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1 Automatización del hogar: Estándares, ventajas y aplicaciones Chrystian David Duarte Ramírez, Álvaro Enrique Torres Ruge Ingeniería en Telecomunicaciones, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá D.C. Colombia Resumen- El uso generalizado de las TICs 1 hoy en día ha permitido que casi ningún proceso o actividad humana quede exento de su aplicación, encontrando particulares y muy innovadores enfoques en la automatización de los hogares. En este documento se abordará el contexto en el cual esta disciplina tecnológica está inmersa, así como de los estándares internacionales que garantizan una experiencia de hábitat dentro de una edificación inteligente. Adicionalmente se hará referencia a algunas aplicaciones cliente para móviles u otros desarrollos de acceso vía web. Palabras clave Domótica, Automatización, arquitecturas de red, EIB, X10, KNX. I. Introducción [1]El término domótica, que proviene del latin domus (casa, domicilio), y del griego autoμatoç, automática 2, se remonta a los años setenta, cuando en Estados Unidos aparecieron los primeros dispositivos de automatización de edificios basados en la aún hoy exitosa tecnología X-10. Estas incursiones primerizas se alternaron con la llegada de nuevos sistemas de calefacción y climatización orientados al ahorro de energía, en clara sintonía con las crisis del petróleo. Los primeros equipos comerciales se limitaban a la colocación de sensores y termostatos que regulaban la temperatura ambiente. La disponibilidad y proliferación de la electrónica de bajo coste favoreció la expansión de este tipo de sistemas, despertando así el interés de la comunidad internacional por la búsqueda de la casa ideal. Los ensayos con electrodomésticos avanzados y otros dispositivos automáticos condujeron a comienzos de los años noventa, junto con el desarrollo de los PC y los sistemas de 1 Tecnologías de la Información y las Comunicaciones 2 Aunque existen autores que opinan que deriva de informática tal como se puede apreciar en la definición que ofrece el diccionario de la Real Academia Española. cableado estructurado, al nacimiento de aplicaciones de control, seguridad y comunicaciones que fueron el inicio de la domótica actual. La domótica se aplica a los sistemas y dispositivos que proporcionan algún nivel de automatización dentro de la casa, siendo desde un simple temporizador para encender y apagar una luz o dispositivo a una hora determinada, hasta los más complejos sistemas capaces de interactuar con cualquier elemento eléctrico del hogar. La vivienda domótica es por tanto aquella que integra un conjunto de automatismos en materia de electricidad, electrónica, robótica, informática y telecomunicaciones, con el objetivo de asegurar al usuario un aumento del confort, la seguridad, el ahorro energético, las facilidades de comunicación y las posibilidades de entretenimiento. Una mejor idea de lo anterior se expone en las ventajas de vivir en un hogar digital que se citan a continuación: [2]Climatización y consumo energético. Programación del encendido y apagado de todo tipo de dispositivos (calderas, aire acondicionado, toldos, luces, etc.), según las condiciones ambientales. Acomodación a los planes de tarifas reducidas (tarifa nocturna). Contadores electrónicos que informan del consumo energético. Entretenimiento y confort. Conexión a Internet desde cualquier punto. Juegos en red. Visión de canales de TV (televisión) en cualquier habitación. Control de los dispositivos eléctricoselectrónicos del hogar, desde un PC, por Internet, o desde un teléfono móvil Seguridad. Configuración de procedimientos de avisos en caso de intrusión o avería (alarma técnica).

2 Instalación de cámaras y micrófonos para ver lo que ocurre. Control del acceso a la vivienda. Servicios comunitarios. Control de la iluminación de las zonas comunes. Manejo de alarmas de seguridad y alarmas técnicas. Servicios Web para la comunidad de propietarios. Al ser una disciplina tecnológica, el control puede ser ejercido desde algún control especial (e.g. PC, laptop, un móvil, Smartphone) gracias a tecnologías alámbricas o inalámbricas. Existen varias opciones de software (libre o pago) y hardware (computadoras y electrodomésticos) listos para redes caceras o internet. Ejemplos de software desarrollado específicamente para su uso en aplicaciones de automatización son las distribuciones Linux para domótica [3]OpenDom y Linux MCE (Media Center Edition). El primero 3, ofrece al usuario control de dispositivos eléctricos y electrónicos, videovigilancia, acceso remoto, para poder controlar electrodomésticos, ser alertado por eventos, etc; intenta unificar las distintas tecnologías existentes en la domótica actual, entre otros, upnp, X10, EIB, con el protocolo TCP/IP. Por otra parte MCE 4, es una distribución linux basada en Kubuntu, funciona tanto como Media Center y como centro de control domótico. Puesto que es de gran interés conocer la tecnología y los estándares internacionales subyacentes en la creación y diseño de una red domótica así como la infraestructura que la conforma, en la segunda sección del documento se abarcara esta temática en la que se incluyen los principales sistemas para automatizar viviendas como lo son X-10, EIB, BatiBUS, etc. En la tercera sección se presentarán las aplicaciones standalone (ejecutadas por el dispositivo cliente) así como otras a las que se pueden acceder vía web, las cuales permiten observar los desarrollos realizados para las distintas plataformas y sistemas operativos de dispositivos móviles (e.g. Android, ios, Windows Phone), y que sirven como punto de referencia para la posterior programación de este tipo de software. II. Estándares y tecnologías en domótica Con el fin de identificar los componentes esenciales que hacen parte de una red domótica, se empezará por señalar los dispositivos que toman parte en la misma, los cuales son básicamente los siguientes: Pasarela residencial- es el dispositivo que interconecta los distintos dispositivos destinados a la automatización de la edificación, haciendo de interfaz común de todos ellos hacia las redes externas. Permite también el control local o remoto de todos los dispositivos del edificio. El sistema (o sistemas) de control- es el dispositivo encargado de controlar los dispositivos destinados a la automatización, según los parámetros de activación establecidos por el usuario. Los sensores- encargados de recoger la información de los diferentes parámetros gestiona el sistema de control centralizado (e.g. temperatura ambiente, humedad, la presencia de un intruso) y enviarla a la pasarela residencial para que ejecute automáticamente las tareas programadas. Se encuentran distribuidos por toda la edificación. Los actuadores- son los dispositivos utilizados por el sistema de control centralizado, para modificar el estado de ciertos equipos o instalaciones (el aumento o la disminución de la calefacción o el aire acondicionado, el corte del suministro de gas o agua, el envío de una alarma a una centralita de seguridad, etc.). Se encuentran distribuidos por toda la edificación. En la figura 1 se representan los anteriores componentes. 3 Más información en 4 Más información al respecto en Fig. 1. Automation Home o domótica

3 Puesto que los sistemas domóticos pueden clasificarse de varias formas en función de la topología y de los medios de transmisión, en este apartado se hará una breve reseña a los mismos. Según la forma en que la red una los distintos puntos o lugares se dispone de lo que se puede denominar arquitectura de control de red que pueden ser: sistemas centralizados, sistemas descentralizados y sistemas distribuidos o híbridos. Los sistemas centralizados se caracterizan por tener un único nodo que recibe toda la información de las entradas, que la procesa y envía a las salidas las órdenes de acción correspondientes. Están unidos a un nodo central que dispone las funciones de control y mando. En el otro extremo se encuentran los sistemas descentralizados, en el cual todos los elementos de red actúan de forma independiente unos de otros. Comparten la misma línea de comunicación y cada uno de ellos dispone de funciones de control y mando. Es necesario, en estos entornos, un protocolo de comunicaciones para que todos los elementos produzcan una acción coordinada. Finalmente se pueden identificar los sistemas distribuidos (híbridos), los cuales combinan las topologías centralizada y descentralizada. La inteligencia del sistema está localizada en cada uno de los nodos de control y cada nodo tiene acceso físico directo a una serie limitada de elementos de red. En la Tabla I se realiza un comparativo entre los sistemas de control señalando ventajas y desventajas respectivas. Otro aspecto que caracteriza a un sistema es su topología, la organización física y lógica de los nodos de la red. Esta puede ser de varios tipos entre los que se destacan las topologías en estrella, anillo, bus y malla. A su vez los dispositivos pueden estar interconectados por diferentes tipos de medios, guiado o no guiados, los cuales permiten la comunicación entre los nodos de la red. Los diferentes tipos de medios de transmisión son: Cableado Propio La transmisión por un cableado propio es el medio más común para los sistemas de domótica, principalmente son del tipo: par apantallado, par trenzado (1 a 4 pares), coaxial o fibra óptica. Cableado Compartido Varios soluciones utilizan cables compartidos y/o redes existentes para la transmisión de su información, por ejemplo la red eléctrica (corrientes portadoras), la red telefónica o la red de datos. Inalámbrico Muchos sistemas de domótica utilizan soluciones de transmisión inalámbrica entre los distintos dispositivos, principalmente tecnologías de radiofrecuencia o infrarrojo. Ahora, mas allá de los elementos que conformen una red de hogar digital, una de las preguntas más elocuentes que se realiza cualquier persona, que desea crear un sistema de automatización doméstica es: Cómo empiezo? Bueno la solución a esta pregunta es muy sencilla, ya que solo basta con dar un vistazo a los sistemas actualmente implementados e identificar como los elementos de estos sistemas se comunican entre ellos o mejor aún, que protocolo utilizan para intercambiar información. Los protocolos existentes pueden ser muchos, Sin embargo, nos centraremos únicamente en aquellos que son Open Source o libres para su implementación, es decir que no depende de cada fabricante, entre estos podemos encontrar los siguientes: X10, EIB, EHS, BatiBus y finalmente KNX. 1. Protocolo X10 [4]Es un protocolo de Transmisión a través de corriente portadora, el cual permite conectar dispositivos a la red eléctrica, persianas, luces, toldos y demás equipos que utilicen una alimentación de 220 V. El protocolo tiene la característica de que la señal portadora, sea captada por cualquier modulo receptor conectado a la línea de alimentación eléctrica, traduciéndose en un evento ON, Off, DIM. Debido a esto, Se puede insertar la señal X-10 en el semiciclo positivo o en el negativo de la onda sinusoidal. Aunque este protocolo utiliza señales análogas para el envío y recepción de mensajes, dichas señales son interpretadas por dispositivos digitales, en donde La codificación de un bit 1 o de un bit 0, depende de cómo se inyecte esta señal en los dos semiciclos. Por ejemplo, Un 1 binario se representa por un pulso de 120 KHz durante 1 milisegundo y el 0 binario se representa por la ausencia de ese pulso de 120 KHz. En un sistema trifásico el pulso de 1 milisegundo se transmite con el paso cero para cada una de las tres fases. Por lo tanto,

4 el Tiempo de Bit coincide con los 20 ms que dura el ciclo de la señal, de forma que la velocidad binaria de 50 bps (para Europa) viene impuesta por la frecuencia de la red eléctrica. La transmisión completa de una orden X-10, necesita once ciclos de corriente alterna. Esta trama, como se puede observar en la Figura 2, se divide en tres campos de información: los dos primeros representan el código de inicio, los cuatro siguiente el código de la vivienda (Letras A - P), y los cinco últimos, representan el código numérico (1-16) o bien el código función (encendido, apagado, aumento o disminución de intensidad). Fig. 2. Forma de la trama en un protocolo X10 Para aumentar la fiabilidad del sistema, esta trama (Código de Inicio, Código de Casa y Código de Función o Numérico) se transmite siempre dos veces, separándolas por tres ciclos completos de corriente. Aunque cabe anotar que existe una excepción en esta transmisión, cuando se desea utilizar funciones de regulación de intensidad, ya que es necesario transmitir la trama de forma continúa (por lo menos dos veces) sin separación entre las mismas. 2. Protocolo EIB [5]El protocolo EIB (European Installation Bus) es un sistema abierto, amplio y el cual cumple con todos los aspectos de automatización en edificaciones, por otro lado, está diseñado como un sistema de gestión en el campo de la instalación eléctrica para la conexión de cargas eléctricas, control ambiental y de seguridad, para los diferentes tipos de edificios. El propósito de este protocolo es asegurar el monitoreo y control de funciones y procesos tales como luminosidad, ventanas blindadas, calefacción, ventilación, aire acondicionado, gestión de ahorro de energía, señalización, vigilancia y alarmas. Los sistemas basados sobre este protocolo permiten a los dispositivos del bus, obtener su fuente de alimentación independiente del bus de comunicación, en lo cual se diferencia del protocolo X10 y lo cual permite que los dispositivos no solo se puedan alimentar de la línea eléctrica domestica sino de otras fuente, como radiofrecuencia y infrarrojos.

5 La instalación del bus está diseñada para proveer técnicas distribuidas de control, para el manejo y gestión de las edificaciones a controlar, por lo tanto esto provee una trasmisión serial de los datos, entre los dispositivos conectados al bus. El Bus puede ser dividido en diferentes árboles que se adapten a la estructura de los edificios y casas. El número máximo de dispositivos que pueden conectarse es 65536; por lo general el bus se implementa como un sistema descentralizado (ver Figura 3), Aunque todavía se permite, siempre y cuando sea necesario, implementarlo como un sistema centralizado (ver Figura 4). En un sistema descentralizado permite que la comunicación no se vea afectada por la jerarquía de dispositivos o supervisores de red, este tipo de gestión permite que el sistema sea altamente flexible. Por el contrario si el sistema requiere ser centralizado es posible implementar una unidad de control central en cualquier parte del bus. Al mismo tiempo los sistemas basados sobre EIB, puede comunicarse hacia otros sistemas EIB mediante el uso de una puerta de enlace o lo que comúnmente se conoce como Gateway. Un gateway representa un puente entre diferentes segmentos de una o más redes externas, está a su vez tiene dos funcionalidades primordiales. La primera consiste en la conexión de dos segmentos de red y la segunda consiste en la adaptación de protocolos que ayuden a gestionar la transferencia de datos en todo el sistema. Al igual que el protocolo X10, el intercambio de información entre dos dispositivos se logra mediante la transmisión de paquetes de datos. Cada paquete de los datos debe ser reconocido por el dispositivo destino. La estructura del mensaje debe tener la siguiente estructura: Fig. 5. EIB marco del mensaje. 3. Protocolo EHS Fig. 3. sistema descentralizado [6]La especificación EHS ha sido definida con el propósito de que los dispositivos de hogar puedan comunicarse y compartir recursos entre ellos. El protocolo EHS está basado sobre un sistema de comunicación compartida y sobre la definición ambigua de la funcionalidad de los dispositivos. EHS especifica una capa física, una capa de enlace de red, una capa de red y una capa de aplicación, como se puede observar en la Figura 6. Debido a esto la longitud del mensaje es limitada, las sesiones de dialogo son cortas y la capa de aplicación gestiona los comandos de lenguaje. Por otro lado la capa de transporte, sesión y presentación son omitidas. Fig. 4. sistema centralizado

6 continuación se presenta el modelo de arquitectura. (Figura 7) Fig. 6. niveles de procesamiento de mensajes en el caso de un protocolo EHS 4. Protocolo KNX Para transferir datos de control de todos los componentes de gestión de edificios se requiere un sistema que elimine los problemas que presentan los dispositivos aislados, asegurando que todos los componentes se comuniquen a través de un lenguaje común. En resumen, se necesita un sistema tal que sea independiente del fabricante y de los dominios de aplicación, llamado KNX. [7]Este estándar está basado en otros con más de 20 años de experiencia en el mercado, entre otros los sistemas predecesores de KNX son: EIB, EHS y BatiBUS. A través del medio de transmisión (par trenzado, radio frecuencia, línea de fuerza o IP/Ethernet) de KNX, sobre el que se conectan todos los dispositivos, se intercambia la comunicación. Los dispositivos conectados al bus, tanto sensores como actuadores, son utilizados para el control de equipamiento de gestión de edificios en todas las aplicaciones posibles: iluminación, persianas / contraventanas, sistemas de seguridad, gestión energética, calefacción, sistemas de ventilación y aire acondicionado, sistemas de supervisión y señalización, interfaces a servicios y sistemas de control de edificios, control remoto, medición, audio / video, etc. Todas estas funciones pueden ser controladas, supervisadas y señalizadas utilizando un sistema uniforme sin la necesidad de centros de control adicionales. KNX especifica muchos mecanismos y elementos para que la red entre en operación. A Fig. 7 Modelo Arquitectura KNX Como elementos principales están: - Modelo de aplicación y funcionamiento interno: en esta capa se modelan las tareas, que serán ejecutadas por el sistema autónomo., después de todo es el propósito general del sistema. - Esquemas de configuración y administración, para gestionar adecuadamente todos los recursos sobre la red, y permite lógicamente enlazar las partes de una aplicación distribuida en los diferentes nodos de la red - Sistema de comunicación: corresponde a un conjunto de medios de comunicación física, un protocolo de mensajes y los modelos correspondientes a la pila de comunicación en cada nodo. - Modelo concreto de dispositivos: clasifica en perfiles los elementos anteriormente mencionados, para poder definir un modelo óptimo en interoperabilidad entre dispositivos de red. En la tabla II se presenta una comparación de protocolos de uso en domótica frente algunas de sus propiedades.

7 III. Aplicaciones móviles o web para la gestión de un sistema de automatización del hogar A la hora de controlar una casa, lo primero que se desea observar, es el centro de control, ya que a la final, es uno de los elementos que el usuario puede considerar como valor agregado a un sistema de automatización para el hogar, para ello se presentan algunas de las aplicaciones disponibles al público y cuáles son sus servicios. Para empezar definiremos que tipos de aplicaciones hay en el mercado. Primero, podemos deducir que frente al comportamiento del mercado arrollador de los Smartphone, las aplicaciones que encabezan el mercado, son las aplicaciones móviles, en segundo lugar, se ha dejado atrás la visión de las aplicaciones web para la automatización de un hogar, aunque estas en ciertos momentos, podrían prestar un mejor servicio que las aplicaciones móviles, ya que no se necesita de un dispositivo bajo un sistema operativo definido, sino únicamente un dominio público el cual puede llegar a tener un nivel de seguridad mucho más alto que el que puede ofrecer un Smartphone. Cuando hablamos de aplicaciones móviles, hoy en día una de las imágenes que viene a nuestra cabeza es la siguiente: (Figura 1). Fig. 1. Logo de Android Cabe anotar que Google mediante su sistema operativo Android, tiene el mercado inundado de aplicaciones bajo dicho OS (sistema operativo), entre ellas aplicaciones orientadas a nuestros tema central que es la automatización de hogares. Google ahora está dispuesto entrar a nuestras casas mediante un nuevo sistema de control, que aun está en proceso de desarrollo y que tomara el nombre de Esta aplicación permitirá tener el control directo de los hogares, que con tan solo instalar dicha aplicación y siempre y cuando se tenga instalados los dispositivos o actuadores bajo los protocolos de comunicación anteriormente descritos en este documento, tendremos el control total e inmediato del hogar. Domodroid[9], por ejemplo otro sistema basado en Android, pero con menos característica que puede ofrecer un sistema básico y económico. Entre sus funciones o características principales se

8 encuentran: monitoreo de cámaras de video, actuadores y sensores; por otro lado la compatibilidad con las siguientes tecnologías: Onewire, PLCBus, IPX800, Mirror, Teleinfo, X10, WakeOnLan, Ping, Zibase, RFXCom, YahooWather, las cuales son orientadas a esquemas o protocolos de comunicación entre dispositivos de hogar o comúnmente llamados electrodomésticos. No obstante, como podemos observar las aplicaciones móviles, están orientadas a soportar un número determinado de estándares, ya que la aplicación instalada en el cliente o Smartphone, realiza la comunicación directa con el sistema central de control, y aunque estas aplicaciones son más ligeras que una aplicación web, una aplicación web no deja de ser mucho más robusta y segura, ya que solo con contar con una buena conexión a internet, y sin la necesidad de tener un dispositivo en particular, también podremos tener el control de un hogar. Por lo cual nos empuja a discutir acerca de las aplicaciones web open source disponibles en la WEB o en la nube. Para comenzar, nombraremos uno de los proyectos con mayor soporte hoy en día, se trata de MisterHouse [10], creado el 19 de febrero del Este programa es diseñado para gestionar el uso de las luces, llamadas de teléfono, radio, televisión, calendario, relojes, avisos, cámaras de seguridad y mensajes hablados. Además, permite controlar desde una interfaz grafica, todos los dispositivos que componen un sistema domótico. MisterHouse no crea un sistema por sí solo, se trata de un centro de control, a través del cual se puede acceder, programar y manipular todos los terminales del sistema que se hayan instalado en los hogares. Por otro lado existe otra aplicación con mayor sostenibilidad, flexibilidad y escalabilidad, y es OpenDomo[11], un proyecto libre que pretende crear un sistema de control domótico, accesible y seguro. La licencia bajo la que se está desarrollando el proyecto es la Licencia Pública General (GPL.). Esta licencia garantiza la libertad en el uso del software, uno de los principales valores de la sociedad tecnológica actual. En términos generales, esto implica que OpenDomo puede ser usado, copiado, modificado y distribuido libremente. Algo que para los desarrolladores o personas interesadas en el desarrollo de aplicaciones en domotica es una gran oportunidad. OpenDomo ofrece las siguientes facilidades: 1. Apagar todas las luces al salir de casa 2. Organizar dispositivos por zona y función 3. Controlar todas las cámaras de un vistazo 4. Recibir alarmas en tiempo real 5. Simulación de presencia Por lo cual podemos deducir que es un sistema no solo avanzado, sino que presta grandes servicios a la hora realizar el control y gestión de dispositivos domésticos previamente interconectados para crear toda una red domestica totalmente autónoma y controlada. IV. Conclusiones En este documento se presentó un contexto general dentro del cual se enmarca la domótica, presentado las características principales y componentes fundamentales que engloban esta aplicación de las TICs. Tal como se pudo observar, existen diferentes formas, medios, recursos, aplicaciones y arquitecturas para implementarla en las viviendas con el fin de obtener un mayor nivel de confort y a la par conseguir un ahorro en el consumo energético de los dispositivos que intervienen en la red inteligente del hogar. No hay un sistema o tecnología mejor que otro a la hora de decidir cual implementar; la diferencia radica en las necesidades personales y el presupuesto con el que se cuente. Aunque el término domótica y la implementación de estas redes inteligentes existen desde mediados de los años setenta, es claro que fue con el desarrollo de dispositivos de cómputo y tecnologías de bajo consumo junto con el apogeo de internet en los años noventa, que la automatización de edificaciones tomo más relevancia. Sin duda alguna el desarrollo de aplicaciones cada vez más

9 robustas en este campo, se ve motivado por el interés de programadores independientes y aficionados por crear piezas de software tanto para dispositivos móviles Smartphone y tabletas digitales, como en promover el desarrollo de plataformas de código libre a las cuales se puede acceder vía web a través de un explorador de internet; incluso se cuenta con sistemas operativos dedicados exclusivamente al control de casas digitales. [10]. MisterHouse, comunidad. MisterHouse -- It Knows Kung-Fu. MisterHouse -- It Knows Kung- Fu. [En línea] [Citado el: 18 de 10 de 2011.] [11]OpenDomo. OpenDomo-seguridad y domotica libre. [En línea] [Citado el: 18 de 10 de 2011.] V. Referencias [1] H. Martin, F. Sáez, Domótica: Un enfoque sociotécnico, E.T.S.I de Telecomunicacion Universidad Politecnica de Madrid, 2006, pp [2] Consejeria de Economia e innovación Tecnológica de Madrid España, La Domótica como solución del futuro, 2007, pp 18-19, 24-25, [3] Ubuntu.es, Domótica en Linux, disponible online en [4] udec. X10-protocolo. Domotica. [En línea] [5] JAEC. EIB Protocol. JAEC TECHNOLOGY. [En línea] cols-buses-house/eib-protocol/eib-protocol.php. [6] EHS European Home Systems. [En línea] JAEC. [Citado el: 2011 de 10 de 18.] cols-buses-house/ehs-protocol/ehs-protocol.php [7] KNX. KNX. Bienvenido al estandar mundial para domótica e inmótica. [En línea] KNX. [Citado el: 2011 de 10 de 18.] [8] Google. androidathome. androidathome. [En línea] [Citado el: 18 de 10 de 2011.] [9] Lainé, Pierre. DomoDroid. DomoDroid. [En línea] [Citado el: 18 de 10 de 2011.] Chrystian Duarte Ramírez Estudiante de ingeniería en telecomunicaciones, y egresado de tecnología en electrónica, de la universidad distrital francisco José de caldas. Su perfil profesional está orientado al diseño y desarrollo de software, bajo tecnologías open-source. Álvaro Enrique Torres Estudiante de ingeniería en telecomunicaciones, y egresado de tecnología en electrónica, de la universidad distrital francisco José de caldas. Experiencia en la implementación de redes de datos de pequeño-mediano tamaño y de gestión de servicios de las TICs bajo el marco de ITIL foundations v3. Certificado CCNA R&S.

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