ARQUITECTURA SCHOME ACCESO REMOTO AL HOGAR DIGITAL

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1 ARQUITECTURA SCHOME ACCESO REMOTO AL HOGAR DIGITAL Raúl Díaz Camps Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, Valencia 46022, Juan Luis Posadas Yagüe Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, Valencia 46022, José Luis Poza Luján Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, Valencia 46022, Pascual Pérez Blasco Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, Valencia 46022, Juan Carlos Cano Escribá Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, Valencia 46022, Resumen El artículo se enmarca dentro del área de la domótica y el hogar digital. Se presenta un proyecto cuyo objetivo principal consiste en el desarrollo e implantación de la infraestructura software necesaria para el control y acceso remoto de los distintos dispositivos que integran un hogar digital. Dicha infraestructura, denominada arquitectura SChome, debe permitir el acceso desde PC s, dispositivos empotrados como PDA s y teléfonos móviles a los componentes del hogar digital comunicados en la vivienda a través de una red doméstica. Debido a que dicha red puede integrar diversas tecnologías (cable, inalámbrica, la propia red eléctrica, etc.), el sistema debe contemplar la implementación de una pasarela residencial que ofrezca una interfaz de conexión con las distintas redes físicas de comunicación y un acceso a las mismas desde el exterior a través de. Palabras Clave: Hogar digital, Domótica, Sistemas de comunicaciones, Sistemas de control distribuido, Sistemas de tiempo real. 1 INTRODUCCIÓN La Asociación Española de Domótica (CEDOM) [1] define la Domótica como la incorporación al equipamiento de las viviendas y edificios de una sencilla tecnología que permita gestionar de forma energéticamente eficiente, segura y confortable para el usuario, los distintos aparatos e instalaciones domésticas tradicionales que conforman una vivienda. En la Vivienda Domótica [2] existen agrupaciones automatizadas de equipos, asociados por funciones, que disponen de la capacidad de comunicarse interactivamente entre ellas a través de un bus doméstico multimedia que las integra. La materialización de este tipo de viviendas en el mercado español y europeo se ha visto dificultada por la ausencia de protocolos de comunicación unificados que ha llevado a la industria a una política de esperar y ver los desarrollos que se iban haciendo. Para potenciar el mercado debe asegurarse una convergencia entre los sectores involucrados en la vivienda. Para ello se requiere asegurar la capacidad de comunicación entre los equipos domésticos (equipos comunicantes) mediante la disponibilidad de una Red Doméstica ( Home Area Network, HAN) en cualquiera de sus posibles naturalezas (cable, inalámbrica, la propia red eléctrica, etc.). Esta nueva forma de comunicación en la vivienda da lugar al concepto de Hogar Digital (Digital Homes, Connected Homes, ehomes, Smart Homes, ihomes, etc.) y la denominada Inteligencia Ambiental (AI), a través del cual se crea un entorno donde el usuario puede interactuar con una multitud de dispositivos de una manera más transparente y permitiendo un aumento de servicios y aplicaciones. Según Telefónica, el Hogar Digital, más amplio que la domótica, es la materialización de la idea de la convergencia de servicios: de comunicaciones, de entretenimiento, y de la gestión digital del hogar. El sistema que se propone pretende, siguiendo las tendencias en el Hogar Digital, proporcionar la infraestructura software necesaria para una red doméstica que integra, a través de una pasarela residencial con acceso al exterior, distintas tecnologías de comunicación con dispositivos básicamente de tres tipos (actuadores, sensores y controladores) dispuestos en una arquitectura física

2 distribuida con una topología lógica de comunicación peer to peer (entre iguales) con técnicas de adquisición de información basada en eventos. 2 OBJETIVOS Los objetivos que se proponen son: 1. Estudio de las diferentes tecnologías de comunicación (cable, inalámbricas, red eléctrica, red telefónica, etc.) empleadas actualmente en la implementación de una red doméstica: Konnex, EIB, EHS, Batibus, LonWorks, X10, ZigBee, Bluetooth como redes domóticas que integran los dispositivos y sensores para la automatización y control del hogar [3, 4]. Ethernet, HomePlug, HomePNA, WiFi como redes de datos y multimedia orientadas para la distribución de ficheros entre ordenadores, la compartición de dispositivos y aplicaciones, y la distribución de audio y vídeo en el hogar. 2. Estudio de los estándares existentes para el desarrollo de pasarelas residenciales que conectan las infraestructuras de telecomunicaciones (datos, control y automatización) de la vivienda a una red pública, como, utilizando distintos métodos de acceso. 3. Comparación de las propuestas de hogar digital existentes en el mercado actual y detección de carencias en cuanto a capacidad de interacción con el usuario, sencillez de configuración, uso de protocolos abiertos y estándares, precios, etc., para investigar posibles soluciones. 4. Implementación en el laboratorio de una sencilla red domótica que integre algunos dispositivos básicos y de una red de datos que integre dispositivos tales como una cámara de video. Instalación y configuración de los dispositivos: sensores de temperatura, sensores de movimiento, sensores de iluminación e interruptores de luz. 5. Desarrollo de una pasarela residencial software que permita la interacción remota y segura con los dispositivos de la red doméstica implementada y que cubra las carencias detectadas en el mercado actual. Para ello habrá que desarrollar principalmente el siguiente software: Sistema de comunicaciones que permita la interconexión y control de los distintos dispositivos así como el acceso a los datos desde cualquier localización interna o remota con acceso al sistema. Un aspecto importante que tiene que contemplar el sistema es la seguridad en el acceso e interacción con la vivienda mediante el empleo de técnicas de cifrado y encriptación de datos. Aplicación WEB que permita el acceso al sistema a través de. Applets utilizadas por el servidor WEB para conectar con el sistema de comunicaciones y acceder a los datos. Aplicaciones empotradas con acceso a para dispositivos PDA y teléfonos móviles. Aplicaciones pasarela que interconecten los dispositivos domóticos con el sistema de comunicaciones. Interfaz de configuración del sistema caracterizada por su sencillez. 6. Evaluación del sistema desarrollado en cuanto a su escalabilidad para la integración de nuevos dispositivos y nuevas tecnologías de interconexión. La infraestructura software debe permitir la integración en el sistema domótico de los diferentes dispositivos de forma rápida y sencilla. En las secciones siguientes se presenta el estado de la arquitectura desarrollada que se ha denominado SChome. Actualmente se dispone de una primera implementación donde se ha desarrollado una pasarela residencial para el acceso remoto a dispositivos conectados a un bus de datos TCP/IP, tales como cámaras de video, y a un conjunto de dispositivos domóticos conectados a través de un bus Konex/EIB. 3 ARQUITECTURA SC-HOME La arquitectura SCHome está formada por varios bloques o niveles a nivel interno. Todos ellos unidos por el sistema de comunicaciones RT-SCORE, como columna vertebral del sistema. Se puede atender a dos posibles clasificaciones. En primer lugar, en cuanto al nivel físico (buses físicos que forman el sistema, e interacción entre ellos), y en segundo lugar, una clasificación lógica (interfaces y objetos de datos que determinan la conexión entre las diferentes aplicaciones).

3 3.1 Nivel Físico En cuanto al nivel físico (figura 1), se presentan los siguientes componentes del sistema: Bus domótico con tecnología Konex/EIB. Se puede definir como un sistema descentralizado en el que cada uno de los dispositivos conectados tiene control propio. A él se conectan todos los dispositivos domóticos y de control, como actuadores, sensores de presencia, y demás. La arquitectura puede adaptarse de manera sencilla al uso de otros buses domóticos como Batibus, X10, etc. Bus TCP/IP. Se utiliza el bus TCP/IP como bus de datos residencial, para comunicaciones que necesiten un ancho de banda mayor. Podría ser el caso de transmisión de imágenes o video, provenientes de cámaras conectadas vía USB, o vía ethernet. Pasarela Residencial: puerta de enlace al sistema. Permite el acceso remoto a las diferentes tecnologías de los diversos buses del sistema para su monitorización y control. El sistema de comunicaciones, denominado RT- SCore, se presenta como piedra angular del sistema, uniendo los diferentes buses de datos o tecnologías. A diferencia del bus EIB, o el bus de datos residencial, el sistema de comunicaciones no se trata de un bus físico, sino que permite la abstracción de recursos de comunicación para la adquisición y distribución de información en entornos distribuidos. De esta manera la comunicación entre procesos o aplicaciones es transparente, totalmente independiente del lenguaje de implementación y de su ubicación física. 3.2 Nivel Lógico El nivel lógico (figura 2) representa la manera en que se relacionan e interactúan los diferentes componentes y procesos de la arquitectura independientemente de su ubicación física. El sistema de comunicaciones permite la conexión entre aplicaciones mediante la lectura y escritura de una serie de objetos definidos en una pizarra distribuida y que actúan a modo de canales lógicos de comunicación. El acceso a dichos objetos se realiza a través de una interfaz común denominada FSA. En el punto 3.4 se detalla el funcionamiento del sistema de comunicaciones. PC TCP/IP WiFi PDA Provider WAP Wireless IP Camera Celular Residencial SC Communications System SW Distributed Write Blackboard Read Write Read Write Read WEB Service PDA USB Camera RS232-EIB Interface Figura 2: Arquitectura SChome: estructura lógica TV Video Music Los diferentes componentes, a través de la interfaz FSA, escriben o leen los objetos pertinentes de la pizarra del sistema de comunicaciones, proporcionando de esta forma una comunicación entre componentes independientemente de su tecnología, localización o lenguaje de desarrollo. PC PDA Celular WAP WiFi TCP/IP Provider USB Camera RS232-EIB Interface TV SC Video Communications Music System SW TV Video Wireless Music IP Camera WEB Service Residencial Figura 1: Arquitectura SChome: estructura física Otro elemento del nivel lógico se trata de la pasarela residencial o Web Service (servicio web) mediante el cual, a través de http y desde cualquier punto de acceso a internet, se interactúa con el sistema. En conclusión, a nivel lógico se presenta como elemento fundamental el sistema de comunicaciones, y como elemento de enlace exterior o puerta de acceso los servicios web. 3.3 La Pasarela Residencial Definimos pasarela residencial [5] como dispositivo o interfaz de usuario que conecta con las diferentes infraestructuras del hogar digital, y que permite el control centralizado (figura 3).

4 Se podría definir también como cerebro del hogar. Tratándose del último paso para llegar al hogar conectado y digital. La arquitectura SCHome, interactuando vía web, permite controlar todos los dispositivos conectados desde este único punto remoto. Es el producto que permite la total conectividad de los hogares con el exterior. La pasarela interconecta redes de información, que podemos dividir en cinco grandes campos: Video/telefonía, datos, seguridad, domótica, y entretenimiento. Máquina virtual java ó.net SCoreDLL Interfaz FSA Pasarela SC-CAN SC-EIB A A A Sistema Multiagente Máquina virtual SCoreDLL Interfaz FSA java ó.net Pasarela CAN EIB Ethernet Bus de EIB Datos u Objetos SC Nodo Heterogéneo (PDA, móvil, etc.) TCP TCP wireless Controlador es Controlador Actuadores SCoreDLL Interfaz FSA Figura 4: estructura del sistema de comunicaciones Sus principales características son: Especificación de una interfaz común de acceso transparente a diferentes recursos de comunicación denominada FSA o Marco- -Adaptador. Recurso de comunicación denominado o núcleo de tiempo real del sistema SC que proporciona canales lógicos para el acceso a la información del sistema y la comunicación entre aplicaciones. Está basado en: Figura 3: Funcionalidad Pasarela Residencial En el SCHome la pasarela residencial se enfoca como una interfaz de usuario, que nos permite controlar, después de una autentificación, todos los dispositivos conectados del hogar digital. Es capaz de ofrecernos escenarios, de manera que combina un conjunto de acciones sobre los actuadores instalados. Un ejemplo claro, resultaría, el de la escena vigilar, en la que nos muestra las imágenes de la cámara IP y enciende las luces a través del bus EIB y un actuador para ofrecer una mejor visibilidad. 3.4 Sistema de Comunicaciones El sistema de comunicaciones (figura 4) permite la abstracción de los recursos de comunicación para la adquisición y distribución de información en entornos distribuidos y la interoperatividad entre procesos o aplicaciones, transparente e independientemente de los lenguajes de implementación y ubicaciones físicas. o El uso de una pizarra de objetos distribuida. Cada objeto de la pizarra distribuida puede verse como un canal lógico de transmisión de información. Las aplicaciones se comunican escribiendo y leyendo sobre los objetos de la pizarra empleando la interfaz FSA. Para las lecturas de los objetos el sistema ofrece un medio de notificación automática basado en eventos. o La especificación XML (Extensible Markup Language) de un espacio de nombres en estructura de árbol para referenciar los objetos de la pizarra. o El uso de un sistema de estimación de tiempos para la caracterización temporal de los datos a través de su antigüedad. Medición de los retrasos que sufren los datos hasta alcanzar su destino a través de los distintos nodos del entorno distribuido. El uso de un sistema multiagente (MAS) para permitir la incorporación dinámica y movilidad de los procesos (delegación de código). Cada agente puede decidir su ubicación en el sistema (en función de restricciones temporales como tiempos de ejecución o antigüedad de los datos recibidos).

5 4. IMPLEMENTACIÓN 4.1 Bus de datos En lo que se refiere al bus de datos TCP/IP, se encuentra la cámara IP (figura 5), modelo VCIM217 de Connection, para la que se ha desarrollado una aplicación en c#, que se trata de un servicio Windows que captura las imágenes de la cámara y las deposita en el sistema de comunicaciones de manera totalmente transparente para el usuario a través de la interfaz FSA. Sistema de comunicaciones Bus de Datos TCP/IP Aplicación cámara IP Interfaz FSA Wireless Cámara IP Figura 5: Cámara IP en bus de datos El tamaño de imagen, así como diversos aspectos configurables, se realizan a través de una interfaz de usuario desarrollada como una aplicación System tray, que se comunica con el servicio Windows mediante.net Remoting. ETS es la herramienta software para diseñar y configurar instalaciones realizadas con el sistema EIB/KNX. Esta herramienta es una parte del estándar, con ella se puede configurar cualquier dispositivo que cumpla con el estándar. El programa ETS cubre todos los aspectos y fases de una instalación EIB/KNX. Es una herramienta genérica que permite el desarrollo de un proyecto EIB/KNX por completo, desde la asignación de direcciones a los aparatos y programación de los mismos hasta el diseño del proyecto y la generación de la documentación asociada sin importar el tamaño del proyecto. Antes de poder comenzar a trabajar con el programa ETS es necesario importar las bases de datos de los productos EIB/KNX que se vayan a utilizar en el proyecto. Estas bases de datos son distribuidas por los fabricantes de producto a través de diferentes medios como. La última versión del programa ETS (figura 7) permite la carga y utilización de bases de datos de producto de diferentes fabricantes simultáneamente. 4.2 Bus domótico En cuanto al bus domótico, se dispone de un bus EIB con los siguientes dispositivos conectados (figura 6): Una interfaz RS-232, que conecta el bus EIB con el computador. Un actuador de 6 canales. Un detector de movimiento. Un sensor de iluminación. Un pulsador de dos canales y cuatro teclas. Figura 7: Software ETS 4.3 Pasarela residencial y software asociado Se ha desarrollado una aplicación en c# mediante la cual, previamente configurados los dispositivos mediante el software ETS, se interactúa con ellos por medio de la interfaz del bus EIB a través del puerto serie RS-232. La aplicación desarrollada se conecta al sistema de comunicaciones con doble funcionalidad: Recibir las órdenes de control del usuario y traducirlas al formato reconocible por los dispositivos actuadores del bus EIB. Enviar al usuario la información procedente de los dispositivos sensores del bus EIB. Figura 6: Dispositivos domóticos Por otro lado, la pasarela residencial también ha sido desarrollada en c# habiéndose creado tablas de bases de datos de dispositivos, e usuarios, en Microsoft

6 SQL server Dicha interfaz web ha sido publicada para su funcionamiento con IIS ( Information Services). Se pretende que no sólo se pueda acceder desde un navegador de un ordenador corriente, si no que se pueda acceder desde distintos dispositivos como puede ser una PDA, o un móvil, o un tablet PC. Tal como anteriormente se ha comentado, dicha pasarela no se comunica directamente con ningún dispositivo, sino que se comunica únicamente con el sistema de comunicaciones accediendo a la pizarra de objetos. De ella lee y escribe todas las órdenes. Figura 8: Pasarela Residencial Bajo una interfaz (figura 8) similar a la de una página web, el funcionamiento de la pasarela es amigable. El primer paso consiste en autentificarse con un nombre de usuario que lógicamente debe estar previamente dado de alta en la tabla de usuarios. Una vez autentificado, desde ella se puede interactuar con los diversos dispositivos del bus EIB, o visionar imágenes estáticas capturadas por la cámara IP, o por una simple cámara USB. 5 EVALUACIÓN Un posible cliente de la pasarela residencial podría ser una PDA. que se instale en la PDA y que, conectándose con un servidor web, sea capaz de enviar y recibir información directamente del sistema de comunicaciones, sin pasar por las páginas de la pasarela residencial. 6 CONCLUSIONES En el hogar digital, para la integración hardware y software, hay diversidad de sistemas middleware que están diseñados para integrar una diversidad de protocolos y tecnologías bajo un mismo entorno, pudiendo así ofrecer al usuario una misma interfaz para el control de sistemas de seguridad, de automatización, de equipos de consumo o entretenimiento, de acceso, etc. Pero suelen ser sistemas complejos que sólo pueden ser instalados, puestos en marcha y mantenidos por empresas especializadas, obligando al usuario final a depender de ésta de por vida para cualquier mínimo cambio. Por ello, una de las características de los sistemas domóticos con más demanda actualmente es el control personal del sistema. En este sentido, la arquitectura SChome propuesta puede ser controlada directamente por el usuario a través de una interfaz sencilla ofrecida por la pasarela residencial. También, desde un punto de vista del interés del usuario por las aplicaciones domóticas, la comunicación con el exterior, especialmente a móviles e, es un requisito básico para los sistemas domóticos, por lo que las facilidades de conexión que el sistema desarrollado proporciona implican una mayor conectividad del usuario. En lo que a futuros desarrollos, el proyecto proporciona una plataforma de ensayo de diversas tecnologías relacionadas con la domótica. El sistema de comunicaciones resulta un entorno ideal para ensayar, a bajo coste, diversas alternativas de control domótico e industrial. Agradecimientos Figura 9: Acceso desde dispositivo PDA Con una PDA es posible conectar directamente con la aplicación web a través de un cliente de como por ejemplo Explorer. Sin embargo, también puede diseñarse una aplicación (figura 9) El trabajo presentado está siendo desarrollado por el grupo de investigación Grupo de Informática Industrial - Sistemas de Tiempo Real en el Instituto de Automática e Informática Industrial a través del Proyecto Sistema para la monitorización y control remoto de dispositivos en el hogar digital con número de referencia 5656/ financiado por el Vicerrectorado de Innovación y Desarrollo de la Universidad Politécnica de Valencia.

7 Referencias [1] Asociación Española de Domótica: [2] Domótica y hogar Digital, Stefan Junestrand, editorial Thomson [3] Estándar EIB: [4] Estándar Konnex: [5] Residencial GateWays White Paper. November Hogar Digital & Via Technologies.