Válvula Domotica para Control de Flujo en los Registro Agua o Gas

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(1)VÁLVULA DOMÓTICA PARA CONTROL DE FLUJO EN LOS REGISTROS AGUA O GAS. SALOMON STIVEN ALVAREZ PINTO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA EN CONTROL BOGOTÁ D.C. 2018. VÁLVULA DOMÓTICA PARA CONTROL DE FLUJO EN LOS REGISTROS AGUA O GAS. SALOMON STIVEN ALVAREZ PINTO. Trabajo de grado para optar al título profesional de: Ingeniero en Control.

(2) Director Ing. ANDRÉS ESCOBAR DÍAZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA EN CONTROL BOGOTÁ D.C. 2018. RESUMEN En busca de explorar nuevos avances en la domótica la Universidad Distrital Francisco José de Caldas viene en una búsqueda de nuevas tecnologías apoyándose en trabajos de investigación y prácticas estudiantiles dicho esto nuestro objetivo con este proyecto de grado es poder desarrollar y acoplar tres conceptos. El primer concepto a desarrollar es la tecnología IOT este término, aunque no es nuevo actualmente viene desarrollándose con gran auge. Esta tecnología consiste que dispositivos cuenten con una comunicación WiFi y así poder controlarse y monitorearse remotamente. La siguiente tecnología a trabajar es la comunicación UPB este protocolo consiste en la transmisión de datos por la red eléctrica está idea ya fue desarrollada en la universidad Distrital logrando una comunicación entre varios periféricos y por último se desea innovar en el desarrollo de un nuevo prototipo para el control de registros de paso de agua o gas. Actualmente ha sido un tema el cual se ha visto retrasado en el desarrollo de la domótica esto nos motivó a implementar una válvula que permita el control de flujo de agua o gas. Se desea que sea versátil fácil de acoplar para los diferentes registros que se encuentran en las casas como a la hora de su instalación, esta se diseña con el fin de poder usarse en diferentes aplicaciones que se deseen implementar en el futuro,realizando un gran avance en la domótica, controlar la casa con solo un maestro el cual se comunica por medio de la red eléctrica con los esclavos: dispositivos que estarán encargados del censado, monitoreo o control; Y de forma remota administrar todos los dispositivos con plataforma cloudmqtt. Estableciendo un precio competitivo en el mercado.. ABSTRACT In search of exploring new advances in home automation, the Francisco José de Caldas District University comes in search of new technologies based on research and student practices. Our objective with this degree project is to develop and integrate three concepts. The first concept to develop is the IOT technology this term, although it is not new, it is currently developing with great boom. This technology consists of devices that have a WiFi communication and thus can be controlled and monitored remotely. The next technology to work is the UPB communication, this protocol consists in the transmission of data through the electrical network. This idea was already developed at the District university, achieving communication between several peripherals and finally, it is desired to innovate in the development of a new prototype for the control of water or gas passage registers. Currently it has been a subject which has been.

(3) delayed in the development of home automation this motivated us to implement a valve that allows the control of water or gas flow. This is desired to be versatile, easy to fit for the different registers that are in the houses as at the time of installation this is designed in order to be used in different applications that wish to implement in the future. Realizing a great breakthrough in home automation is desired to control the house with only one teacher who communicates through the power grid with the slaves: devices that will be in charge of sensing, monitoring or control. And remotely administer all devices with cloudmqtt platform. Establishing a competitive price in the market. Contenido 1. INTRODUCCION .............................................................................................................................................4. 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................................................4. 3. Objetivos .......................................................................................................................................................5. 4. 3.1. GENERAL. ..............................................................................................................................................5. 3.2. ESPECÍFICOS. .........................................................................................................................................5. MARCO REFERNCIA .......................................................................................................................................6 4.1. Domótica ...............................................................................................................................................6. 4.2. Válvulas .................................................................................................................................................7. 4.2.1. Tipos de válvulas ...........................................................................................................................8. 4.2.2. Válvulas de Bola ............................................................................................................................8. 4.2.3. Las electroválvulas: .......................................................................................................................8. 4.2.4. Motores de corte: .........................................................................................................................8. 4.2.5. Válvulas Inteligentes .....................................................................................................................9. 4.3. 5. Alternativas de comunicación inalámbrica ........................................................................................ 10. 4.3.1. Bluetooth ................................................................................................................................... 11. 4.3.2. ZigBee ......................................................................................................................................... 12. 4.3.3. WiFi ............................................................................................................................................ 14. 4.3.4. Conclusión .................................................................................................................................. 15. 4.4. Elección del dispositivo de comunicación y procesador de señales .................................................. 16. 4.5. Internet de las cosas (IoT) .................................................................................................................. 19. 4.6. UPB ..................................................................................................................................................... 20. 4.7. Domótica ............................................................................................................................................ 20. 4.8. Protocolo de comunicación MQTT..................................................................................................... 21. METODOLOGIA .......................................................................................................................................... 22 5.2 5.2.1. Desarollo ............................................................................................................................................ 23 Sistema mecánico .......................................................................................................................... 23. 5.3. Sistema electrónico ............................................................................................................................ 25. 5.4. Sistema Digital.................................................................................................................................... 27. La lógica implementada para el accionamiento mecánico de la válvula se ve expresada en el anterior diagrama de flujo. En este se ve la secuencial que ejecuta el microcontrolador para la apertura y cierre de la válvula. ....................................................................................................................................................... 28 5.5. Sistema Comunicación ....................................................................................................................... 28. 5.6. Interfaz de Usuario............................................................................................................................. 30.

(4) 6. MANUALES ................................................................................................................................................. 32. 7. CONCLUSIONES .............................................................................................................................................6. 1 INTRODUCCION. En estos tiempos en los que la electrónica y la informática están presentes en todos los aspectos de la vida cotidiana, es razonable que las canalizaciones de agua y gas sigan esta misma tendencia y se adapten a los tiempos que corren, aprovechando todas las ventajas que estos dispositivos pueden aportar para el control de las redes. Los avances espectaculares realizados en los últimos años en el campo de la tecnología digital (Microprocesadores, comunicación etc.), no solo han revolucionado a los instrumentos de Panel (DCS, PLC, Controladores, etc.), sino también a las válvulas de control. Actualmente, más del 40% de la instrumentación local que se instala (transmisores, analizadores, válvulas de control, etc.) se hace con el calificativo de inteligente, incorporando funciones de cálculo, control, autodiagnosis, calibración remota, etc. Nuestro prototipo quiere implementar un sistema económico que cuente con dos comunicaciones en la domótica. Una comunicación hacia sus periféricos y una con un servidor o Broker acompañada con un último periférico que es una válvula para los registros de agua y gas. El acople al registro se busca que sea universal para todos los registros actuales en el mercado colombiano, con un brazo cuyos ejes son desplazados acoplándose a la medida del registro; el actuador a implementar se diseña con el propósito de ser lo menos invasivo en los hogares esto determina buscar un prototipo lo más compacto, que su instalación no requiera muchas modificaciones locativas, su utilización sea práctica, cuente con sistema de protección y pueda ser desacoplada para el manejo manual. Debe cumplir con toda la normatividad dada en Colombia. La domótica se muestra como toda una promesa que revolucionará muchos hábitos y facilitará las actividades mecánicas, monótonas o triviales, brindando mayor seguridad dentro del hogar En el caso de la domótica, que es nuestro propósito, esta función de corte queremos que sea automática, diseñando una plataforma de software con el fin de controlar la válvula. Implementando e integrando los circuitos electrónicos que requiere el sistema. Con esta tecnología se desea evitar grandes accidentes en los hogares colombianos teniendo la posibilidad de controlar las válvulas de paso de agua o gas y dejando una plataforma versátil para un control variable con diferentes aplicaciones que se quieran desarrollar en la posteridad El sistema queda sujeto a futuras modificaciones, que podrían ser la implementación de controladores basados en sistemas inteligentes y permitiendo la comparación con los sistemas de control convencionales para el desarrollo de prácticas.. 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

(5) En la actualidad existe poco control sobre las variables en el hogar, puntualmente sobre el suministro principal de agua y gas a pesar del creciente desarrollo en la tecnología domótica. Según el periódico EL TIEMPO para el 2016 cerca de 14 millones de personas tenían acceso a internet todos los días y al menos 9 millones que acceden una vez al mes, esto nos da 23 millones de usuarios [1] lo cual es casi la mitad de la población colombiana según el reloj poblacional del DANE [2]. Sin embargo, este acceso a internet se enfoca principalmente en el consumo de redes sociales [1]. la propuesta actual de la tecnología respecto a el Internet de las cosas IOT, trata de usar las facilidades de conexión a la red para el control de sistemas físicos a través de la nube, así mismo estima una cantidad de 50 mil millones de dispositivos conectados a WiFi para el 2020 [3 la domótica como el conjunto de tecnologías aplicadas al control y la automatización inteligente de la vivienda la cual nos permite una gestión eficiente del uso de la energía, que aporta seguridad y confort. Por eso se ve necesario la investigación y desarrollo de nuevos dispositivos para controlar los recursos en los hogares. El deseo de poder tener un control centralizado de todos los periféricos envueltos en una sola red a un módico precio y competitivo en la industria con la mayor versatilidad de periféricos. Así mismo tener control en el flujo de agua o de gas con un producto que cumpla la normatividad dada en Colombia siendo un producto fácil de instalar en los hogares y que porte una comunicación para la integración de otras tecnologías domóticas o sensores que se deseen integrar para la seguridad del hogar y ahorro energético de estos recursos. 3 Objetivos 3.1 GENERAL. Implementar una válvula de control remoto para la regulación del flujo de agua y gas en una vivienda. 3.2 ESPECÍFICOS.. •. Acondicionar un sistema mecánico para controlar el flujo con interacción electrónica.. •. Diseñar plataforma de software con el fin de controlar la válvula.. •. Implementar e integrar los circuitos electrónicos que requiere el sistema..

(6) •. Documentar el proceso de integración e implementación y puesta en marcha.. 4 MARCO REFERNCIA 4.1 Domótica El término domótica proviene de la unión de las palabras domus (que significa casa en latín) y tica (de automática, palabra en griego, 'que funciona por sí sola'). Se entiende por domótica al conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda, aportando servicios de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación, y que pueden estar integrados por medio de redes de comunicación pudiendo ser controlados desde dentro y fuera del hogar. La tendencia de futuro en la demanda se centra básicamente en conseguir un hogar totalmente conectado, capaz de integrar las nuevas tecnologías que van apareciendo, con sistemas sencillos y totalmente gestionables, pero garantizando la seguridad y privacidad, todo esto de manera transparente en el hogar. En definitiva, la domótica es el uso simultáneo de electricidad, electrónica, informática y comunicaciones aplicadas a la gestión de las viviendas. Los sistemas de automatización, gestión técnica de energía y seguridad para viviendas y edificios, se conocen internacionalmente como HBES (Home and Buildings electronic Systems). Actualmente la norma que define los requisitos técnicos generales de estos sistemas es la UN-EN 50090-2-2 En la actualidad, los sistemas domóticas ofrecen una gran variedad de funcionalidades orientadas a monitorizar el consumo de agua, de combustibles y el consumo eléctrico de todos los sistemas de la vivienda: electrodomésticos, iluminación, sistemas de comunicaciones, refrigeración y/o calefacción, etc. (véase la figura 6.1). Esto permite hacer una gestión personalizada del consumo (consumo por franjas horarias, diario, mensual, etc.), así como detectar malos funcionamientos de los equipos del hogar..

(7) 4.2 Válvulas Comenzando por el primer término, una válvula es un elemento o dispositivo cuya función es la de controlar el flujo de un fluido en una canalización o tubería, y debemos de entender que el control de un fluido en una tubería incluye: cantidad de flujo y dirección. Es importante entonces para las características de una válvula el tipo de fluido, así como las condiciones del mismo, de lo cual podemos listar algunas características de una válvula que serán importantes.     . Tipo de accionamiento. Presión de trabajo. Corrosividad del fluido. Temperatura de trabajo Cantidad de flujo.. Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha. el paro y la dirección. así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenado en un depósito. En lenguaje internacional, el término "válvula" o distribuidor., es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento. grifos. etc. Esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et Pneumatiques). Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos:     . Válvulas de vías o distribuidoras Válvulas de caudal Válvulas de bloqueo Válvulas de cierre Válvulas de presión. Las válvulas son uno de los elementos principales en cuanto a los actuadores, dentro de los procesos que involucren algún tipo de control. Así, las válvulas realizan la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportandose como un orificio de área continuamente variable. A continuación, se mencionan algunas de las características más importantes de las válvulas, así como detalles que se deben de conocer de las mismas. . Cuerpo de la válvula.. El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin pérdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión o a la corrosión producidas por el fluido. El cuerpo y las conexiones a la tubería (bridadas o roscadas) están normalizados de acuerdo con las presiones y temperaturas de trabajo en las normas DIN y ANSI, entre otras. . Tapa de la válvula. La tapa de la válvula de control tiene por objeto unir el cuerpo al servomotor. A su través desliza el vástago del obturador accionado por el motor. Este vástago dispone generalmente de un índice que señala en una escala la posición de apertura o de cierre de la válvula. Para que el fluido no se escape a través de la tapa es necesario disponer una caja de empaquetadura entre la tapa y el vástago. . Parte internas de una válvula. Como partes internas de una válvula se consideran generalmente las piezas metálicas internas desmontables que están en contacto directo con el fluido. Estas piezas son el vástago, la.

(8) empaquetadura, el collarín de lubricación, los anillos de guía, el obturador y el asiento o los asientos. Hay que señalar que el obturador y el asiento constituyen el «corazón de la válvula» al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido. 4.2.1 Tipos de válvulas Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación 4.2.2 Válvulas de Bola Las válvulas de bola (Figura 1) ofrecen muy buena capacidad de cierre y son prácticas porque para abrir y cerrar la válvula es tan sencillo como girar la manivela 90°. Se pueden hacer de 'paso completo', lo que significa que la apertura de la válvula es del mismo tamaño que el interior de las tuberías y esto resulta en una muy pequeña caída de presión. Otra característica principal, es la disminución del riesgo de fuga de la glándula sello, que resulta debido a que el eje de la válvula solo se tiene que girar 90°.. Figura 1. Válvula de Bola [5] La válvula de bola hace uso de un anillo suave conformado en el asiento de la válvula. Si la válvula se utiliza en posición parcialmente abierta, la pr esión se aplica a sólo una parte del asiento de la válvula, lo cual puede causar que el asiento de la válvula se deforme. Si el siento de la válvula se deforma, sus propiedades de sellado se vulneran y esta fugará como consecuencia de ello 4.2.3 Las electroválvulas: Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el paso de un fluido por un conducto o tubería. La válvula se mueve mediante una bobina solenoide. Generalmente no tiene más que dos posiciones: abierto y cerrado, o todo y nada. Las electroválvulas se usan en multitud de aplicaciones para controlar el flujo de todo tipo de fluidos. 4.2.4 Motores de corte: Son accionadores que se ponen sobre la llave de corte y actúan sobre está girándola. Consiste en un motor controlado para corte de suministro y el corte automático del suministro tanto para válvulas de agua como de gas. Está equipado con tecnología Z-Wave para su uso en casas inteligentes equipadas con sistemas domóticas. Cuentan con una fuente de alimentación, accesorios de montaje y la Guía Rápida de Inicio. Sirve para los tubos y válvulas más usuales en todas las instalaciones de hoy en día, incluyendo tamaños de ½” y ¾" (media y tres cuartos de pulgada). No es necesario desmontar tuberías ni válvulas de paso, ni es necesario drenar ningún circuito, puesto que no hay.

(9) que desmontar nada a nivel de fontanería. Normalmente la instalación se puede realizar en unos 5 o 10 minutos. Actúan mediante un motor que cierra mecánicamente la actual válvula siempre y cuando ésta sea de tipo bola (la mayoría de las instaladas en la actualidad en España). Aunque el motor requiere tan sólo 12 Voltios (1A), dispone de gran fuerza de salida y capacidad de palanca, lo que permite cerrar la válvula de bola en apenas 10 segundos. Incluso puede ser realizado fácilmente un cierre manual, en caso de fallo de corriente. Este sistema se alimenta y se opera a 12V, por lo que cuando recibe tensión se lleva a cabo la maniobra de corte. 4.2.5 Válvulas Inteligentes Elemento final de lazo de control Interrumpe o deja pasar el fluido según la señal correctora que le llegue desde el controlador, comportándose como un orificio de área continuamente variable, que modifica la pérdida de carga, según lo dirigido por la señal de un controlador. Esto permite el control del caudal y el consiguiente control de las variables del proceso tales como; presión, temperatura y nivel. Es muy extenso hablar sobre válvulas y más aún de sus controles y automatización. No obstante, trataremos de exponer lo más claro y breve posible los conceptos actuales y facilitar consejos prácticos de acuerdo a criterios, desarrollo y evolución que hemos podido aprender a lo largo de muchos años trabajando con este elemento final de control que es el más importante para el buen funcionamiento de los procesos industriales. Obviamente el mundo de las válvulas de control no ha quedado ajeno a estos avances tecnológicos y actualmente se han incorporado posicionadores y controladores expertos inteligentes que se pueden montados en cualquier válvula de control. Las especificaciones para válvulas de control son lo que indican lo mínimo que debe de contener una válvula para satisfacer todas las condiciones de operación, el tipo de aplicación y los requerimientos del usuario. Todas las especificaciones se relacionan con las partes de la válvula de control y el flujo de fluidos, considerando la experiencia acumulada del usuario y de las instituciones que normalizan todo lo relacionado con las válvulas de control, como es la ISA que rige para toda América. Las especificaciones mencionan cómo deben de diseñarse y calcularse las diferentes partes de la válvula de control en función de los datos y detalles de operación y diseño y de los requerimientos del usuario. Cuando un usuario solicita una válvula de control para una construcción nueva o en substitución de una válvula existente, debe de dar junto con los datos de operación las especificaciones. En la terminología de la técnica de Regulación y control, la válvula es el órgano de control o elemento de control final Elementos: – Cuerpo y partes internas: regulan el paso del fluido – Actuador o servomotor: actúa sobre el obturador de la válvula modificando su apertura, en función de la señal que le llega digital controla la presión manométrica antes o después del orificio de la válvula, y la temperatura o el caudal, y envía la señal de salida al módulo del posicionador electroneumático acoplado al actuador..

(10) El software permite seleccionar la característica deseada de la válvula: lineal, igual porcentaje, apertura rápida y la que pueda especificar el usuario. La válvula inteligente acepta la entrada del valor externo del punto de consigna y la comunicación digital a través de la interfaz RS-485 con el protocolo adecuado para comunicarse con los sistemas de control distribuido Además permite llevar el proceso a una condición de seguridad en el caso de problemas graves. Por ejemplo, si se pierde la comunicación con el control distribuido, el sistema puede ser programado para conducir la válvula a una posición de seguridad que impida la pérdida del material o para prevenir una condición de peligro para el operador de la planta. Tendrá en funcionamiento cada vez que el usuario desee girar la válvula a cualquier grado de funcionamiento (recordemos que en esta situación será de 0º a 180º), esta misma será posicionada con ayuda del servomotor. Servomotor Un servomotor es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.. Figura 7. Servomotor Características de los servomotores:     . Modulación: Análoga Torque: 4.8V: 42.0 oz-in (3.02 kg-cm~13 kg-cm) / 6.0V: 49.0 oz-in (3.53 kg-cm~ 15kg-cm) Velocidad: 4.8V: 0.19 sec/60° / 6.0V: 0.16 sec Peso: 1.73 oz (49g) Dimensiones: Largo: 1.60 in (40.6 mm) / Ancho: 0.80 in (20.3 mm) / Alto: 1.40 in (35.6 mm) Tipo de engranaje: Metalico o plástico Rango rotacional: 180° Ancho de pulso: 700-2600us. 4.3 Alternativas de comunicación inalámbrica Primeramente, se analizarán las tecnologías que se podrían utilizar como medio de comunicación inalámbrico, ya que de ello va a depender la elección de algunos de sus componentes..

(11) En este apartado se explicarán las características de dichas tecnologías y su relación con el proyecto. 4.3.1 Bluetooth Bluetooth es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica, que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2.4 GHz. Los principales objetivos que se pretende conseguir con esta norma son:   . Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos. Eliminar cables y conectores entre éstos. Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre nuestros equipos personales.. Este protocolo de comunicaciones está diseñado especialmente para dispositivos de bajo consumo, que requieren corto alcance de emisión y basados en transceptores de bajo costo. En la siguiente figura se muestra la pila del protocolo en las capas inferiores del modelo del OSI en la tecnología inalámbrica de Bluetooth y su relación con este estándar. Como se puede observar en la siguiente figura las subcapas LLC (Logical Link Control) y el MAC juntas abarcan las funciones deseadas para el DLL del modelo de OSI.. Figura 2. Integración WPAN en el modelo OSI. IEEE 802 fue un proyecto creado en febrero de 1980 paralelamente al diseño del Modelo OSI. Se desarrolló con el fin de crear estándares para que diferentes tipos de tecnologías pudieran integrarse y trabajar juntas. El proyecto 802 define aspectos relacionados con el cableado físico y la transmisión de datos. IEEE ha establecido el grupo de trabajo 802.15 para WPAN. Este grupo de trabajo desarrolla un estándar WPAN basado en estándar 802, cuya meta principal es la baja complejidad, bajo consumo de energía y la interoperabilidad y coexistencia con las redes 802.11, correspondiente a las redes WiFi (WLAN). Los dispositivos que incorporan este protocolo pueden comunicarse entre sí, cuando se encuentran dentro de su alcance. Las comunicaciones se realizan por radiofrecuencia de forma que los dispositivos no tienen que estar alineados y pueden incluso estar en habitaciones separadas si la.

(12) potencia de transmisión es suficiente. Estos dispositivos se clasifican como "Clase 1", "Clase 2" o "Clase 3" en referencia a su potencia de transmisión. Tabla 1. Clases de dispositivos Bluetooth. Cabe mencionar que en la mayoría de los casos, la cobertura efectiva de un dispositivo de clase 2 se extiende cuando se conecta a uno de clase 1. Esto es así gracias a la mayor sensibilidad y potencia de transmisión del dispositivo de clase 1. Es decir, la mayor potencia de transmisión del dispositivo de clase 1 permite que la señal llegue con energía suficiente hasta el de clase 2. Por otra parte la mayor sensibilidad del dispositivo de clase 1 permite recibir la señal del otro pese a ser más débil. 4.3.2 ZigBee ZigBee es un estándar de red inalámbrica de comunicación en malla de bajo consumo y bajo coste. Su bajo coste permite que la tecnología sea utilizada ampliamente en aplicaciones de monitorización de sensores y control inalámbrico. Su bajo consumo le permite una mayor duración de las baterías, pudiendo ser éstas más pequeñas. Los fabricantes de chips ZigBee suelen vender integrados junto al emisor/receptor, microcontroladores con entre 60 kB y 256 kB de memoria Flash. ZigBee opera en los sectores industrial, científico y médico (ISM bandas de radio), 868 MHz en Europa, 915 MHz en los EE.UU. y Australia y 2,4 GHz en la mayoría de las jurisdicciones del mundo. Las tasas de transmisión de datos varian de los 20 kb/s en las frecuencias de 868 MHz a 250 kb/s en la banda de frecuencia de 2,4 GHz. La capa de red ZigBee soporta de forma nativa configuraciones tanto en estrella como en árbol, así como en malla genérica. Cada red debe tener un dispositivo coordinador, que en nuestro caso se trataría del servidor al que se conectaría la válvula, encargado de su creación, el control de sus parámetros y mantenimiento básico. Dentro de las redes en estrella, el coordinador debe ser el nodo central. Tanto las configuraciones en arboles como en mallas permiten el uso de routers ZigBee para extender la comunicación a nivel de red..

(13) Figura 3. Modelo ZigBee ZigBee se basa en la capa física y de control de acceso al medio que se define en el estándar IEE 802.15.4 (2003) de baja velocidad WPAN. La especificación continúa para completar la norma mediante la adición de cuatro componentes principales: la capa de red, la capa de aplicación, los objetos de dispositivo ZigBee (ZDOS) y fabricante de objetos definidos por las aplicaciones que permiten la personalización y la integración. La mejora más significativa es la introducción de ZDOS que son responsables de tareas que incluyen el mantenimiento de las funciones del dispositivo, la gestión de las solicitudes para unirse a una red, detección de dispositivos y la seguridad. Los nodos ZigBee pueden pasar de inactivos (dormidos) a activos en 30 ms o menos. Duermen todo el tiempo, bajando el consumo medio de energía y alargando la vida útil de las baterías. Los dispositivos ZigBee son de tres tipos: .  . Coordinador ZigBee (ZC): el dispositivo más fundamental, pues el Coordinador forma la raíz del árbol de red y es encargado de tender un puente a otras redes. Almacena la información de la red, incluyendo su calidad de Centro y las claves de seguridad. ZigBee Router (ZR): además de ejecutar una función de aplicación, un router puede actuar como un enrutador intermedio en la transmisión de datos desde otros dispositivos. ZigBee End Device (ZED): contiene suficiente funcionalidad para hablar con el nodo principal (ya sea coordinador o router), pero no puede transmitir datos a otros dispositivos. Esta relación permite que el nodo se duerma sin restricciones de tiempo, dando así una larga vida útil de la batería. Un ZED requiere muy poca memoria, y por tanto, suele ser menos costoso de fabricar que un ZR o ZC.. Para la aplicación que concierne este proyecto se necesitaría un ZC que cree la red y se comunique con el servidor o forme parte de él y un ZED por cada válvula. Esto limitaría el alcance de la red al no existir nodos repetidores ya que la red se asemejaría más a una red en estrella que a una mallada..

(14) 4.3.3 WiFi El Wifi es un mecanismo de conexión de dispositivos electrónicos de forma inalámbrica. Los dispositivos habilitados con WiFi pueden conectarse a internet a través de un punto de acceso de red inalámbrica. Dicho punto de acceso tiene un alcance de unos veinte metros en interiores, alcance que incrementa al aire libre. WiFi es una marca de la Alianza WiFi, la organización comercial que adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen con los estándares 802.11 relacionados a redes inalámbricas de área local. El estándar IEEE 802.11 define el uso de los dos niveles inferiores de la arquitectura o modelo OSI (capa física y capa de enlace de datos), especificando las normas de funcionamiento de una red de área local inalámbrica (WLAN). La primera versión de la norma se publicó en 1997 por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) o IEEE, el cual actualmente se encarga de su mantenimiento. Las especificaciones de este estándar proporcionan la base para los productos con redes inalámbricas que hacen uso de la marca Wi-Fi. Existen diversos tipos de WiFi, basado cada uno de ellos en una estándar IEEE 802.11 aprobado. Son los siguientes: . . Los estándares IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n disfrutan de una aceptación internacional debido a que la banda de 2,4 GHz está disponible casi universalmente, con una velocidad de hasta 11 Mbit/s, 54 Mbit/s y 300 Mbit/s, respectivamente. En la actualidad ya se maneja también el estándar IEEE 802.11ac, conocido como WIFI 5, que opera en la banda de 5 GHz y que disfruta de una operatividad con canales relativamente limpios. La banda de 5 GHz ha sido recientemente habilitada y, además, no existen otras tecnologías (Bluetooth, microondas, ZigBee, WUSB) que la estén utilizando, por lo tanto existen muy pocas interferencias. Su alcance es algo menor que el de los estándares que trabajan a 2,4 GHz (aproximadamente un 10 %), debido a que la frecuencia es mayor (a mayor frecuencia, menor alcance).. La norma IEEE 802.11 fue diseñada para sustituir el equivalente a las capas físicas y MAC de la norma 802.3 (Ethernet). Esto quiere decir que en lo único que se diferencia una red WiFi de una red Ethernet es en cómo se transmiten las tramas o paquetes de datos; el resto es idéntico. Por tanto, una red local inalámbrica 802.11 es completamente compatible con todos los servicios de las redes locales (LAN) de cable 802.3. Esto supone una gran ventaja debido a que en casi todas las viviendas hoy día hay disponible una conexión a Internet, ya sea por Ethernet o por WiFi, lo que facilitaría el despliegue y ahorraría mucho tiempo y costes ya que no se necesita ningún otro elemento para establecer una comunicación entre el servidor y nuestra válvula. Existen varios dispositivos WiFi, los cuales se pueden dividir en dos grupos: dispositivos de distribución o de red, entre los que destacan los enrutadores, puntos de acceso y repetidores; y dispositivos terminales que en general son las tarjetas receptoras para conectar a la computadora personal, ya sean internas (tarjetas PCI) o bien USB.. Dispositivos de distribución o de red: . Los puntos de acceso son dispositivos que generan un set de servicio, que podría definirse como una red WiFi a la que se pueden conectar otros dispositivos. Los puntos de acceso permiten, en resumen, conectar dispositivos de forma inalámbrica a una red existente..

(15) . . Pueden agregarse más puntos de acceso a una red para generar redes de cobertura más amplia, o conectar antenas más grandes que amplifiquen la señal. Los repetidores inalámbricos son equipos que se utilizan para extender la cobertura de una red inalámbrica, éstos se conectan a una red existente que tiene señal más débil y crean una señal limpia a la que se pueden conectar los equipos dentro de su alcance. Algunos de ellos funcionan también como punto de acceso. Los enrutadores inalámbricos son dispositivos compuestos, especialmente diseñados para redes pequeñas (hogar o pequeña oficina). Estos dispositivos incluyen, un enrutador (encargado de interconectar redes, por ejemplo, nuestra red del hogar con Internet), un punto de acceso (explicado más arriba) y generalmente un conmutador que permite conectar algunos equipos vía cable (Ethernet y USB). Su tarea es tomar la conexión a Internet, y brindar a través de ella acceso a todos los equipos que conectemos, sea por cable o en forma inalámbrica.. Los dispositivos terminales mayoritarios: tarjetas PCI y tarjetas USB: . . Las tarjetas PCI para WiFi se agregan (o vienen de fábrica) a los ordenadores de sobremesa. Hoy en día están perdiendo terreno debido a las tarjetas USB. Dentro de este grupo también pueden agregarse las tarjetas MiniPCI que vienen integradas en casi cualquier computador portátil disponible hoy en el mercado. Las tarjetas USB para WiFi son el tipo de tarjeta más común que existe en las tiendas y más sencillo de conectar a un pc, ya sea de sobremesa o portátil, haciendo uso de todas las ventajas que tiene la tecnología USB. Hoy en día puede encontrarse incluso tarjetas USB con el estándar 802.11N (Wireless-N) que es el último estándar liberado para redes inalámbricas.. Debido a la gran variedad de estándares y dispositivos existe también una gran variedad de características de consumo, alcance, ancho de banda, etc. Por lo general los dispositivos de pequeña potencia como el que necesitaríamos son capaces de transmitir a una distancia inferior a 20 metros aumentando esta distancia sin obstáculos ni interferencias. 4.3.4 Conclusión Tras el análisis de las diferentes formas de conexión inalámbrica se ha decidido utilizar WiFi, debido a que su uso está claramente mucho más extendido que el resto, también tiene un alcance acorde con la aplicación de este proyecto. Aunque a priori ZigBee sería la tecnología idónea, ya que para la aplicación del proyecto cumple todos los requisitos y es mejor que el uso de Bluetooth en lo referente al consumo. Bluetooth tiene incluso una mejor velocidad de hasta 3000 kb/s frente a los 250 kb/s de ZigBee, pero la resolución de este proyecto esto no es una característica determinante, ya que el volumen de la transmisión y recepción de datos no será muy pesado. Sin embargo se necesitarían módulos adicionales para establecer la comunicación hasta el servidor, en el caso de ZigBee o módulos con unos requerimientos específicos en el caso de Bluetooth, perfil PAN (Personal Area Networking profile). Por este motivo se usará WiFi como la tecnología inalámbrica para el desarrollo de este proyecto. Además se disponían de todos los componentes necesarios para el comienzo del proyecto. En lo referente al consumo, el resto de tecnologías presentan un menor gasto de energía que el WiFi, lo que hace que este sea el principal inconveniente a resolver. En este proyecto se detallará la solución adoptada a este problema..

(16) 4.4 Elección del dispositivo de comunicación y procesador de señales El dispositivo elegido para establecer la comunicación inalámbrica es el ESP8266. Es un módulo ampliamente extendido, fácil de encontrar y muy barato. Disponible en varias versiones y fácilmente configurable.. Figura 4. Versiones ESP. Estos dispositivos presentan las características generales señaladas en la siguiente tabla: Tabla 2. Características ESP8266.

(17) Como podemos ver el rango de tensiones operativo del ESP8266 se adapta perfectamente a las condiciones de partida de nuestro proyecto, siendo compatible con la alimentación de 3V que posee la válvula. También posee varias interfaces de comunicación, UART, SPI, I2C entre otras, que nos servirán para comunicar este módulo con nuestro MCU. Los ESP8266 se configuran a través de comandos AT, aunque también se puede cambiar el firmware para hacerlo con script de Lua. En este proyecto, se ha decidido no modificar el firmware por defecto del ESP8266, por lo que se usarán comandos AT para la configuración de dicho dispositivo. Los comandos AT, originalmente llamado comandos Hayes, son un lenguaje desarrollado por la compañía Hayes Communications que prácticamente se convirtió en estándar abierto de comandos para configurar y parametrizar módems. Los caracteres “AT” que preceden a todos los comandos, significan “ATtention” (atención), e hicieron que se conociera a este conjunto de comandos como comandos AT. En los siguientes subapartados se detallarán los dos módulos utilizados para el desarrollo del proyecto. ESP-12f Para esta aplicación se ha decidido usar el ESP8266 versión ESP-12f.

(18) Figura 5. ESP-12f El dispositivo WiFi ESP-12 está desarrollado por Ai-thinker Team, es el módulo de menor tamaño que se encuentra encapsulado bajo el shield Tensilica L106. Éste integra un microprocesador de 32 bits de muy bajo consumo y una antena on-board. Es el que se usará para instalarlo sobre la PCB que se diseñe a lo largo de este proyecto. Presenta las mismas características generales citadas anteriormente. El pinout de este módulo, que servirá como referencia para el desarrollo de la placa, se muestra en la siguiente figura:. Figura 6. Pinout ESP-12f. NodeMcu Es un firmware de código abierto y un kit de desarrollo que se ha usado como prototipo para realizar las pruebas necesarias para la realización del proyecto. Es de bajo costo, programable, interactivo y pequeño. Además la placa posee headers con una separación (pitch) de 2,54 mm, ideales para poder utilizarse sobre una protoboard.. Figura 7. NodeMcu.

(19) Este kit incluye: -. USB-TTL, plug&play. 10 GPIO Antena PCB. Lo más relevante es que incluya el USB-TTL, lo cual permite la comunicación con un PC directamente a través de un cable USB. Para las primeras pruebas se usaron programas de comunicación serie a través de un puerto COM del ordenador. Estos programas son fáciles de usar y permitieron una primera toma de contacto con el ESP8266. Algunos de estos programas son el Terminal.exe y putty.exe. Una vez seleccionado el módulo WiFi y descritas las tareas que realizará el conjunto de la válvula, quedan designadas las características mínimas que ha de tener el microcontrolador que gestione la actividad de dicho conjunto. El sistema de Hardware Libre NODE MCU es una board de desarrollo basada en el microcontrolador ESP8266-12e que cuenta con salidas análogas y una entrada análoga. Dicho dispositivo se programa usando lenguaje LUA aunque también existe un entorno de programación con las librerías necesarias para su programación en lenguaje C++. Node Mcu integra un controlador USB-Serial el cual se usa para programación y comunicación, también cuenta con un regulador de tensión el cual facilita el uso del microcontrolador al ampliar su voltaje de operación (3.3V a 20V) [9] la característica más importante de este microcontrolador es su capacidad de conexión a internet a través de WiFi así como la posibilidad de configurar su funcionamiento tanto como Cliente o como Servidor Web. Estas características son las que más se tienen en cuenta     . Interfaz de comunicación, UART, SPI. Modulo PWM Bajo consumo Alimentación adecuada Gestión de alarmas. 4.5 Internet de las cosas (IoT) El Internet de las Cosas (IoT) es un paradigma de comunicación reciente que prevé un futuro cercano, en el que los objetos de la vida cotidiana estarán equipados con microcontroladores, transceptores de comunicación digital, y pilas de protocolos adecuados que les haga capaces de comunicarse entre sí y con los usuarios, convirtiéndose en una parte integral de la Internet [10]. El concepto de IoT, por lo tanto, tiene por objeto hacer que Internet sea aún más envolvente y penetrante. Por otra parte, al permitir un fácil acceso y la interacción con una amplia variedad de dispositivos como, por ejemplo, electrodomésticos, cámaras de vigilancia, el seguimiento de los sensores, actuadores, displays, vehículos, y así sucesivamente, el IoT fomentará el desarrollo de una serie de aplicaciones que hacen uso de la potencialmente enorme cantidad y variedad de datos generados por este tipo de objetos para proporcionar nuevos servicios a los ciudadanos, empresas y administraciones públicas. Este paradigma de hecho encuentra aplicación en muchos campos diferentes, tales como la domótica, automatización industrial, ayudas médicas, cuidado de la salud móvil, la asistencia de ancianos, la gestión inteligente de la energía y las redes inteligentes, la automoción, la gestión del tráfico, y muchos otros [11]. Como una tecnología emergente, se espera que el Internet de las cosas (IoT) ofrezca soluciones prometedoras para transformar el.

(20) funcionamiento y el papel de muchos sistemas industriales existentes, tales como los sistemas de transporte y sistemas de fabricación. Por ejemplo, cuando el IoT se utiliza para la creación de sistemas de transporte inteligentes, la autoridad de transporte será capaz de rastrear la ubicación actual de cada vehículo, controlar su movimiento y predecir su futura ubicación y posible tráfico por carretera. El término IoT fue propuesto inicialmente para referirse únicamente a objetos conectados mediante la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID). Más tarde, los investigadores relacionan IoT con más tecnologías como sensores, actuadores, dispositivos GPS y dispositivos móviles. Hoy en día, una definición comúnmente aceptada de IoT es una infraestructura de red global y dinámica con capacidades de autoconfiguración basado en protocolos de comunicación estándar e interoperables, donde las "cosas" físicas y virtuales tienen identidades, atributos físicos, personalidades virtuales, utilizan interfaces inteligentes, y están perfectamente integrados en la red de información [2]. 4.6 UPB El sistema de comunicación que hace uso de la red eléctrica como medio físico de transmisión, apareció alrededor de los años 50 y había sido considerado durante muchos años como una alternativa para la transmisión de información a bajas de transferencia; sin embargo, en la actualidad esto ya no es así, debido a que esta tecnología ha migrado hacia las redes de datos gracias a los avances en los esquemas de modulación tales como: OFDM (Orthogonal frecuency division multiplexing) y CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). La red eléctrica es una estructura que hasta el momento ha sido utilizada exclusivamente para el transporte de energía eléctrica. Sin embargo, es posible hacer uso de esta gran red en procesos de comunicación y transmisión de información tales como: telemetría, voz, datos y video; teniendo en cuenta que la red eléctrica no había sido concebida para tal fin. Por tal razón, la tecnología UPB se convierte en un tema de investigación con el objetivo de conocer los parámetros de viabilidad en el país, debido a que algunos aspectos que son descritos en el Código Eléctrico Colombiano (NTC 2050) como los sistemas de puesta a tierra en redes domiciliarias no son implementados acorde con él, lo cual conlleva a que las redes eléctricas presenten altos niveles de ruido y a efectos que se pueden producir en el momento de hacer uso de esta tecnología. La red eléctrica ha sido considerada últimamente como una alternativa bastante llamativa para la transmisión de datos, su uso en este sentido permite el ahorro de cableado y aprovechamiento de las redes ya construidas en las viviendas actualmente. El uso de la red eléctrica como medio físico de transmisión, brinda la posibilidad de establecer procesos de comunicación utilizando infraestructura ya existente, convirtiendo el cableado de distribución doméstico en una red de área local, transformando cada tomacorriente en un punto de acceso a esta red, permitiendo llegar a diferentes rincones donde otros medios de transmisión no llegarían tan fácilmente. Es por ello que se pensó en el diseño de un prototipo que consiste de un transmisor y un receptor que permitan establecer una comunicación serial entre dos computadores a una velocidad máxima de 600 baudios, utilizando tecnología existente en el mercado y de fácil implementación. 4.7 Domótica Por otra parte, la domótica es un área de investigación moderna, que persigue el desarrollo de sistemas de automatización de viviendas, abarcando los aspectos relacionados con edificaciones inteligentes, el control de dispositivos domésticos y de seguridad principalmente. Este trabajo obedece a un desarrollo en domótica acorde con la realidad y necesidades colombianas, haciendo uso de dispositivos y elementos disponibles en el mercado local. El sistema consta de una unidad central que es el PC, una interfaz de comunicación RS232/FSK, un módulo domótico que cuenta con un sistema de comunicación semi-duplex utilizando un protocolo experimental, una etapa de.

(21) potencia que permite conectar cargas resistivas e inductivas y una terminal adicional para conexión de sensores. Y está en capacidad de realizar funciones especiales tales como el control de la intensidad luminosa de lámparas incandescentes, programación horaria y semanal del encendido y apagado de las diferentes cargas. Adicionalmente, el manejar la red eléctrica como medio físico de transmisión, utilizando un protocolo de comunicación, permitirá establecer procesos de comunicación entre el nodemcum y el módulo domótico mejorando las condiciones establecidas por otros protocolos. 4.8 Protocolo de comunicación MQTT MQTT (Message Queue Telemetry Transport), un protocolo usado para la comunicación machineto-machine (M2M) en el "Internet of Things". Este protocolo está orientado a la comunicación de sensores, debido a que consume muy poco ancho de banda y puede ser utilizado en la mayoría de los dispositivos empotrados con pocos recursos (CPU, RAM, …). Un ejemplo de uso de este protocolo es la aplicación de Facebook Messenger tanto para android y Iphone. La arquitectura de MQTT sigue una topología de estrella, con un nodo central que hace de servidor o "broker" con una capacidad de hasta 10000 clientes. El broker es el encargado de gestionar la red y de transmitir los mensajes, para mantener activo el canal, los clientes mandan periódicamente un paquete (PINGREQ) y esperan la respuesta del broker (PINGRESP). La comunicación puede ser cifrada entre otras muchas opciones.. La comunicación se basa en unos "topics" (temas), que el cliente que publica el mensaje crea y los nodos que deseen recibirlo deben subscribirse a él. La comunicación puede ser de uno a uno, o de uno a muchos. Un "topic" se representa mediante una cadena y tiene una estructura jerárquica. Cada jerarquía se separa con '/'. Por ejemplo, "edificio1/planta5/sala1/raspberry2/temperatura" o "/edificio3/planta0/sala3/arduino4/ruido". De esta forma se pueden crear jerarquías de clientes que publican y reciben datos, como podemos ver en la imagen:.

(22) 5 METODOLOGIA 5.1 Integración de Elementos y Elaboración Esquema General En la figura 4 se muestra el esquema general de la solución propuesta. Los bloques identifican cada uno de los componentes principales de la solución. Los componentes principales de los dispositivos de medición son los siguientes:. Mecánica. Accionamiento manual. Comunicación.

(23) . . . . Sistema Mecánico: Esta compuesto por dos motores servos cada uno a 15 kg un arreglo de tres piñones, dos de 3cm y uno de 6 cm. Estas tres partes van ancladas a un soporte. Por ultimo contamos con un brazo de acero inoxidable, que es movido por el piñón de 6 cm. Todo este sistema cuenta con una alimentación de 5V dc. Accionamiento Manual: Nuestro sistema cuenta un accionamiento de la válvula manual. El cual cuenta con dos pulsadores y dos indicadores visual para poder accionar la apertura o cierre de la válvula. Microcontrolador: Contamos con un Nodemcu, este tiene integrado una tarjeta de conexión wifi dándonos una solución para la conexión remota con otras plataformas. Cuenta con una salida pwm para poder manejar los motores. Este es alimentado por un regulador de 3.3v Comunicación: encontramos varios sistemas de comunicación ya que deseamos que la válvula sea lo más compatible con los demás sistemas por consiguiente hemos aplicado los siguientes sistemas de comunicación: Mqtt, Modbus, Aws, IOT.. 5.2 Desarollo 5.2.1 Sistema mecánico Con el fin de cumplir con uno de los objetivos propuestos en este proyecto se inicia la búsqueda de lograr el mejor diseño posible, cumpliendo los siguientes parámetros: económico, versátil, replicable, fácil de instalar y de usar. Teniendo claro esto se realizan diversos prototipos cada uno con mejoras mecánicas en el diseño con el fin de alcanzar los parámetros requeridos Se trabaja en el concepto de un brazo que le permita ser más versátil ya que en las casas colombianas no todos los registros son iguales. Esto brazo tiene un sistema de calibración en su extremo final en los vértices Y y Z. Este brazo genera un problema de fuerza por la palanca ejercida.

(24) y obliga a la utilización de un motor servo más grande que los convencionalmente se encuentran en el mercado. Buscando una solución a este problema mencionado anteriormente se modifica un servomotor cambiando su motor dc por uno más grande esta modificación conlleva cambiar el eje principal del motor y su tarjeta de control este acople resulta efectivo en el torque requerido para el control de los registros, es económico fácil de instalar y de usar, pero no cumple con el parámetro que sea fácil de replicar. Al encontrarnos con este problema de su difícil replica ya que la elaboración de los bujes es engorrosa y el cambio de controlador de posicionamiento no es viable. Estas razones conducen a un nuevo prototipo que propone llevar dos motores las ventajas que encontramos es la versatilidad necesaria el torque requerido, aunque incrementa el precio con respecto al diseño anterior esta entre los parámetros establecidos. En busca de utilizar la mejor tecnología que nos diera versatilidad a la hora de mantenimientos o soporte técnico, también cumpliendo la necesidad de precios y practicidad para el desarrollo del controlador definimos que este será el diseño final.. Es necesario que este diseño cuente con un acople y desacople de la válvula mecánicamente por seguridad en los hogares. Este acople consiste en soltar el engranaje de los motores para que el registro se pueda manipular (Apertura y Cierre) fácilmente con la mano. Ya que en cortes de luz o averías mecánica podrían influir en el funcionamiento en la válvula y no podemos permitir que el servicio de agua o gas queden interrumpidos o peor aún se presenten fugas. Por ultimo acoplamos dos mandos electrónicos un botón de apertura y cierre..

(25) A. B. C. D. E. F.. apertura de la válvula (accionamiento electrónico) Cierre de la válvula (accionamiento electrónico) Entrada del cargador de 12 V Des enclavamiento mecánico para manejo manual del registro Topes para ajustes del registro Anclaje de válvula a la pared. 5.3 Sistema electrónico Es necesario que nuestro sistema cuente con una fuente externa de 5 Vdc, y dos reguladores que a continuación exponemos..

(26) Se puede observar en la imagen que contamos con dos reguladores con salida indepedientes. El primer regulador de voltaje que observamos es un AMS1117-5. Este es un regulador de voltaje básico. Caracteristicas   . Voltaje de entrada: 6 a 12 VDC Voltaje de salida: 5 VDC (± 0.05 V) Corriente de salida máxima: 800 mA. Este es el encargado de suplir voltaje a los motores servo la conexión de estos se ve a continuación.. Se utiliza un motor servo porque estos permiten tener una exactitud en su posición de igual manera en la señal de retroalimentación que es dada por el motor permite medir la posición actual del motor dando una mayor exactitud, Otra ventaja que se debe mencionar es que no solo tendremos un motor de corte o apertura también es una válvula regulada sin necesidad de acoplar o elaborar otros sistemas de medición. La salidas del regulador AMS1117-3 este regukador es un dispositivo electrónico excelente para proyectos o controladores que requieran un suministro de voltaje estable, como lo pueden ser fuentes de alimentación, Pics, controladores de la linea Arduino e inclusive Raspberry Pi, evitando variaciones que pudieran generar un mal funcionamiento del circuito, así como minimizar que se dañen los componentes que lo conforman; trabaja como regulador lineal generando una salida constante de Voltaje (3.3V).      . Voltaje de salida: 3.3V Voltaje de entrada máximo: 15V. Corriente máxima: 1A. Temperatura de operación: -20 a 120°C. Dimensiones: 36mm*17mm*14mm Tipo de Integrado: Montaje superficial. Este suple energía al microcontrolador ESP-03 como a los periféricos de accionamiento manual estos son los dos indicadores visual (leds) y los dos accionamientos de apertura o cierre interruptores de la válvula.

(27) 5.4 Sistema Digital La unidad de procesamiento que está encargado de llevar a cabo el control. Es El ESP8266 que cuenta con las siguientes características:        . CPU Tensilica L106 32-bit Voltaje de operación entre 3V y 3,6V Corriente de operación 80 mA Temperatura de operación -40ºC y 125ºC Soporta IPv4 y los protocolos TCP/UDP/HTTP/FTP Tiene 17 puertos GPIO pero solo se pueden usar 9 o 10. El GPIO16 es especial ya que está conectado al RTC (Real Time Clock). Pueden ser configurados con resistencia Pull-up o Pull-down. Soporta los principales buses de comunicación (SPI, I2C, UART).. Este recibe los datos enviados por el motor junto con los datos de las demás interrupciones y es encargado de proporcionar la comunicación..

(28) La lógica implementada para el accionamiento mecánico de la válvula se ve expresada en el anterior diagrama de flujo. En este se ve la secuencial que ejecuta el microcontrolador para la apertura y cierre de la válvula. 5.5 Sistema Comunicación. Pensando en un sistema que pudiéramos integrar con el proyecto que se desarrolla paralelamente UPB el cual consiste en comunicarse por medio de la red eléctrica. Se desarrolla dos protocolos de comunicación Modbus y MQTT: Nuestro proyecto debe interactuar con los datos suministrado con la red UPB y el servidor mqtt. Este sistema se desarrolla sobre el microntrolador Nodemcu ESP8266; El cual cuenta con la ventaja de incorporar una antena de wifi embebida permitiendo la conexión sin necesidad de utilizar más recursos, es fácil de encontrar y su precio en el mercado es uno de los más economicos. La conexión con la red UPB es por medio modbus RS485 esta es encargada de interpretar los datos que son enviados de todos los perifericos que se encuentren instalado en la red eléctrica estos datos serán interpretados y acoplados para luego poder ser enviados a nuestro servidor. El usuario podrá contar con un acceso total por medio de una interfaz de usuario que es configurada en la web o en su dispositivo móvil gracias a la plataforma Linear MQTT Dashboard. Hay que aclarar que actualmente se encuentran con miles de posibilidades de un Broken MQTT y aplicativos para la conexión a estos. Nos hemos encarrilado con la plataforma CLOUDMqtt ya que esta es una de las más completas que se encuentran actualmente y su funcionamiento es gratuito. Esta plataforma es diseñada para aplicaciones complejas y las posibilidades de agrandar nuestra red según como sea conveniente..

(29) En el siguiente diagrama de flujo se explica el proceso que desarrolla el microcontrolador para establecer la comunicación con el broken de la plataforma CLOUDMqtt..

(30) 5.6 Interfaz de Usuario. Con ayuda de las diferentes tecnologías del IOT utilizamos el aplicativo ya mencionado este nos permite diseñar una interfaz muy amigable con el usuario final como lo podemos evidenciar en la imagen este aplicativo nos permite la integración de diferentes variables lectura y escritura de entradas digitales de la misma manera con las señales análogas permitiendo graficarlas tabularlas o simplemente mostrarlas en una variable haciendo que el usuario puede tener un fácil manejo de todos los dispositivos que se encuentren conectados en la red eléctrica de su casa..

(31) Esta aplicación es descargada directamente de la tienda PlayStore su configuración se hace de la siguiente manera. De igual manera el usuario cuenta con un control desde la plataforma CLouDMqtt. La cual se puede acceder de la siguiente manera. . Acceder a la siguiente dirección https://www.cloudmqtt.com/.  . Ingresar en Log in. Autentificarse. . Ingresar a la instancia del proyecto.

(32) . Ingresar a WebsocKet UI. En este punto el usuario podrá leer monitorear y de igual manera podrá controlar sus periféricos con solo escribir el topic a manejar. 6. MANUALES 6.1 Manual de Usurio.

(33) VÁLVULA DOMÓTICA PARA CONTROL DE FLUJO EN LOS REGISTROS AGUA O GAS. Gracias por escoger nuestro producto.. Le recordamos que esta válvula cuenta con un protocolo de comunicación Wifi otorgándole un manejo remoto a este dispositivo desde su celular o su laptop. Generando al usuario una seguridad y manejo total de este. Así mismo podrá integrar esta válvula a una comunicación con el protocolo UPB permitiéndole establecer este dispositivo como puerta de enlace. Brindándole que todos sus dispositivos conectados a la red eléctrica se puedan monitorear o controlar con la misma in terfaz que controla la válvula.. INSTALACIÓN. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS:. Haga el montaje de la válvula anclando Motor giratorio (90º). correctamente con el tornillo de sujeción a la pared Permite inversión de giro, invirtiendo la y céntrelo con el brazo de la llave de paso. polaridad de la alimentación. Anilla liberación mecánica, para control Estudie bien donde se pueden instalar los manual de la llave de paso. chazos sin perforar o afectar tuberías. Alimentación: 5VDC. Consuma Máx.: 300mA. Perfore instale los chazos y atornille el soporte Temperatura de trabajo: -20º a +50ºC. de la válvula centralizando el eje de la válvula Humedad de trabajo: 0 a 95% relativa. con la del soporte.  Angulo de maniobra: 90º. Conecta el cable usb --- usb configure la red wifi y conexión con el cloudmqtt según especificaciones del usuario. Configura el aplicativo Linear MQTT adecuadamente para la conexión con la plataforma de comunicación Broken. Conecte el cable usb y configure los siguientes parámetros.. a. Const char *ssid = Red WiFi; Const char *password = Contraseña de la Red WiFi; char SERVER[50] = IP Servidor int SERVERPORT= Puerto del servidor String USERNAME = Nombre del Tópico char PASSWORD[50] =Contraseña del Topico. . Peso: 300 gr. Dimensiones: 153 x 104 x 70 mm. Material chasis: ABS + brida metálica  ajustable por tornillo para tubería de 22 a 28mm.  Reducción: engranaje metálico. Tiempo de maniobra: 7 seg. Fuerza de rotación: 65Kg/cm2. . DESCRIPCIÓN: Corta al instante el Suministro de AGUA o GAS de la vivienda al recibir una señal de un sistema de mando.. La válvula gira 90º, quedando interrumpido el suministro Finalmente conecte el cable de poder al sistema al girar la llave de corte que proporcione 5 VDC (300mA). Adaptable a cualquier tubería Este. producto. ar en contacto con el ffluido a. rectamente. Su sustitución y. no. lo est. Fácil instalación. Perfecta resistencia al agua.. cor. GARANTÍA: La garantía de este producto es de 2 años desde la fecha de compra en condiciones normales de uso, tanto de materiales como defecto de fabricación. En cualquier ca so la garantía no cubrirá averías provocadas por el mal uso del equipo, negligencia o manipulaci ón por personal no autorizado.. electrónico).

(34) 6.2 MANUAL DE REPARACION.

(35) 6.3 MANUAL DE DISEÑO VÁLVULA DOMÓTICA PARA CONTROL DE FLUJO EN LOS REGISTROS AGUA O GAS. MANUAL DE DISEÑO. Mecánica. Accionamiento manual. Comunicación. DISEÑO MECANICO Este valvula mecanicamente podemos abordarla de la siguiente manera: Motores: Los motores que estan integradosen este sistema son dos motores Servo cada uno de 15 Kg. Con las siguientes dimensioenes..

(36) Continuando encontramos el soporte. Vista inferior. Vista superior. Este es el encargado de permitir el acople de los motores junto al juego de piñones (se explica en el siguiente punto). Esta pieza encaja los motores para evitar desplazamientos verticales de los motores y da el soporte al piñón central. Piñones. 3cm de Diámetro 19 Dientes. 38 Dientes 6 cm de Diametro.

(37) Se cuentan con tres piñones dos del mismo diámetro y cantidad de dientes y el otro con el doble de diámetros y doble de dientes, consiguiendo así una relación 2:1 esta relación se define envase de que el giro del servo es de 180° grados máximo y necesitamos reducir está a un máximo de 90° grados. Aprovechando todo el giro del motor y aumentado la suma de torque de los motores a 1kg. Por último, se hace el acople de estas tres piezas para lograr todo el diseño mecánico.. Los brazos que se ven en la figura son los encargados de poder hacer el acople con el brazo de la válvula instalada en los hogares. Son las únicas piezas que van atornillados al piñón. Las demás piezas son ajustadas por presión DISEÑO ELECTRONICO Y DE CONTROL En la parte electrónica sistema utilizamos una fuente reguladora que nos entrega 3.3v y 5v DC. Esta va distribuida para los sistemas de control y sistemas mecánicos..

(38) A continuación, se muestra la lógica implementada para el acople mecánico con el controlador.. Diagrama de flujo del control implementado..

(39) Circuito de conexión del microcontrolador. 7 CONCLUSIONES Gracias a este desarrollo logramos obtener una válvula que nos permita regular y controlar el paso de agua o gas en las viviendas, sin ningún tipo de restricción ya que es un sistema compatible y fácil de instalar. Obsequia a la industria de la domótica un gran recurso ya que permite automatizar cualquier tipo de sistema que tenga que utilizar un actuador como registro de paso puesto que este sistema no solo se diseñó como una válvula de cierre o corte sino también como una válvula regulada. Esta válvula se deja como base para próximos desarrollos. Como protocolos de seguridad, ejemplo posibles escapes de agua o de gas Por ultimo este Sistema pudo acoplar una comunicación por medio de la red eléctrica, subiendo estos datos a un broken mqtt permitiendo que todos los periféricos de la casa estén en una sola red sin necesidad de más cableado reduciendo los precios para poder domotizar las casas. Estos sistemas de comunicación tienen un gran auge de desarrollo actualmente y existen miles de aplicaciones que se están creando gratuitamente y abriendo una gran ventana al poder enviar los datos al broken y poder ser administrados.

(40) desde el mismo, dando así una independencia total al usuario ya que se pueden administrar o monitorear desde cualquier lugar.. Referencias  De Andrade and A. Pinzón, “IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE DOMÓTICA EN EL HOGAR,” pp. 1–77, 2013. . C. M. Correa, “Investigación del mercado domótico colombiano,” El Cuad. ciencias estrategicas, pp. 89–94.. . B. Castillo, “Implementación de un protocolo de comunicación inalámbrica para el control de dispositivos en forma remota de una casa domótica,” pp. 1–170, 2009.. . González, “DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA DOMÓTICO CON PROTOCOLO MODBUS PARA EL CONTROL DE VARIABLES DE SEGURIDAD, AHORRO ENERGÉTICO Y CONFORT POR MEDIO DE UN PLC,” pp. 1–37, 2013.. . C. Álvarez, D. Holguín, E. Serrano, and I. E. Leyton, “Diseño de una Instalación Domótica en un Condominio para el Control de Seguridad e Iluminación mediante la Tecnología LonWorks,” pp. 1–9, 1990.. . D. Hernández, “Control de una casa domótica para personas dependientes,” p. 123.. . E. C. Ceballos, “Diseño e Integración en Android de un Sistema de Realidad Aumentada y Reconocimiento de Imágenes para un Sistema de Domótica Asistencial,” vol. 1, pp. 1–174, 2013.. . ZTE Corporation, “Wireless ADSL Router Maintenance Manual,” ZTE, vol. 5, pp. 1–89, 2010.. . V. Muñoz, “PROTOTIPO DE SISTEMA DE CONTROL DOMÓTICO POR MEDIO DE DISPOSITIVOS ANDROID, UTILIZANDO PROCESSING,” pp. 1–85, 2013.. . M. L. Atzori, A. Iera, “The internet of things: A survey,” Comput. Networks, vol. 54, no. 15, pp. 2787–2805, 2010. [11] A. Zanella, N. Bui, A. Castellani, L. Vangelista, and M. Zorzi, “Internet of things for smart cities,” IEEE Internet Things J., vol. 1, no. 1, pp. 22–32, 2014..

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