bus, se debe establecer un protocolo de comunicación para evitar errores. Así los componentes envían un acuse de recibo indicando que la transmisión ha sido satisfactoria. Cada línea tiene su propia alimentación de corriente para los componentes, evitándose así que un fallo en una línea afecte al resto del sistema. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 15

18 Topología del EIB Línea es el conjunto de fuente y dispositivos de bus que cumpla las siguientes condiciones: Máximo número de dispositivos: 64. Máximo números de fuentes de alimentación: 2. Distancia máxima de la fuente al componente: 350m. Distancia máxima entre dos componentes: 700m. Longitud total máxima del conductor: 1000m. Zona es el conjunto de varía líneas hasta un máximo de 12. Se pueden unir varias zonas hasta un máximo de 15. Cada componente tiene una dirección física que depende de la zona y la línea a la que pertenezca y de su posición dentro de la línea. La dirección de grupo es la información utilizada por los sensores para mandar conectar los actuadores. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 16

19 Telegrama Cuando se produce un acontecimiento el componente envía un telegrama al bus. Una vez comprobada la correcta recepción del telegrama mediante la palabra comprobación, el componente receptor debe enviar el acuse de recibo correspondiente. EIBA La EIBA es una asociación de 113 empresas europeas, líderes en el mercado eléctrico, que se unieron en 1990 para impulsar el uso e implantación del sistema domótico EIB y que cubren el 80 % de la demanda de equipamiento eléctrico en Europa. Según la EIBA (EIB Association) hay unos 10 millones de dispositivos EIB instalados por todo el mundo, unas instalaciones, una gama de productos diferentes, 113 empresas asociadas a la EIBA, y instaladores cualificados. El Bus de Instalación Europeo (EIB) es apropiado para Oficinas, Hoteles, Escuelas, Polideportivos, Grandes, superficies, Ayuntamientos y Viviendas BatiBus La velocidad binaria es única (4800 bps) la cual es mas que suficiente para la mayoría de las aplicaciones de control distribuido. La instalación de este cable se puede hacer en diversas topologías: bus, estrella, anillo, árbol o cualquier combinación de estas. Lo único que hay que respetar es no asignar direcciones idénticas a dos dispositivos de la misma instalación. Este protocolo está totalmente abierto, lo puede implementar cualquier empresa interesada en introducirlo en su cartera de productos. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 17

20 La filosofía es que todos los dispositivos BatiBUS escuchen lo que han enviado cualquier otro, todos procesan la información recibida, pero sólo aquellos que hayan sido programados para ello, filtrarán la trama y la subirán a la aplicación empotrada en cada dispositivo. BatiBUS ha conseguido la certificación como estándar europeo CENELEC. Existen una serie de procedimientos y especificaciones que sirven para homologar cualquier producto que use esta tecnología como compatible con el resto de productos que cumplen este estándar EHS El estándar EHS (European Home System) ha sido otro de los intentos que la industria europea (año 1984), auspiciada por la Comisión Europea, de crear una tecnología que permitiera la implantación de la domótica en el mercado residencial de forma masiva. El resultado fue la especificación del EHS en el año Esta basada en una topología de niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se especifican los niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación. Desde su inicio han estado involucrados los fabricantes europeos más importantes de electrodomésticos de línea marrón y blanca, las empresas eléctricas, las operadoras de telecomunicaciones y los fabricantes de equipamiento eléctrico. El EHS viene a cubrir, por prestaciones y objetivos, la parcela que tienen el CEbus norteamericano y el HBS japonés y rebasa las prestaciones del X-10 que tanta difusión ha conseguido en EEUU. EHSA La asociación EHSA (EHS Association) es la encargada de emprender y llevar a cabo diversas iniciativas para aumentar el uso de esta tecnología en las viviendas europeas. Además se ocupa de la evolución y mejora tecnológica del EHS y de asegurar la compatibilidad total entre fabricantes de productos con interface EHS. En la actualidad, se están usando o se están desarrollando los siguientes medios físicos: " PL-2400: Ondas Portadoras a 2400 bps. " TP0: Par Trenzado a 4800 bps (idéntico a nivel físico del BatiBUS). " TP1: Par Trenzado/Coaxial a 9600 bps. " TP2: Par Trenzado a 64 Kbps. " IR-1200: Infrarrojo a 1200 bps. " RF-1100: Radiofrecuencia a 1100 bps. Este protocolo está totalmente abierto, esto es, cualquier fabricante asociado a la EHSA puede desarrollar sus propios productos y dispositivos que implementen el EHS. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 18

21 5.2 X-10 X-10 es uno de los protocolos más antiguos que se están usando en aplicaciones domóticas. Fue diseñado en Escocia entre los años 1976 y 1978 con el objetivo de transmitir datos por las líneas de baja tensión a muy baja velocidad (60 bps en EEUU y 50 bps en Europa) y costes muy bajos. Al usar las líneas de eléctricas de la vivienda, no es necesario tender nuevos cables para conectar dispositivos. El protocolo X-10, en sí, no es propietario, es decir, cualquier fabricante puede producir dispositivos X-10 y ofrecerlos en su catálogo, eso sí, está obligado a usar los circuitos del fabricante escocés que diseño esta tecnología. Aunque los circuitos integrados que implementan el X-10 tienen un royalty muy bajo (casi simbólico). Gracias a su madurez (más de 20 años en el mercado) y a la tecnología empleada los productos X-10 tienen un precio muy competitivo de forma que es líder en el mercado norteamericano residencial y de pequeñas empresas (realizadas por los usuarios finales o electricistas sin conocimientos de automatización). Se puede afirmar que el X-10 es ahora mismo la tecnología más asequible para realizar una instalación domótica no muy compleja. Habrá que esperar a que aparezcan los primeros productos E.mode (easy mode) del protocolo KNX (ver página Konnex) en Europa para comprobar si el X-10 tendrá competencia real, por precio y prestaciones, en el mercado europeo. El principio fundamental de este sistema consiste en la posibilidad de coexistir por el mismo conductor señales eléctricas de corriente alterna de diferente naturaleza: la señal de información (120 khz) y la señal de la corriente eléctrica de alimentación (50 Hz). La señal de 50 Hz alimenta a los receptores de la instalación y la de 120 khz se filtra y recibe información por parte de los receptores que están conectados a la red. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 19

22 La señal Las transmisiones X-10 se sincronizan con el paso por el cero de la corriente alterna. Los interfaces proporcionan una onda cuadrada de 50 Hz con un retraso máximo de 100 s desde el paso por el cero de la corriente alterna. El máximo retraso entre la entrada de la curva de la señal y la de cruce por la salida de los pulsos de 120 khz es de 50 s. La información se codifica en binario, de tal manera que un binario se representa por un pulso de 120 khz durante 1 milisegundo, y el 0 binario se representa por la ausencia de ese pulso. Estos pulsos de 1 ms se transmiten 3 veces para que coincidan con el paso por 0 en las tres fases de un sistema trifásico. En la figura se muestra el diagrama temporal de estos pulsos en relación con el paso por 0 de la corriente alterna. El telegrama Se trata de que todos los elementos conectados reciban la señal pero que sólo uno actúe. Este elemental protocolo de actuación constituye el telegrama que es un conjunto de bits que responden a una estructura. El telegrama consta de las siguientes partes: Código de inicio: será siempre 1110 (4 bits). Código de casa: H1 H2 H3 H4 (4bits) de la A.P. Código de número o función: D1 D2 D4 D8 D16 (4 bits). UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 20

23 Estructura general del sistema En la siguiente figura podemos observar un esquema general de la arquitectura del sistema. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 21

24 5.3 CEBus En 1984 varios miembros de la EIA norteamericana (Electronics Industry Association) llegaron a la conclusión de la necesidad de un bus domótico que aportara más funciones que las que aportaban sistemas de aquella época (ON, OFF, DIMMER xx, ALL OFF, etc.). Especificaron y desarrollaron un estándar llamado CEBus (Consumer Electronic Bus). En Europa una iniciativa similar en prestaciones, y en el mercado al que va dirigido, es el protocolo EHS (European Home System). Se contemplan diversos protocolos para que los electrodomésticos y equipos eléctricos puedan comunicarse usando ondas portadoras por las líneas de baja tensión, par trenzado con tele alimentación, cable coaxial, infrarrojo, radiofrecuencia y fibra óptica. 5.4 LonWorks/LonTalk Echelon presentó la tecnología LonWorks en el año 1992, desde entonces multitud de empresas viene usando esta tecnología para implementar redes de control distribuidas y automatización. Aunque está diseñada para cubrir los requisitos de la mayoría de las aplicaciones de control, sólo ha tenido éxito de implantación en edificios de oficinas, hoteles o industrias. Pero, debido a su coste, los dispositivos Lonworks no han tenido una implantación masiva en los hogares, sobretodo porque existían otras tecnologías de prestaciones similares mucho más baratas. El éxito que ha tenido Lonworks en instalaciones profesionales, en las que importa mucho más la fiabilidad y robustez que el precio, se debe a que desde su origen ofrece una solución con arquitectura descentralizada, extremo-a-extremo, que permite distribuir la inteligencia entre los sensores y los actuadores instalados en la vivienda y que cubre desde el nivel físico al nivel de aplicación de la mayoría de los proyectos de redes de control. 5.5 SCP El Simple Control Protocol (SCP) es un intento del gigante Microsoft, y de la mayor empresa del mundo (por facturación y empleados) General Electric, de crear un protocolo para redes de control que consiga afianzarse como la solución, de facto, en todas las aplicaciones de automatización de edificios y viviendas. Se trata de poner un poco de orden en la oferta que hay ahora mismo en EEUU para estos temas (X-10, CEBus, Lonworks, otros) y auspiciar la convergencia de todos estos hacia un protocolo abierto y libre de royalties, además de desarrollar un conjunto de productos que cubran todos los requisitos de automatización de las viviendas. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 22

25 Hay que destacar, como usa las líneas eléctricas como medio de transmisión, que no es necesario cablear la vivienda para acceder a los dispositivos. Está previsto el desarrollo de varios medios físicos adicionales como el par trenzado y la radiofrecuencia. En Europa no se usa el CEBus, por lo que Microsoft, una vez que el SCP haya dado los primeros pasos en el mercado norteamericano, intentará que algún protocolo europeo (que tenga bien resuelto el acceso al medio físico por ondas portadoras) se una a la causa. 5.6 BACnet El BACnet es un protocolo norteamericano para la automatización de viviendas y redes de control que fue desarrollado bajo el patrocinio de una asociación norteamericana de fabricantes e instaladores de equipos de calefacción y aire acondicionado. El principal objetivo, a finales de los años ochenta, era la de crear un protocolo abierto (no propietario) que permitiera interconectar los sistemas de aire acondicionado y calefacción de las viviendas y edificios con el único propósito de realizar una gestión energética inteligente de la vivienda. Actualmente existe incluso una iniciativa en Europa para la estandarización del BACnet como herramienta para el diseño, gestión e interconexión de múltiples redes de control distribuido. 5.7 HAVi El HAVi es una iniciativa de los fabricantes más importantes de equipos de entretenimiento (Grundig, Hitachi, Panasonic, Philips, Sharp, Sony, Thomson y Toshiba) para crear un estándar que permita compartir recursos y servicios entre los televisores, los equipos HiFi, los vídeos, etc... El HAVi es una especificación software que permite la interoperabilidad total entre estos. El HAVi ha sido desarrollado para cubrir las demandas de intercambio de información entre los equipos de audio y vídeo digitales de las viviendas actuales. Es independiente del firmware usado en cada uno de los equipos, de hecho, el HAVi tiene su propio sistema operativo (independiente del HW y de la función del equipo) que ha sido especialmente diseñado para el intercambio rápido y eficaz de grandes paquetes de datos de audio y vídeo (streaming). 5.8 Jini El Jini es una tecnología, desarrollada por Sun Microsystems, que proporciona un mecanismo sencillo para que diversos dispositivos conectados a una red puedan colaborar y compartir recursos sin necesidad de que el usuario final tenga que planificar y configurar dicha red. En esta red de equipos, llamada "comunidad", cada uno proporciona a los demás los servicios, controladores e interfaces necesarios para distribuirse de forma óptima la carga de trabajo o las tareas que deben realizar. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 23

26 La arquitectura está totalmente distribuida, ningún dispositivo hace el papel de controlador central o maestro de la red, todos pueden hablar con todos y ofrecer sus servicios a los demás. No es necesario el uso de un PC central que controle a los dispositivos conectados a la red. Igualmente, el Jini puede funcionar en entornos dinámicos donde la aparición o desconexión de dispositivos sea constante. Desde su lanzamiento y presentación en el año 1999 por Sun Microsystems, la tecnología Jini no está teniendo el éxito que se esperaba de ella. 5.9 UpnP Universal Plug&Play (UPnP) es una arquitectura SW abierta y distribuida que permite a las aplicaciones de los dispositivos conectados a una red intercambien información y datos de forma sencilla y transparente para el usuario final, sin necesidad de que este tenga que ser un experto en la configuración de redes, dispositivos o sistemas operativos. Hay que destacar que el UPnP, que ha sido auspiciado por Microsoft, persigue los mismos objetivos que el Jini de Sun Microsystems. Se trata de facilitar la vida al usuario final o al administrador de red de una empresa. Por ejemplo, al conectar una nueva impresora, con el logo UPnP o Jini, a una red de ordenadores la impresora proporciona todos los controladores a los demás dispositivos que lo necesiten. Lo mismo sucedería con un escáner, una cámara de fotos digital, una videoconsola, etc HAPI El grupo de trabajo Home API (HAPI) es una iniciativa de diferentes empresas cuyo objetivo es la especificación y desarrollo de un conjunto de servicios e interfaces de programación (Application Program Interface (API)) orientados hacia la automatización y control de las viviendas. Es una iniciativa puramente orientada al software y que probablemente permitirá que diversas aplicaciones de control puedan funcionar sobre diferentes protocolos, destacan el CEBus, el Lonworks, el HAVi e incluso las redes de área local basadas en Ethernet y TCP/IP. El HAPI está auspiciado por diversos fabricantes de PCs y por el gigante Microsoft el cual esta desarrollando la que será la primera implementación del HAPI, como es lógico, para sus sistema operativo Windows, aunque la organización se ha comprometido a desarrollarlo en breve para otros sistemas operativos TCP/IP El Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) más que un protocolo es un conjunto de protocolos que definen una serie de reglas y primitivas que permiten a máquinas muy heterogéneas intercambiarse información mediante el uso de redes área local (LANs), redes de área extensa (WAN), UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 24

27 redes públicas de telefonía, etc. Por ejemplo, Internet en sí mismo está construido sobre el protocolo TCP/IP. Por este motivo, el protocolo TCP/IP no está optimizado para su uso en redes de control distribuido en aplicaciones de automatización de viviendas u oficinas. A pesar de las razones técnicas que se acaban de mencionar, pronto veremos como aparecerán dispositivos domóticos y electrodomésticos con conexiones TCP/IP en el mercado. La razón es muy sencilla TCP/IP está siendo usado en infinidad de ordenadores y aplicaciones, de forma que ha conseguido un volumen de negocio tal que ha hecho de este protocolo la herramienta ideal para asegurar la ínterconectividad total entre máquinas en cualquier parte del mundo. El coste de embarcar un microcontrolador como este dentro de la caldera de la calefacción, del aire acondicionado, del horno, apenas incrementará el coste final de estos equipos ZigBee ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, de 25 empresas la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste. Destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Philips y Motorola que trabajan para crear un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de domótica, automatización de edificios (inmótica), control industrial, periféricos de PC y sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth Otros estándares EIA-776: Tecnología = Par trenzado. CEBUS/EIB estándar de encaminamiento de comunicaciones. HBS: Tecnología = Coaxial / par trenzado. Un grupo de empresas japonesas y el gobierno nipón ha desarrollado su propio estándar. WECA: Tecnología = Radio frecuencia. WECA certifica la interoperabilidad con Ethernet, asegurando transmisiones 10 Mbps. HomeConnex: Tecnología = Radio frecuencia, coaxial e infrarrojos. HomeConnex es una red de entretenimiento casera que conecta los dispositivos multimedia y la TV, video, cadena, etc. NoNewsWires: Tecnología = Radio frecuencia, corriente. Mediante tecnología CeBUS, permite utilizar la red eléctrica para comunicar ordenadores a altas velocidades. SHAREWARE: Tecnología = Radiofrecuencia. Permite la integración total de los elementos multimedia de una casa mediante radio. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 25

28 6 REDES La era Internet está cambiando la forma en que la gente usa sus ordenadores y demás dispositivos electrónicos. Cada vez más los usuarios necesitan herramientas que les permitan intercambiar y transferir información de unos equipos a otros. Las redes de datos residenciales implican la distribución de audio, video y datos entre dispositivos de la vivienda, asegurando la interoperatividad. En esta sección se exponen las tecnologías disponibles más adecuadas para crear redes de datos que permitan intercambiar información entre dispositivos de una vivienda. Aunque algunas de ellas no se pueden considerar que ofrezcan las prestaciones de lo que se entiende por una Red de Área Local pura (LAN), intercambio de datos entre dos o más dispositivos, se detallan en estas páginas por considerar que tendrán una aplicación muy relevante en las viviendas inteligentes. 6.1 LAN, WLAN, PAN y WPAN En el ámbito de las redes residenciales se definen los términos: LAN: red de área local, por ejemplo Ethernet. WLAN: red de área local inalámbrica. Por ejemplo, WiFi. PAN: red de área personal. WPAN: red de área personal inalámbrica. Por ejemplo, Bluetooth. Atendiendo a la necesidad de instalar nuevos cables o no, se puede clasificar en 3 categorías: Nuevos cables: son aquellas que obligan a instalar una infraestructura cableada en las viviendas, destacan Ethernet, IEEE 1394, USB 2.0 o incluso las redes de fibra óptica. Aunque el coste de instalación es elevado por contra son las que necesitan menos inversión en equipamiento y accesorios (tarjetas de acceso o drivers), de hecho muchos ordenadores y dispositivos vienen por defecto equipados con esas interfaces. Sin nuevos cables: son aquellas que usan la infraestructura actual de la vivienda para crear la red de área local. Destacan la HomePNA, la cual usa el par telefónico instalado para proporcionar una toma de datos allí donde hay una toma telefónica, y la HomePlug, la cual usa la red de baja tensión de la vivienda para que cada enchufe sea, potencialmente, una toma de red. Inalámbricas o vía radio: destacan Bluetooth (PAN), HomeRF y las diferentes versiones del estándar IEEE (el más conocido es el b conocido como WiFi). Proporcionan movilidad total en la vivienda pero su ancho de banda está limitado en proporción al coste de las mismas. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 26

29 6.2 Ethernet Es, sin lugar a dudas, la tecnología más extendida y de mayor difusión en todo el mundo para la implementación de redes de área local. Ethernet gestiona el intercambio de datos entre ordenadores pudiendo usar diferentes protocolos como TCP/IP, Netware, AppleTalk, VINES, etc. Pero el más extendido es la pila de protocolos TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol). Se trata de un modelo práctico, implementado en la actualidad a nivel mundial, siendo el soporte no sólo para la intercomunicación de todo tipo de redes, si no también la base sobre la que se ha desarrollado esa gran red mundial de comunicaciones: Internet. El modelo de referencia TCP/IP y la pila de protocolo TCP/IP hacen que sea posible la comunicación entre dos computadores, desde cualquier parte del mundo, a casi la velocidad de la luz. TCP/IP es compatible con cualquier sistema operativo y con cualquier tipo de hardware, proporcionando una abstracción total del medio. 6.3 USB Si estás usando un ordenador adquirido después del año 1999, es seguro que tenga detrás un par de pequeños conectores rectangulares. Estos son el interface físico del Universal Serial Bus (USB) de tu ordenador y de multitud de dispositivos como teclados, ratones, altavoces, impresoras, lectores externos de CDs, modems, routers, webcams, cámaras fotográficas digitales, escáner, entre otros. El USB es un estándar que permite conectar hasta 127 dispositivos partiendo de un único conector como el de los ordenadores. Con una velocidad de 12 Mbps (Versión 1.1), el objetivo del USB es paliar las carencias del puerto serie RS-232 (setenta veces más lento (115 Kbps)) y del puerto paralelo (manguera con muchos hilos de longitud limitada), además ambos puertos sólo permiten conectar un dispositivo al mismo tiempo. El USB, con una manguera flexible de pocos hilos consigue velocidades muy por encima de las que se pueden transmitir con ambos tipos de puertos. En la actualidad los dispositivos del mercado vienen provistos con USB 2.0, capaces de llegar a velocidades de 480 Mbps permitiendo la conexión de prácticamente cualquier dispositivo, desde videocámaras y discos duros externos. La nueva tecnología es compatible con la versión 1.0 y usa los mismos cables y conectores. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 27

30 6.4 HomePNA HomePNA (Home Phoneline Networking Alliance) es una alianza de varias empresas que trabajan en el desarrollo de una tecnología que permita implementar redes de área local usando la instalación telefónica de una vivienda. El objetivo es construir una red de área local sin nuevos cables ni obras que permita unir ordenadores, impresoras y otros recursos como hubs específicos, routers ADSL o pasarelas residenciales. Se ha estimado que los europeos, cuando necesiten construir una red de área local sin hacer obras ni pasar nuevos cables, recurrirán a tecnologías inalámbricas como el WiFi y en menor medida, a tecnologías de ondas portadoras por la red de baja tensión como el HomePlug. 6.5 HomePlug HomePlug es una alianza de varias empresas que trabajan en el desarrollo de una tecnología que permita implementar redes de área local usando la instalación eléctrica de baja tensión de las viviendas, oficinas o industrias, evitando así la instalación de nuevos cables. Al igual que las recientes tecnologías inalámbricas, el HomePlug ofrece al cliente del producto final la posibilidad de conectar en red estos dispositivos sin necesidad de instalar nuevos cables en las viviendas u oficinas, evitando así las engorrosas obras. 6.6 Bluetooth Bluetooth es un enlace radio de corto alcance que aparece asociado a las Redes de Área Personal Inalámbricas, o sus siglas en ingles WPAN (Wireless Personal Area Network). Este concepto hace referencia a una red sin cables que se extiende a un espacio de funcionamiento personal o POS (personal operating space) con un radio de hasta 10 metros. Desde el punto de vista de la domótica, el Bluetooth proporcionará el acceso inalámbrico, por ejemplo, a los menús de la centralita de alarma, la pasarela residencial o similar desde el teléfono móvil o la agenda de mano PDA. Gracias a sus prestaciones también podremos ver como aparecerán webcams con interface Bluetooth evitando así la instalación de nuevos cables por la vivienda. UPV/EHU Vitoria/Gasteiz 28