Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica
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- Francisco Javier Olivares Gómez
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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Diseño de una vivienda unifamiliar domótica Por: Marco Alonso Segura Camacho Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2009
2 ii Diseño de una vivienda unifamiliar domótica Por: Marco Alonso Segura Camacho Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: M.Sc. Jhonny Cascante Profesor Guía Ing. Javier Cerdas Fallas Profesor lector Ing. Eduardo Varela Soto Profesor lector ii
3 RECONOCIMIENTOS A mi familia por todo su apoyo. Al profesor M.Sc. Jhonny Cascante por brindarme la oportunidad de trabajar en este proyecto. iii
4 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vi ÍNDICE DE TABLAS...vii RESUMEN... viii CAPÍTULO 1: Introducción Justificación Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...4 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Conceptos básicos sobre domótica Automatización Domótica Clasificación de los sistemas domóticos Servicios a controlar Ahorro y uso eficiente de la energía Seguridad de la vivienda y las personas Confort y calidad de vida Integración de las comunicaciones Topologías de red Topología en anillo Topología en estrella Topología en bus Topología en árbol Ventajas y desventajas de cada tipo de topología Tipo de arquitectura Arquitectura centralizada Arquitectura descentralizada Arquitectura distribuida Medio de transmisión de datos Corrientes portadoras Cables constituidos por materiales metálicos Fibra óptica Conexión sin hilos...25 iv
5 2.6 Tipo de control Control por autómatas Control por computador Centrales domóticas Protocolo de comunicaciones Protocolos estándar Protocolos propietarios Normativas, especificaciones técnicas y disposiciones legales Estándar IEEE Zigbee Especificación AENOR EA0026 (España)...36 CAPÍTULO 3: Diseño de una vivienda unifamiliar domótica Descripción de los requerimientos del diseño Características de la vivienda Áreas a automatizar Diseño Protocolo de comunicaciones Controlador Topología de red Tipo de arquitectura Dispositivos necesarios para el diseño Disposición de los dispositivos dentro de la vivienda Especificación AENOR EA Vulnerabilidades y limitaciones de este diseño...52 CAPÍTULO 4: Conclusiones y recomendaciones Conclusiones Recomendaciones...56 BIBLIOGRAFÍA...58 APÉNDICES...59 v
6 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2. 1 Topología en anillo...17 Figura 2. 2 Topología en estrella...18 Figura 2. 3 Topología en bus...18 Figura 2. 4 Topología en árbol...19 Figura 2. 5 Arquitectura centralizada...21 Figura 2. 6 Arquitectura descentralizada...22 Figura 2. 7 Arquitectura distribuida...23 Figura 3. 1 Plano de la vivienda...40 Figura 3. 2 Arquitectura del diseño...46 Figura 3. 3 Disposición de los dispositivos dentro de la vivienda...49 vi
7 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2. 1 Ventajas y desventajas de cada topología...20 Tabla 3. 1 Dispositivos necesarios para el diseño...49 vii
8 RESUMEN Este proyecto presenta una investigación preliminar sobre la teoría básica y la normativa nacional e internacional relativa al tema de la domótica, propone además con base en lo investigado el diseño de una vivienda unifamiliar domótica. Se estudian los elementos que conforman un sistema de control inteligente, los aspectos que determinan las distintas clasificaciones de las instalaciones domóticas, topología de red, tipo de arquitectura, protocolo de comunicaciones, medio de transmisión de datos, servicios a controlar y sistema de control utilizado. Se propone un diseño de una vivienda unifamiliar domótica apegado a la especificación española AENOR EA0026, utilizando el protocolo de corrientes portadoras X-10 tomando como base el plano estructural de una vivienda existente e indicando el controlador, ubicación y asignación de direcciones de los dispositivos. viii
9 1 CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Justificación Muchas de las actividades realizadas a diario en el hogar, son posibles gracias a la ayuda de equipos eléctricos y mecánicos que facilitan su realización, sin embargo las necesidades del ser humano aumentan conforme avanza la tecnología. Día tras día se requiere de nuevos sistemas automatizados que realicen las tareas que consideramos rutinarias. En sus inicios los sistemas de control eran exclusivamente diseñados para el sector industrial, pero rápidamente y gracias en gran medida al desarrollo tecnológico alcanzado durante las dos guerras mundiales, se comenzaron a explorar otras áreas en las cuales se hizo imprescindible la utilización de sistemas precisos y que trabajen de manera automática. Hoy en día es imposible imaginar un ritmo de vida y un avance tecnológico tan acelerado, sin la ayuda de los sistemas automatizados que controlan la mayor parte de procesos industriales y del hogar, es decir, la automatización se ha vuelto una parte indispensable en el desarrollo humano y tecnológico. Las necesidades son cada vez mayores y requieren de sistemas de control más sofisticados.
10 2 Por otro lado, el desarrollo de la Inteligencia Artificial, abrió una amplia gama de nuevas posibilidades de desarrollo tecnológico, es así como se comenzó a hablar de sistemas inteligentes, que son capaces de tomar decisiones basados en algoritmos, parámetros y entradas del sistema. El concepto domótica surge precisamente del deseo de tener una casa inteligente, en otras palabras, un sistema que permita automatizar actividades en la vivienda, brindar un mayor confort y calidad de vida, generar un ahorro económico y energético, mejorar los sistemas de seguridad y comunicación, entre otros. No pretende reemplazar al ser humano como erróneamente se suele interpretar, simplemente busca simplificarle la vida. El estudio de la domótica inicia en la década de 1980 y sus mayores desarrolladores e impulsores han sido Japón y Estados Unidos, en las últimas décadas Europa se ha unido de manera significativa a este desarrollo. En nuestro país, la domótica es una tecnología que para la gran mayoría de la población es totalmente desconocida, gran parte de los costarricenses no conocen el significado de esta palabra, quizá algunos cuando se les menciona el término vivienda inteligente se hacen una idea, pero para otros continúa siendo algo ignorado.
11 3 Este desconocimiento por parte de la población se debe a que dicha tecnología en sus inicios presentaba costos económicos elevados, por lo cual, solo una pequeña parte de la población podía acceder a ella ya que se consideraba un lujo. A pesar de que hoy en día familias de clase media y media alta ya poseen viviendas domóticas en nuestro país, la realidad es que el tema continúa siendo un tanto exclusivo. Aparte del factor económico, existe otro atenuante que contribuye a la falta de conocimiento acerca del tema y es la escasa, casi nula, difusión que se le ha dado a la domótica en el país. Partiendo de lo anteriormente mencionado, resulta de gran importancia realizar un recorrido por los fundamentos que rigen la teoría de los sistemas domóticos, conocer la amplia variedad de aplicaciones en el hogar, los alcances y limitaciones de dichos sistemas; así como las normativas que existen tanto a nivel nacional como internacional con respecto a la domótica. Este proyecto se justifica precisamente en el hecho de querer presentar de forma investigativa la teoría básica relacionada con los sistemas domóticos y a partir de los conocimientos adquiridos durante la investigación, poder realizar un diseño sencillo de una vivienda unifamiliar domótica. Además de estudiar la teoría, fundamentos y aplicaciones de la domótica, resulta de vital importancia para poder realizar el diseño, conocer las normativas que rigen tanto a
12 nivel nacional como internacional la domótica, para que de esta forma el diseño se encuentre apegado a dichas normativas Objetivos Objetivo general Realizar el diseño de una vivienda unifamiliar domótica Objetivos específicos Investigar acerca de la teoría del tema de domótica y su aplicación. Estudiar la teoría básica de los sistemas que son automatizados en viviendas inteligentes (energía, seguridad, temperatura y otros). Investigar sobre la normativa nacional e internacional que hay en el tema de domótica. Llevar a cabo un diseño domótico de una vivienda unifamiliar de un piso y con un área máximo de 150 metros cuadrados. 1.3 Metodología La metodología a seguir durante la elaboración de este proyecto es la siguiente:
13 5 Recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, ya sean libros de texto, revistas o artículos publicados y recursos de Internet, entre otros, acerca de la teoría básica del tema de la domótica y su aplicación. Así como de los sistemas que pueden ser automatizados y controlados mediante los sistemas domóticos en una vivienda. Llevar a cabo una investigación bibliográfica y una serie de entrevistas a personas que se relacionan con el tema de la domótica y que conozcan acerca de la normativa tanto nacional como internacional que rige el diseño, instalación y utilización de dichos sistemas. A partir de toda la información recopilada durante la etapa de investigación y utilizando los conocimientos en control automático y diseño de sistemas adquiridos durante el transcurso de la carrera, se realizará un aporte personal que consiste en el desarrollo de un diseño sencillo de una vivienda unifamiliar domótica.
14 6 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico En este capítulo se explica una serie de términos que es necesario comprender para la adecuada lectura del presente trabajo. Para poder realizar el diseño de una vivienda domótica, es necesario tomar en cuenta muchos aspectos relativos a las necesidades de los usuarios, el aspecto económico, la flexibilidad deseada del diseño, entre otros. Se presenta un repaso general sobre las clasificaciones de las viviendas domóticas, con el propósito de generar una idea preliminar del tema. 2.1 Conceptos básicos sobre domótica Automatización La automatización es la ciencia que estudia y aplica métodos cuyo objetivo es sustituir a un operador humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea física o mental previamente programada, para facilitar la vida de los seres humanos. Uno de los aspectos más importantes dentro de la automatización lo constituye el proceso de programación de los automatismos. Un programa es una serie de pasos estructurados (algoritmo) que se debe seguir para realizar una actividad; dicho algoritmo se codifica de tal forma que un dispositivo en específico sea capaz de decodificarlo y ejecutarlo.
15 7 Existen varios dispositivos programables que se pueden utilizar para llevar a cabo el diseño e implementación de un sistema automatizado, entre ellos destacan las computadoras, los microcontroladores y los autómatas programables (PLC) Domótica El término domótica proviene de la unión de la palabra latina domus que significa casa y el sufijo griego tica que quiere decir que funciona por sí mismo. Entonces la domótica se refiere a un sistema o conjunto de sistemas de control que permiten automatizar actividades de la vivienda, tales como abrir y cerrar persianas, encender y apagar luces, controlar la seguridad del hogar, gestionar el ahorro energético, entre otros. A continuación, se citan las definiciones de los elementos principales de los sistemas domóticos: Sistema de control Una vivienda domótica está gobernada por un sistema de control el cual se encarga de tomar las decisiones necesarias sin la intervención de un ser humano, dicho sistema de control debe contar con medios de comunicación con el ambiente que se desea controlar, esta comunicación se logra por medio de los sensores y actuadores.
16 8 Sensores Un sensor es un dispositivo encargado de percibir o detectar el cambio en una señal específica del medio y convertirla en una señal eléctrica que es enviada a un sistema de control para ser evaluada. Dicha señal eléctrica puede ser analógica (valor continuo de voltaje o corriente) o digital (valor binario, encendido o apagado) dependiendo del tipo de salida deseada. Actuadores Son los dispositivos, generalmente electromecánicos, encargados de efectuar la acción determinada por el controlador. Es decir, se encargan de convertir la señal eléctrica enviada por el controlador y convertirla en una de otro tipo (mecánica, térmica, entre otros). Por ejemplo, son los dispositivos que se encargan de abrir o cerrar una válvula en un sistema hidráulico Clasificación de los sistemas domóticos Un sistema domótico se puede clasificar tomando en cuenta diversos criterios, ya sea de acuerdo con la topología de red a utilizar, tipo de arquitectura, medio de transmisión de datos empleado, protocolo de comunicaciones utilizado, tipo de servicio que se desea
17 brindar, tipo de control, entre otros. A continuación, se describirá la clasificación según los criterios citados. 9 Topologías de red Se refiere a la forma en que se encuentran distribuidos los sensores, actuadores y el controlador con respecto al medio de transmisión de las señales (cable). Existen diversas topologías entre las que destacan: Topología en estrella. Topología en bus. Topología en árbol. Topología en anillo. Tipo de arquitectura De acuerdo con la ubicación y cantidad de controladores con respecto a los elementos externos del sistema (sensores y actuadores), se tienen los siguientes tipos de arquitecturas: Arquitectura centralizada.
18 10 Arquitectura distribuida. Arquitectura mixta. Medio de transmisión de datos El medio de transmisión de datos es el medio físico a través del cual los elementos del sistema domótico intercambian información. De acuerdo con este criterio se tienen los siguientes sistemas de transmisión: Corrientes portadoras. Cables constituidos por materiales metálicos. Fibra óptica. Conexión inalámbrica. Protocolo de comunicaciones Se refiere al lenguaje o idioma con el cual se deben comunicar los elementos del sistema domótico para poder entenderse entre sí, el protocolo define la forma que van a tener los mensajes de comunicación para que cada elemento de control sea capaz de enviar y recibir mensajes de una forma coherente y eficaz. Generalmente se tienen dos tipos de protocolos:
19 11 Protocolos estándar. Protocolos propietarios. Servicios a controlar Una de las grandes ventajas que presentan las viviendas domóticas es que su campo de acción es muy amplio, es decir, existe una gran cantidad de actividades y servicios dentro de una casa que pueden ser automatizados, de acuerdo con el tipo de servicio se tiene la siguiente clasificación: Ahorro y uso eficiente de la energía. Seguridad de la vivienda y las personas. Confort y calidad de vida. Comunicaciones. Tipo de control Uno de los aspectos más importantes a tomar en cuenta en la etapa de diseño, es definir cuáles serán los elementos del sistema encargados de ejercer el control del mismo. Desde esta perspectiva se tienen los siguientes tipos de controladores para un sistema domótico:
20 12 Control por autómatas. Control por computador. Centrales domóticas. 2.2 Servicios a controlar Uno de los aspectos más importantes a la hora de realizar el diseño de una vivienda domótica, es definir cuáles son los servicios que se desean automatizar; en este trabajo se ha decidido clasificar los servicios en cuatro grupos, a saber: ahorro y uso eficiente de la energía, seguridad de la vivienda y las personas, integración de las comunicaciones y confort y calidad de vida Ahorro y uso eficiente de la energía Uno de los beneficios más prácticos para los usuarios de las viviendas domóticas consiste en la gestión eficiente de la energía que se puede alcanzar gracias a la utilización de estos sistemas. Aprovechar tarifas eléctricas bajas El sistema domótico puede ser programado para que algunos de los electrodomésticos que consumen mayor cantidad de energía eléctrica funcionen durante las noches, ya que las tarifas de energía nocturnas son más reducidas. Y evitar la utilización de
21 electrodomésticos de manera innecesaria durante las horas pico, donde el precio por Kilowatt-hora es más elevado. 13 Iluminación Mediante la utilización de sensores de movimiento o sensores infrarrojos, el sistema domótico es capaz de determinar la presencia o ausencia de personas dentro de una estancia de la vivienda, además, mediante sensores se determina la cantidad de luz presente en la habitación y de esta forma el sistema es capaz de realizar una gestión de la iluminación de forma adecuada. Calefacción y aire acondicionado En países donde los inviernos son muy fríos, se utiliza la calefacción para equilibrar la temperatura dentro de la vivienda, además, el aire acondicionado se ha vuelto de uso común para combatir el calor durante las épocas de verano. Es posible programar el sistema tanto para la época de invierno como para la de verano de tal forma que sea capaz de determinar si es necesario o no, encender o apagar la calefacción o el aire acondicionado, en función de la temperatura a la que estén calibrados los termostatos de la habitación y de sensores colocados en las ventanas para determinar si estas se hallan abiertas o no. De esta forma se vuelve más eficiente el uso de la energía suministrada por estos dispositivos.
22 Seguridad de la vivienda y las personas Situaciones que ponen en peligro la infraestructura de la vivienda, los bienes y la integridad de los habitantes de la misma, son factores que es posible controlar de manera inteligente mediante un sistema domótico. Protección antirrobo Los sistemas domóticos cuentan con sensores altamente sofisticados que permiten determinar la presencia de intrusos o la apertura de puertas y ventanas, el sistema puede ser activado únicamente durante las noches o cuando la familia anda de vacaciones y contar con dispositivos de alarma tanto dentro de la vivienda como también de manera remota. Otro dispositivo que se puede utilizar para proteger la vivienda durante las vacaciones o períodos fuera del hogar, consiste en el simulador de presencia, es decir, se programa el sistema de iluminación de la vivienda de tal forma que exista un patrón de encendido y apagado de las luces de cada una de las habitaciones, esto con el fin de simular la presencia de los habitantes de la casa. Protección contra incendios, fugas de gas y de agua, entre otros Mediante sensores de humo, el sistema domótico es capaz de detectar una posible amenaza de incendio y a partir de esto activar mecanismos de riego de agua y salidas acústicas, luminosas o telefónicas para alertar al usuario y a la central de bomberos sobre la
23 15 amenaza. Para las fugas de gas y de agua, también se utilizan sensores que se activan cuando detectan una variación en algún parámetro químico o físico dentro de la vivienda y al igual que los detectores de humo, el sistema de control activa los actuadores correspondientes para atacar el problema e informar a los usuarios Confort y calidad de vida El objetivo fundamental de la automatización es hacerle la vida más sencilla y cómoda a los seres humanos, en este aspecto, la domótica brinda una amplia variedad de ventajas que se detallan a continuación. Regulación de la temperatura y la iluminación La regulación de estos parámetros puede realizarse de dos maneras. En la primera se sigue una lógica binaria, es decir de encendido y apagado únicamente, pero existen sistemas más complejos capaces de variar la intensidad de la luz y el sistema de calefacción o aire acondicionado de manera gradual, buscando el máximo confort para el usuario de acuerdo con las condiciones del ambiente dentro de la habitación. Además, en lo que se refiere a regulación de temperatura, otra de las posibilidades disponibles es encender de manera remota antes de llegar a la vivienda el aire acondicionado o la calefacción, para que de esta forma al llegar el usuario a la misma, la temperatura haya llegado al nivel deseado dentro de la vivienda.
24 16 Automatización de tareas repetitivas Tareas que se realizan de acuerdo con un horario establecido, pueden ser programadas para que se realicen de forma automática, tales como conectar y desconectar circuitos a ciertas horas, abrir y cerrar persianas por la mañana y noche respectivamente, activar los sistemas de riego del jardín, preparar el café y el desayuno, encender la ducha, activar y desactivar el aire acondicionado, entre otros. Acceso remoto Es posible tener control de la mayor parte de los circuitos dentro de la vivienda de manera remota, mediante señales infrarrojas, por módem o Internet. Se puede tener control sobre el estado de los sensores y receptores, alerta sobre algún tipo de situación riesgosa dentro de la vivienda y la facilidad de activar mecanismos de forma remota Integración de las comunicaciones Se refiere principalmente a la integración de los servicios telefónicos y de Internet. Entre los servicios que se pueden obtener destacan: permitir conexiones telefónicas de manos libres, aviso y desvío de llamadas, servicio de videoconferencia, envío de mensajes por teléfono, controlar la casa desde Internet, utilizar sistema de megafonía para avisos, entre muchos otros.
25 Topologías de red La distribución física de los elementos de control (sensores, actuadores y controladores) con respecto al elemento de conducción de las señales (cable) determina diferentes tipos de topologías que se pueden utilizar en una vivienda domótica. Por ejemplo están las topologías bipunto, anillo, estrella, malla, bus, árbol, entre otras Topología en anillo En este tipo de topología los elementos de control se encuentran ubicados de tal forma que se interconectan formando un anillo cerrado. Se puede decir que en este tipo de topología los elementos se encuentran conectados en serie, ya que la información pasa por todos ellos. Figura 2. 1 Topología en anillo Topología en estrella Cuando los sensores y actuadores están unidos entre sí a través de un control principal, la topología de red se denomina en estrella.
26 18 Figura 2. 2 Topología en estrella Topología en bus La misma línea o bus de comunicación es compartida por todos los elementos dentro de la red. Para permitir el control sobre cada elemento y evitar conflictos con el manejo del bus, dichos elementos están identificados mediante una dirección única. Además este tipo de topología permite la comunicación de forma simultánea entre dos elementos. Figura 2. 3 Topología en bus
27 Topología en árbol Es una topología que surge de la mezcla de las topologías anteriormente mencionadas, en especial de la unión de la topología en estrella y la de bus. Dicha unión permite la formación de una jerarquía entre los elementos que conforman la red. Figura 2. 4 Topología en árbol
28 Ventajas y desventajas de cada tipo de topología Topología Ventajas Desventajas Control sencillo. Vulnerabilidad a fallos (si falla un elemento, falla toda la red). Anillo Mínimo cableado. Dificultad para añadir nuevos elementos, es necesario detener funcionamiento de toda la red. Facilidad para añadir nuevos Si falla el controlador principal toda elementos a la red. la red se ve afectada. Estrella El fallo de cualquier elemento no central no afecta al resto. Necesita una gran cantidad de cableado. Facilidad para añadir y eliminar elementos de la red. Produce un cuello de botella en el elemento central. Los elementos deben tener un grado de inteligencia. Bus Árbol No necesita de un controlador principal. La velocidad de transmisión es elevada. Depende de las topologías que se estén uniendo. Necesita mecanismos de control para manejar el acceso de los elementos al bus. Depende de las topologías que se estén uniendo Tabla 2. 1 Ventajas y desventajas de cada topología
29 Tipo de arquitectura De acuerdo con el modo en que se ubican los elementos de control del sistema domótico, este se puede clasificar en tres tipos de arquitectura: centralizada, descentralizada y distribuida Arquitectura centralizada El sistema de control es el núcleo de la vivienda, los demás elementos (sensores y actuadores) se encuentran cableados hasta este núcleo. Todos los sensores reúnen la información y se la envían al controlador para que tome las decisiones y las envíe a los actuadores. El sistema de control es el corazón de la vivienda, ante cuyo fallo todo deja de funcionar. Figura 2. 5 Arquitectura centralizada
30 Arquitectura descentralizada En este tipo de arquitectura todos los elementos del sistema presentan inteligencia, esto los hace totalmente independientes y no necesitan de un controlador principal. La comunicación de los elementos del sistema debe realizarse a través de un bus compartido. Figura 2. 6 Arquitectura descentralizada Arquitectura distribuida El dispositivo controlador se coloca cerca de la magnitud que va a controlar y por lo tanto no necesita cablearse hasta el actuador que va a accionar. Su propósito es mejorar las dos arquitecturas anteriores, ya que en este tipo de arquitectura no existe un único elemento de control, sino un conjunto de controladores que se reparten las funciones del sistema.
31 23 Figura 2. 7 Arquitectura distribuida 2.5 Medio de transmisión de datos En todo sistema domótico, los distintos elementos que lo conforman se comunican entre sí a través de un medio físico (par trenzado, red eléctrica o fibra óptica) o por medio de una conexión sin hilos (infrarrojos, radio frecuencia, bluetooth, entre otros) Corrientes portadoras Este método utiliza las líneas de distribución eléctrica presentes en la vivienda como medio de transmisión de datos. Además de las líneas de distribución de energía eléctrica, es posible utilizar la línea telefónica. Su principal desventaja es que la línea de distribución de energía eléctrica no es el medio idóneo para la transmisión de datos, debido al ruido; por lo cual cuenta con poca fiabilidad y muy baja velocidad de transmisión de datos. Entre sus ventajas, cabe mencionar que es uno de los medios más económicos, ya que se trata de una instalación que de cualquier forma debe realizarse en la vivienda, de hecho, este método
32 24 normalmente es el que se utiliza cuando se desea instalar un sistema domótico en una instalación doméstica ya existente. Para la utilización de corrientes portadoras se vuelve necesaria la instalación de filtros para limpiar las señales que llegan a la unidad de control, ya que la red eléctrica puede ensuciar la señal de control que se necesita para el adecuado funcionamiento del sistema Cables constituidos por materiales metálicos Los cables más utilizados en la actualidad para constituir el soporte de la transmisión de señales eléctricas son los de cobre. En este sentido se suelen agrupar en dos tipos: Cable coaxial: Corresponde a un circuito físico asimétrico, formado por un conductor filiforme dispuesto en el eje longitudinal de otro conductor en forma de tubo, manteniéndose el carácter coaxial mediante un material diélectrico que separa ambos conductores. Con este tipo de cable es posible transmitir señales de datos y video a alta velocidad. Par metálico: Están formados por varios conductores de cobre, entre estos se encuentran el par trenzado, el par apantallado y cables formados por un único conductor aislado. Mediante estos cables es posible la transmisión de datos, voz y alimentación eléctrica.
33 Fibra óptica Utiliza la tecnología de guiado de ondas ópticas; la fibra está constituida por un material con características de dieléctrico transparente a través del cual se transmite la radiación infrarroja, formado por un núcleo con un índice de refracción menor del que posee el revestimiento que rodea al núcleo. Constituye uno de los medios idóneos para la transmisión de datos; entre sus principales ventajas se pueden mencionar: Gran fiabilidad de transmisión de datos. Alta velocidad de transmisión. Inmunidad a las interferencias electromagnéticas. Gran ancho de banda para la transmisión de datos. A nivel doméstico, las distancias entre los puntos de la instalación es ilimitada. A pesar de la gran cantidad de ventajas que presenta la fibra óptica para la transmisión de datos en un sistema domótico, no es el medio más utilizado para este propósito, ya que presenta un precio muy elevado Conexión sin hilos Principalmente se utilizan dos tipos de medios de transmisión inalámbricos, la radiofrecuencia y los infrarrojos.
34 26 Radiofrecuencia: presenta una gran flexibilidad, pero tiene la gran desventaja de que es muy sensible a las perturbaciones electromagnéticas producidas por los equipos eléctricos y demás medios de transmisión. Infrarrojos: dada la gran desventaja que presenta la radiofrecuencia como medio de transmisión, el uso de mandos a distancia a través de infrarrojos es más ampliamente utilizado en el mercado. Para este tipo de comunicación se utiliza un diodo emisor de infrarrojo y como receptor se coloca un fotodiodo. Al tratarse de un medio de transmisión óptico, el mismo no es afectado por las perturbaciones electromagnéticas, otras de sus ventajas son el alto grado de comodidad y flexibilidad que permite, así como su amplio rango de aplicación. 2.6 Tipo de control El control de una vivienda domótica puede estar centralizado en un único dispositivo de control o distribuido en distintos elementos encargados de controlar cada uno una actividad específica de la vivienda. Dependiendo de la arquitectura elegida, ya sea centralizada o distribuida, se tienen diversos tipos de elementos controladores para un sistema domótico Control por autómatas En los primeros sistemas domóticos el dispositivo empleado como elemento controlador era un PLC (controlador lógico programable). Dichos dispositivos cuentan con
35 27 un diseño muy robusto y compacto, por lo cual generalmente se utilizan en la industria en el control de máquinas y procesos de fabricación. Un PLC cuenta con varias entradas tanto analógicas como digitales, posee memoria RAM para el almacenamiento de datos y una memoria EEPROM en la cual se encuentran algunos programas y el sistema operativo del controlador Control por computador En este tipo de sistemas se tiene un computador principal encargado de supervisar toda la instalación y procesar todos los datos adquiridos a través de los sensores. La principal desventaja que presenta es su alto costo, ya que al precio del sistema computador hay que agregarle el de las tarjetas que se utilizan para la adquisición de datos; además, generalmente debe contarse con un computador secundario que esté disponible en caso de que el computador principal falle. Pero este tipo de sistema de control presenta también algunos aspectos atractivos, tales como la distribución de las tareas de control en software específico para cada una ellas, dicho software trabaja en red para conectarse con otros elementos de la misma. Así como una interfaz de usuario amigable y fácil de utilizar Centrales domóticas Es el sistema más ampliamente utilizado en instalaciones domóticas, debido a que fue específicamente diseñado para esta aplicación. A diferencia de los sistemas controlados por computador, el precio de una central domótica normalmente es bastante asequible.
36 28 Éstas centrales están formadas por una serie de módulos de entrada y salida en cantidad variable dependiendo de la cantidad de sensores y actuadores presentes en la vivienda, se encuentra conectado a un computador que permite una interfaz con el usuario agradable, generalmente con pantalla táctil y acceso a la mayoría de dispositivos de control por parte del usuario. 2.7 Protocolo de comunicaciones Así como para los seres humanos el lenguaje es uno de los aspectos clave en su desarrollo, en los sistemas domóticos el protocolo de comunicaciones se convierte generalmente en la principal característica distintiva de los mismos. Se refiere al lenguaje o formato de mensajes que utilizan los elementos del sistema domótico para comunicarse y es de vital importancia ya que es necesario que todos los dispositivos utilicen el mismo protocolo para que de esta forma no existan conflictos ni dificultades de comunicación. Existe gran cantidad de protocolos disponibles para sistemas domóticos, este ha sido uno de los inconvenientes que ha tenido la domótica para su desarrollo (la falta de estandarización), los cuales se pueden clasificar en dos grupos, protocolos estándar y propietarios.
37 Protocolos estándar Son protocolos abiertos, es decir existe una organización encargada de la creación del mismo, pero luego el protocolo es publicado y puede ser utilizado por terceras personas; la ventaja de este tipo de protocolos es que pueden ser utilizados por dispositivos pertenecientes a diferentes empresas, lo cual hace que exista una compatibilidad entre ellos; esta característica permite que dentro de una misma instalación se pueden utilizar elementos desarrollados por distintos fabricantes sin ningún problema. Su principal desventaja es que generalmente son protocolos más caros que los propietarios. Algunos de los sistemas que utilizan este tipo de protocolos son: EIB, EHS, X-10, Lonworks, Batibus, BACnet, entre otros. EIB (European Installation Bus) Es un estándar orientado a la gestión técnica de edificios, se rige bajo las directrices de una asociación independiente denominada EIBA (European Installation Bus Association), en la cual se encuentran enmarcados más de una centena de fabricantes, entre los que destacan: Siemens, Legrand, Bosch y Simon.
38 30 Sus principales características son: Utiliza una topología de bus, por lo cual todos sus elementos están conectados a una sola línea, lo cual permite facilidades para realizar una ampliación o modificación del sistema. Al ser un estándar, es posible utilizar dispositivos de una gran variedad de fabricantes distintos y dichos elementos serán compatibles entre sí. Al estar todos los elementos comunicados mediante la línea de bus, facilita y reduce las labores de mantenimiento. Permite cuatro medios de transmisión: cable de baja tensión (más utilizado), por corrientes portadoras, radiofrecuencia e infrarrojos. Es un sistema descentralizado, por lo cual cada componente tiene incorporado un controlador independiente y cada elemento se programa de manera individual mediante un computador. X-10 Es uno de los protocolos más antiguos, diseñado por la empresa PICO electronics en Escocia. Al tener más de 20 años en el mercado, sus productos presentan precios muy competitivos, lo cual lo convierte en la tecnología más asequible para realizar una instalación domótica sencilla. Algunas de las empresas fabricantes de dispositivos que utilizan este estándar son: RadioShack, Sears y BSR.
39 31 Sus principales características son: Es un sistema descentralizado que utiliza como medio de transmisión la red eléctrica, lo cual facilita la instalación, ya que no se necesita cablear nuevamente la vivienda. Presenta un ancho de banda reducido comparado con otros sistemas que utilizan medios de transmisión más eficientes, por lo cual es utilizado en viviendas unifamiliares sencillas principalmente. Es un estándar flexible, ampliable, de instalación y manejo sencillo. LonWorks (Local Operating Network) Estándar desarrollado por la Corporación Echelon en 1992; es similar al EIB pero con mucha mayor difusión en Estados Unidos que en Europa. Utiliza el protocolo Lontalk para redes de control. Sus principales características son: Utiliza un sistema de control distribuido basado en un conjunto de nodos independientes interconectados.
40 32 Una de sus ventajas es que se puede aplicar a cualquier tipo de medio de transmisión, ya sea fibra óptica, corrientes portadoras, cable coaxial o de par trenzado y radiofrecuencia. Gran velocidad de transmisión, orientado a medianas y grandes instalaciones. Presenta mucha robustez y una alta fiabilidad de transmisión de datos Protocolos propietarios Corresponden a los protocolos que han sido desarrollados por una sola empresa y generalmente solo ésta puede fabricar dispositivos que sean capaces de comunicarse entre sí y ser utilizados en el sistema domótico. La ventaja que presentan es que son más económicos que los protocolos estándar, pero su principal inconveniente es que se depende exclusivamente de los productos de una única empresa, así como de su soporte técnico. Algunos ejemplos de sistemas que utilizan este tipo de protocolos son: Simon Vis, Domaike, Amigo, entre otros. Simon Vis (Vivienda Inteligente de Simon) Desarrollado por Simon S.A. Sus principales características son:
41 33 Sistema centralizado, por cableado. Orientado a la gestión de pequeñas y medianas instalaciones. Utiliza pulsadores eléctricos como interfaz de usuario. Basado en un PLC. Arquitectura en forma de estrella. Modular y ampliable. Flexible y versátil. Domaike Desarrollado por la empresa española Aike Tecnologies de l Habitat, S.L. Algunas de sus características son: Integra todas las funciones en una sola unidad de control Puede utilizar varias tecnologías de transmisión de datos simultáneamente, tales como: corrientes portadoras, cableado dedicado, red telefónica, radiofrecuencia e infrarrojos. Amigo Estándar propietario, propiedad de la empresa Schneider Electric España, S.A. Sus principales características son:
42 34 Sistema descentralizado. Arquitectura de bus. Protocolo de comunicaciones utilizado es el Batibus. 2.8 Normativas, especificaciones técnicas y disposiciones legales Como se ha mencionado en capítulos anteriores, la domótica, a pesar de no ser una tecnología totalmente nueva, ha tenido problemas en cuanto a estandarización y precisamente este ha sido uno de los mayores impedimentos para su crecimiento definitivo. Además, estos sistemas de control inteligente no se han desarrollado por igual en los diferentes continentes y países del mundo. Es por ello que no existe una normativa mundialmente aceptada que trate exclusivamente sobre domótica. El único estándar reconocido a nivel mundial es el Zigbee, el cual está basado en el estándar IEEE sobre redes inalámbricas de área personal. En algunos países de Europa tales como España existen esfuerzos por parte de instituciones tanto gubernamentales como no gubernamentales para crear sus propias normas directamente dirigidas a las instalaciones domóticas. En nuestro país no existe una norma ni disposición legal vinculada específicamente con el tema del diseño e instalación domótica, el principal documento que se utiliza es el mismo para cualquier tipo de diseño industrial o residencial, el NEC (Código Eléctrico Nacional, de los Estados Unidos).
43 Estándar IEEE Es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de área personal con tasas de transmisión de datos bajas. La actual revisión del estándar se aprobó en Es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre Zigbee Zigbee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica diseñado por la Zigbee Alliance. Zigbee está basado en el estándar IEEE sobre redes inalámbricas de área personal (WPAN, por sus siglas en ingles) y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. Zigbee constituye un sistema ideal para redes domóticas, debido a que está diseñado para reemplazar la proliferación de sensores/actuadores individuales, posibilidad de distintas topologías de red (estrella, árbol, malla), tiene un bajo consumo y es fácil de integrar (se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica) además viene a cubrir la necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, bajo consumo, para redes Wireless de pequeños paquetes de información, seguro y fiable.
44 36 En la industria, ZigBee se está utilizando para la próxima generación de fabricación automatizada, con pequeños transmisores en cada dispositivo, lo que permite la comunicación entre dispositivos a un ordenador central. Algunas de sus características principales son: Velocidades comprendidas entre 20 Kbps y 250 Kbps. Rango de alcance: 10 m 75 m. Utilización de las bandas libres ISM de 2.4 GHz (Mundial), 868 MHz (Europa) y 915 MHz (Estados Unidos). Una red ZigBee puede estar formada por hasta 255 nodos. Gestión automatizada de direcciones de dispositivos. Recolección centralizada de datos Especificación AENOR EA0026 (España) La AENOR (Asociación Española de Normalización), es la entidad española encargada de preparar normas para todos los aspectos de sistemas electrónicos domésticos y en edificios. La especificación AENOR EA0026: Instalaciones de sistemas domóticos en viviendas. Prescripciones generales de instalación y evaluación, tiene como objetivos:
45 37 Impulsar el desarrollo del mercado domótico en España. Aclarar la confusión existente en el mercado acerca de la domótica. Establecer unos requisitos mínimos que deba cumplir un sistema domótico. Posible certificación de instalaciones domóticas. De acuerdo con esta especificación, los sistemas domóticos se pueden clasificar según tres condiciones: a) Medio de transmisión: - Corrientes portadoras - Cables específicos - Señales radiadas b) Arquitectura: - Centralizados - Distribuidos - Híbridos c) Nivel de domotización : - Nivel 1 (Mínimo) - Nivel 2 (Medio) - Nivel 3 (Alto)
46 38 Estos últimos tres niveles de domotización se asignan a una instalación domótica dependiendo del tipo y cantidad de dispositivos de control, sensores y actuadores utilizados en la vivienda. Otro punto importante de esta especificación, es que exige unos requisitos mínimos de instalación de acuerdo con el nivel de domotización que presenta el diseño y además cuenta con un proceso de verificación y certificación de los dispositivos y la instalación domótica.
47 39 CAPÍTULO 3: Diseño de una vivienda unifamiliar domótica A partir de la información investigada y presentada en los capítulos anteriores, en este capítulo se desarrolla el diseño de una vivienda unifamiliar domótica. Dicho diseño consiste en especificar, de acuerdo con el tipo de vivienda que se desea automatizar, la topología de red, tipo de arquitectura, protocolo de comunicaciones y demás características que se van a utilizar para diseñar el sistema domótico, todo esto apegado a la especificación AENOR EA0026 descrita en el capítulo anterior. 3.1 Descripción de los requerimientos del diseño Características de la vivienda Se desea diseñar un sistema domótico para una vivienda unifamiliar que presenta las siguientes características: Extensión aproximada de 150m 2 Dos dormitorios Dos baños y dos sanitarios Una sala de estar Una cocina y un comedor Un garaje
48 40 Un patio pequeño Se trata de una construcción existente (es decir, se desea instalar el sistema domótico a una casa que ya tiene cierto tiempo de construida) Se presenta a continuación el plano de la vivienda: Figura 3. 1 Plano de la vivienda Áreas a automatizar Las principales actividades que se desean automatizar mediante este diseño son:
49 41 Seguridad Se desea contar con una vivienda segura, con un sistema de vigilancia las 24 horas, que sea posible programarlo cuando la familia salga de la casa. Además debe contar con un sistema de alarma, es decir en caso de que alguna situación ponga en riesgo la seguridad de la vivienda (robo, incendio o fuga de gas), el sistema domótico debe ser capaz de alertar a los habitantes de la casa y a las autoridades correspondientes, tanto si están dentro como fuera de la misma. Ahorro y uso eficiente de la energía En este aspecto lo que más se desea aprovechar es el ahorro en el sistema de iluminación y del aire acondicionado, características que a su vez brindan confort a los usuarios, mediante un sistema automatizado el cual a través de sensores de movimiento y de temperatura sea capaz de determinar cuáles luminarias y sistemas de aire acondicionado deben estar activos y cuáles no. Confort Contar con un sistema de iluminación y ventilación inteligente, así como la posibilidad de programar tareas rutinarias, tales como el riego de los jardines, el encendido automático de la ducha y la activación del coffe maker por las mañanas.
50 42 Comunicaciones Se desea tener una interfaz usuario sistema muy amigable (fácil de utilizar y entender para el usuario). Preferiblemente a través de un computador, así como la posibilidad de monitorear y programar actividades de manera remota a través de internet o de una llamada telefónica. 3.2 Diseño Con base en las características que presenta la vivienda y el tipo de áreas que se quieren automatizar, se realiza el diseño del sistema domótico más conveniente para este tipo de vivienda, para ello se divide el diseño de acuerdo a cada una de las clasificaciones presentadas en el capítulo anterior, detallando la elección realizada, las razones, ventajas y desventajas tomadas en consideración, recomendaciones y previsiones para esta vivienda en particular Protocolo de comunicaciones Debido a que cada protocolo de comunicaciones posee sus propias características en términos de topología de red, arquitectura, medio de transmisión de información y tipo de sistema de control, entre otros, lo primero que se debe definir en un diseño es el protocolo de comunicaciones que se va a emplear.
51 43 En este punto es de suma importancia tener en consideración que se trata de una vivienda ya construida y que se desea implementarle un sistema domótico, por lo cual dicha vivienda no cuenta con una previsión en este sentido para algún tipo de cableado especial o instalación de equipo domótico. Para el diseño de esta vivienda unifamiliar domótica se utilizará el protocolo X-10, debido principalmente a que se trata de un protocolo estándar, lo cual permite una mayor flexibilidad y compatibilidad entre dispositivos de distintos fabricantes, además tomando en consideración el aspecto económico este protocolo no es reciente, por lo cual sus productos presentan precios competitivos. Uno de los aspectos más importantes a considerar es que el protocolo X-10 utiliza como medio de transmisión la red eléctrica y en este caso al tratarse de una vivienda construida con anterioridad, representa una gran ventaja, ya que evita tener que volver a cablear la vivienda. Por otro lado, debido a que es una vivienda unifamiliar de una extensión reducida, el ancho de banda limitado que presentan los sistemas basados en X-10, no es una desventaja considerable en este diseño Controlador Debido a la facilidad que representa la adquisición y utilización de un computador para la mayoría de personas hoy en día, así como por tratarse de una interfaz conocida y amigable con el usuario, se decide controlar el sistema domótico de la vivienda mediante un sistema computador, específicamente mediante el software HAL2000, el cual viene a ser para la vivienda lo que el sistema operativo representa para la computadora es decir, la
52 44 computadora que tenga instalado dicho software será la encargada de controlar cada uno de los periféricos (sensores y actuadores) del sistema domótico. HAL2000 (Home Automated Living) Se trata de un paquete de software que permite integrar el control de varios sistemas del hogar, incluyendo iluminación, radio y televisión, termostatos y aire acondicionado, dispositivos de seguridad, acceso remoto, entre otros. Una de las ventajas que presenta este sistema para el desarrollo de este diseño es que se basa en el protocolo X-10. Los requerimientos y equipo necesario para el diseño basado en este software se detallan a continuación: Computador con las siguientes características: Sistema operativo Windows 95 o superior (Service Pack 4), Procesador Pentium de 233MHz o superior, 64MB de RAM, 40MB de espacio libre en el disco duro, modem compatible, tarjeta de sonido compatible Una interfaz X-10 entre la computadora y la red eléctrica Un cable con conector para puerto serial Dispositivos (sensores y actuadores) eléctricos compatibles con el protocolo X-10
53 45 Al adquirir el software HAL2000, este trae consigo la interfaz X-10, el cable para puerto serial y un módulo de lámpara X-10. La instalación de HAL2000 en el computador es muy sencilla, simplemente se inserta el CD-ROM y se siguen las instrucciones que el sistema le despliega en la pantalla. Una vez instalado el siguiente paso es conectar un extremo del cable al puerto serial del computador y el otro a la interfaz X-10, la cual posteriormente debe enchufarse en un tomacorriente cercano. La función de dicha interfaz es traducir los mensajes que envía el software HAL2000 a través de la computadora, en el protocolo X-10 que llegará a todos los dispositivos conectados a la red eléctrica de la vivienda. Uno de los atractivos principales que presenta HAL2000 es que los dispositivos X- 10 pueden ser controlados mediante la voz, esto se realiza a través de un micrófono conectado al computador o mediante un teléfono inalámbrico o celular Topología de red Debido a que se cuenta con un único controlador principal, el sistema computador con el software HAL2000, la topología de red que se decide utilizar para este diseño es la topología de bus, si bien físicamente sería difícil identificar dicha topología como tal debido a que se trata de la red eléctrica de la vivienda, lógicamente es posible comprender esta elección, en la cual cada dispositivo del sistema posee una dirección, las instrucciones enviadas por el controlador viajan a través del bus a todos los elementos llevando consigo
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