SISTEMA DOMÓTICO PARA UNA CASA INTELIGENTE

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1 SISTEMA DOMÓTICO PARA UNA CASA INTELIGENTE Autor: Marcos Peirotén, Rodrigo Alejandro de Directores: Sánchez Miralles, Álvaro. Boal Martín-Larrauri, Jaime Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas 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. Figura 1: Arquitectura posible de un sistema domótico [2] 1

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

3 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 de energía. Debido a ello, este proyecto se ha dedicado a cumplir los siguientes objetivos: Figura 3: Estructura del proyecto global 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. Figura 4: Arquitectura general del sistema 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 3

4 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 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: (a) TCD (b) TCI-4F (c) TCI-F (d) TCA (e) TCC Figura 5: Tarjetas desarrolladas en el proyecto 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 4

5 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. 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. Figura 6: Interfaz de control 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: [2] Casadomo, domótica: [3] Empresa SmartThings: [4] Empresa INSTEON: Palabras clave: domótica, automatización del hogar, WiFi, ZigBee, casa inteligente. 5

6 HOME AUTOMATION SYSTEM FOR A SMARTHOME PROJECT ABSTRACT 1. Introduction Since mid-20 th 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 lowconsumption 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. Figure 1: Possible architecture of the system [2] 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. 6

7 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 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]: Figura 2: Examples of companies in the home automation sector 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: 7

8 Wireless network with control devices development. Sensor and actuator integrations. Interaction software with the user using a PC. Energy system integration. Figura 3: Global project structure 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. Figure 4: General system architecture 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). 8

9 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): (a) TCD (b) TCI-4F (c) TCI-F (d) TCA (e) TCC Figure 5: Controller boards designed in this project 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. 9

10 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. Figure 6: Control interface 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: [2] Casadomo, domotics: [3] SmartThings company: [4] INSTEON company: 10