UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DOMÓTICO EMBEBIDO PARA
GESTIONAR LA LUMINOSIDAD
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERA MECATRÓNICA
NATHALYA TERESA NOLIVOS TAPIA
DIRECTOR: MSc. ANÍBAL MANTILLA
DECLARACIÓN
Yo, Nathalya Teresa Nolivos Tapia, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_____________________
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño de un sistema domótico embebido para gestionar la luminosidad”, que, para aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue desarrollado por Nathalya Nolivos, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________ MSc. ANÍBAL MANTILLA
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A mi familia
Quienes a lo largo de mi vida me han apoyado y creyeron en mí. Mis abuelitos Jorge Tapia y Teresa Agualsaca, y mi madre Luly Tapia, quienes han sido mis pilares, en quienes he encontrado la fuerza para seguir adelante, dándome su amor incondicional y apoyo; a mi tía Mayda y mi tío Jorge por su cariño e impulso, que de una u otra forma han estado presentes a lo largo de mi vida.
Lo que soy es gracias a ustedes, por enseñarme lo importante de la perseverancia y los grandes sueños, de alcanzar mis objetivos, por formar mi carácter, en fin por todo.
A mis amigos
AGRADECIMIENTO
Quisiera agradecer, a todas las personas que de manera directa o indirecta contribuyeron a la realización de este Proyecto de titulación; de manera especial mis sinceros agradecimientos a M.S.c ANÍBAL MANTILLA, Director de Tesis por su colaboración y paciencia a lo largo del desarrollo de este proyecto.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ... IX ABSTRACT ... X 1. INTRODUCCIÓN ...
1.1 OBJETIVOS ... 3
1.1.1 OBJETIVO GENERAL ... 3
1.1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 4
2. MARCO TEÓRICO ... 2.1 ILUMINACIÓN ... 5
2.1.1 NATURALEZA DE LA LUZ ... 5
2.1.1.1 Espectro Electromagnético ... 5
2.1.2 PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA LUZ ... 6
2.1.2.1 Absorción ... 6
2.1.2.2 Reflexión ... 6
2.1.2.3 Transmisión ... 7
2.1.2.4 Refracción ... 8
2.1.2.5 Dispersión ... 8
2.1.3 TIPOS DE ILUMINACIÓN ... 9
2.1.4 CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES LUMINOSAS………. ………ELÉCTRICAS ... 11
2.1.4.1 Lámparas Fluorescentes ... 12
2.1.4.2 Leds ... 14
2.1.5 ACCESORIOS FIJOS DE ILUMINACIÓN ... 15
2.1.5.1 Luminarias suspendidas ... 16
2.1.5.2 Luminarias colocadas sobre superficie ... 16
2.1.5.3 Luminarias colocadas en riel eléctrico ... 17
2.1.5.4 Luminarias empotrables ... 17
2.1.6 NORMATIVAS ... 17
2.2 DOMÓTICA ... 20
2.2.1 ARQUITECTURA DE LA DOMÓTICA ... 21
2.3 PROTOCOLOSUTILIZADOSPARADOMÓTICA ... 23
2.3.1 X-10 ... 24
2.3.2 CEBus ... 27
2.3.3 LonWorks ... 29
2.3.4 BatiBus ... 31
2.3.5 C-Bus ... 33
ii
2.4.1 SISTEMA EMBEBIDO ... 37
2.4.2 CONTROLADORES ... 38
2.4.2.1 ARDUINO ... 38
2.4.2.2 MICROCONTROLADORES PIC`S ... 38
2.4.3 ACTUADORES ... 39
2.4.4 SENSORES ... 39
2.4.5 SENSOR FOTOELÉCTRICO ... 40
3. METODOLOGÍA ... 3.1 DIAGNOSTICO SITUACIONAL DE LA ILUMINACIÓN EN LA…… ……HABITACIÓN ... 41
3.1.1 ENTORNO DE LA HABITACIÓN ... 41
3.2 ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE LA….. ……LUMINOSIDAD ... 42
3.2.1 CONDICIÓN DE LA ILUMINACIÓN ACTUAL ... 44
3.3 DETERMINACIÓNDEESPECIFICACIONES ... 60
3.4 GENERACIÓNDEPOSIBLESSOLUCIONES ... 63
3.5 SELECCIÓNDEUNASOLUCIÓNAPROPIADA ... 67
3.5.1 ANÁLISIS DE LOS REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 67
3.6 DISEÑODELSISTEMA ... 69
3.6.1 ARQUITECTURA DOMÓTICA ... 74
3.6.2 COMUNICACIÓN ... 75
3.6.3 PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DOMÓTICO ... 77
3.6.4 MODELO DEL USUARIO ... 77
3.6.5 ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELECTRÓNICO ... 80
3.6.5.1 Diseño del Sistema Electrónico ... 83
3.7 IMPLEMENTACIÓNYPRUEBAS ... 88
3.7.1 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DISEÑADO... 89
3.7.2 PROCEDIMIENTO PARA IMPLEMENTACIÓN ... 89
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 4.1 ANÁLISISEINTERPRETACIÓNDERESULTADOS ... 91
4.2 COMPROBACIÓNDEHIPÓTESIS ... 102
4.2.1 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO... 104
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 5.1 CONCLUSIONES ... 108
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Desventajas de no utilizar Domótica ... 2
Figura 2.1 Espectro electromagnético. ... 6
Figura 2.2 Tipos de transmisión. ... 7
Figura 2.3 Elementos y flujo energético de una lámpara incandescente .... 11
Figura 2.4 Elementos y flujo energético de una lámpara fluorescente (baja ………intensidad de descarga) ... 13
Figura 2.5 Variación porcentual del flujo luminoso en lámparas ………fluorescentes conforme cambia la temperatura ambiente ... 13
Figura 2.6 Arquitectura domótica centralizada ... 21
Figura 2.7 Arquitectura domótica descentralizada ... 22
Figura 2.8 Arquitectura domótica distribuida ... 22
Figura 2.9 Arquitectura domótica hibrida ... 23
Figura 2.10 Ejemplo de Sistema de Control ... 36
Figura 2.11 Ejemplo Sistema de control de lazo abierto ... 36
Figura 2.12 Ejemplo de Sistema de control de lazo cerrado ... 37
Figura 3.1 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día templado, sin destellos de luz directos (LUX) ... 46
Figura 3.2 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día templado, con iluminación natural (LUX) ... 47
Figura 3.3 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día templado, con iluminación artificial (LUX) ... 48
Figura 3.4 Representación de los valores de los diferentes sectores en ...un día templado, con iluminación natural y artificial (LUX) ... 50
Figura 3.5 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día nublado, sin destellos de luz directos (LUX) ... 51
Figura 3.6 Representación de los valores de los diferentes sectores en …………...un día nublado, con iluminación natural (LUX) ... 52
Figura 3.7 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día nublado, con iluminación artificial (LUX) ... 53
Figura 3.8 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día nublado, con iluminación natural y artificial (LUX) ... 54
Figura 3.9 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………un día soleado, sin destellos de luz directos (LUX)... 55
Figura 3.10 Representación de los valores de los diferentes sectores en ………..un día soleado, con iluminación natural (LUX) ... 57
iv
Figura 3.12 Representación de los valores de los diferentes sectores en
………..un día soleado, con iluminación natural y artificial (LUX) ... 59
Figura 3.13 Representación de los valores obtenidos en la sección del ………..baño con iluminación artificial (LUX). ... 60
Figura 3.14 Arduino Mega ... 71
Figura 3.15 Arduino Uno ... 71
Figura 3.16 Posibilidades de operación mediante el control remoto ... 72
Figura 3.17 Modelado resumido del proceso de iluminación ... 73
Figura 3.18 Arquitectura Domótica del Sistema a Implementar ... 74
Figura 3.19 XBee Pro S1 ... 76
Figura 3.20 Control Remoto ... 76
Figura 3.21 Diagrama de Flujo del sistema de control Maestro ... 78
Figura 3.22 Diagrama de Flujo del Sistema de Control Esclavo ... 79
Figura 3.23 Diagrama de bloques del Sistema Electrónico Modo ………..Automático ... 80
Figura 3.24 Diagrama de bloques del Sistema Electrónico Modo Manual .. 81
Figura 3.25 Diagrama de bloques del Sistema Electrónico Modo Hibrido .. 81
Figura 3.26 Diagrama de bloques del Sistema Electrónico Persiana ... 82
Figura 3.27 Diagrama de bloques del Sistema Electrónico Modo Cine ... 82
Figura 3.28 Diagrama de Circuito Electrónico de recepción de señal IR, ………..envió de señal desde el controlador Arduino mega y control ………..de actuadores para la persiana ... 83
Figura 3.29 Diagrama de Circuito Electrónico de recepción de señal ………..desde Arduino mega, para control de iluminación de las ………..diferentes secciones ... 84
Figura 3.30 Esquema de señal de recepción IR y procesamiento de señal 85 Figura 3.31 Señales de activación para relés ... 85
Figura 3.32 Salida de relés para la activación de la persiana ... 86
Figura 3.33 Esquema electrónico para la recepción de señal para control . 86 Figura 3.34 Esquema electrónico del control del sistema de iluminación ... 87
Figura 3.35 Esquema electrónico de la activación de la sección lectura y ………..peinadora ... 88
Figura 3.36 Diseño electrónico del control de señal para dimerización de ………...iluminación general ... 88
Figura 4.1 Representación de los valores de iluminación luego de la ………implementación en los diferentes sectores en un día soleado, ………con iluminación artificial (LUX) ... 92
v
Figura 4.3 Representación de los valores de iluminación luego de la
………implementación en los diferentes sectores en un día templado,
………con iluminación artificial (LUX) ... 94
Figura 4.4 Representación de los valores de iluminación luego de la ………implementación en los diferentes sectores en un día templado, ………con iluminación natural y artificial (LUX) ... 95
Figura 4.5 Representación de los valores de iluminación luego de la ………implementación en los diferentes sectores en un día nublado, ………con iluminación artificial (LUX) ... 96
Figura 4.6 Representación de los valores de iluminación luego de la ………implementación en los diferentes sectores en un día nublado, ………con iluminación natural y artificial (LUX) ... 97
Figura 4.7 Representación de los valores de iluminación luego de la ………implementación en la sección del baño con iluminación ………artificial (LUX) ... 98
Figura 4.8 Adaptador de voltaje ... 104
Figura 4.9 Visualización del modo de operación mediante leds ... 104
Figura 4.10 Visualización del receptor infrarrojo en la cúpula ... 105
Figura 4.11 Sensor de luz ambiental implementado ... 105
Figura 4.12 Sensor detectando presencia ... 106
Figura 4.13 Ejemplos de dimerización de iluminación general ... 106
Figura 4.14 Sección lectura y peinadora en modo hibrido ... 107
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Temperaturas de las lámparas fluorescentes según su
…………..apariencia de color ... 14
Tabla 2.2 Valores de IRC de las lámparas fluorescentes según su …………..apariencia de color ... 14
Tabla 2.3 Calidad de la Iluminación por tipo de tarea visual o actividad ... 19
Tabla 2.4 Iluminancias mínimas para los ambientes de las viviendas ... 20
Tabla 3.1 Niveles de iluminación sugeridos para actividades diversas. ... 42
Tabla 3.2 Niveles de iluminación recomendados según Air-Fal ... 43
Tabla 3.3 Niveles de Iluminación en Interiores ... 43
Tabla 3.4 Características deseables de luminosidad ... 44
Tabla 3.5 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día templado, …………..sin destellos de luz directos (LUX)... 45
Tabla 3.6 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día templado, …………..con iluminación natural (LUX). ... 46
Tabla 3.7 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día templado, …………..con iluminación artificial (LUX). ... 48
Tabla 3.8 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día templado, …………..con iluminación natural y artificial (LUX). ... 49
Tabla 3.9 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día nublado, …………...sin destellos de luz directos (LUX). ... 50
Tabla 3.10 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día nublado, ………con iluminación natural (LUX). ... 52
Tabla 3.11 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día nublado, ………con iluminación artificial (LUX). ... 53
Tabla 3.12 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día ………templado, con iluminación natural y artificial (LUX). ... 54
Tabla 3.13 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día soleado, ………sin destellos de luz directos (LUX). ... 55
Tabla 3.14 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día soleado, ……….con iluminación natural (LUX). ... 56
Tabla 3.15 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día soleado, ……….con iluminación artificial (LUX). ... 57
Tabla 3.16 Valores obtenidos en los diferentes sectores en un día soleado, ………con iluminación natural y artificial (LUX). ... 58
Tabla 3.17 Valores obtenidos en la sección del baño con iluminación ……….artificial (LUX). ... 59
Tabla 3.18 Dimensiones de los diferentes espacios de la habitación ... 61
Tabla 3.19 Valores de Iluminancias acorde a las normas de Perú ... 61
vii
Tabla 3.21 Cantidad de lúmenes requerido acorde al ambiente ... 63
Tabla 3.22 Parámetros de ponderación de los protocolos de domótica ... 64
Tabla 3.23 Parámetros de ponderación de los micros controladores ... 65
Tabla 3.24 Resumen de los requerimientos del sistema ... 68
Tabla 3.25 Lámparas seleccionadas para cada sector del cuarto ... 69
Tabla 4.1 Valores de Iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en los diferentes sectores en un día soleado, con iluminación …………..artificial (LUX) ... 91
Tabla 4.2 Valores de iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en los diferentes sectores en un día soleado, con iluminación …………..natural y artificial (LUX) ... 92
Tabla 4.3 Valores de iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en los diferentes sectores en un día templado, con iluminación …………..artificial (LUX) ... 93
Tabla 4.4 Valores de iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en los diferentes sectores en un día templado, con iluminación …………..natural y artificial (LUX) ... 94
Tabla 4.5 Valores de iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en los diferentes sectores en un día nublado, con iluminación …………..artificial (LUX) ... 95
Tabla 4.6 Valores de iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en los diferentes sectores en un día nublado, con iluminación …………..natural y artificial (LUX) ... 96
Tabla 4.7 Valores de iluminación obtenidos luego de la implementación …………..en la sección del baño con iluminación artificial (LUX) ... 97
Tabla 4.8 Porcentuales obtenidos de los valores tabulados de la sección …………..peinadora, antes y después de la implementación ... 99
Tabla 4.9 Porcentuales obtenidos de los valores tabulados de la sección …………..lectura, antes y después de la implementación ... 101
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo I ACTUADORES ... 119
Anexo II CARACTERÍSTICAS DE LOS FOCOS A IMPLEMENTAR ... 120
Anexo III CONTROLADORES ... 122
Anexo IV XBee PRO S1 ... 124
Anexo V CONTROL REMOTO INFRARROJO ARDUINO ... 125
Anexo VI TRANSDUCTORES ... 126
Anexo VII BOQUILLAS ... 131
Anexo VIII PROGRAMA DE RECEPCIÓN DE SEÑAL IR PARA ………CONTROL DE PERSIANAS Y ENVIÓ DE LA SEÑAL HACIA ……….ARDUINO UNO... 132
Anexo IX PROGRAMA DE RECEPCIÓN DE SEÑAL DE ARDUINO …………..MEGA PARA CONTROL DE MODOS ... 134
Anexo X MANUAL DE USUARIO ... 137
Anexo XI EMPLAZAMIENTO DE LOS SENSORES Y LUMINARIAS EN …………..LAS DIFERENTES SECCIONES ... 143
Anexo XII CIRCUITO RECEPTOR DE SEÑAL IR PARA ENVIÓ ……….MEDIANTE XBEE Y MANEJO DE PERSIANAS CON SU ……….RESPECTIVA CAJA DE PROTECCIÓN ... 145
Anexo XIV CIRCUITO DE CONTROL DE LOS SENSORES Y ……….ACTUADORES PARA LOS DIFERENTES MODOS Y SU ……….CAJA DE PROTECCIÓN ... 146
ix
RESUMEN
x
ABSTRACT
1 La domótica nace con el fin de facilitar la vida a los seres humanos, haciéndola más cómoda, segura, teniendo así una mejor calidad de vida. No existe una fecha concreta de su origen sin embargo se puede decir que el primer sistema considerado como domótico se dio en el año 1978, con el aparecimiento del sistema X-10. Desde entonces la tecnología ha ido avanzando en busca de obtener “la casa ideal”.
Los primeros sistemas se limitaban a la regulación de temperatura, los mismos que fueron principalmente instalados en Estados Unidos. Actualmente la domótica permite obtener varias aplicaciones, entre las cuales se puede mencionar: ahorro energético, confort, seguridad, comunicaciones, entre otros.
La iluminación automatizada en sus principios tenía como objetivo el encendido y apagado de luz artificial, sin embargo posteriormente se tomó en cuenta la intensidad con fines de crear ambientes, permitiendo mejorar la decoración. En la actualidad se tienen sistemas que realizan funciones de: encendido, apagado, control de intensidad, entre otros.
El presente proyecto se enfocará en la iluminación, la cual no solo es una de las áreas del confort, sino que además se encuentra relacionada con la salud, ya que existe una influencia de la iluminación en la salud, un ejemplo de ello es la depresión la cual puede ser causada por una carencia crónica de iluminación.
2 La influencia de la iluminación en la salud, es apreciable ya que la misma condiciona la agudeza visual y la percepción de los colores. Los descubrimientos realizados mediante investigaciones científicas, como la investigación en fotobiología muestran que la luz es biodinámica, ya que afecta al sistema endocrino, razón por la cual una iluminación interior insuficiente puede ser causa de estrés, ansiedad, fatiga crónica, raquitismo, depresión entre otros. (Espejo, 2003)
La Asociación Argentina de Luminotecnia, AADL, en su editorial: Luminotecnia 87, señala que existe una enorme focalización de los hallazgos que vinculan la radiación que entra en el ojo, con complejas funciones endócrinas. (Assaf, 2007)
De lo antes mencionado se puede determinar que existen algunas desventajas al no tener implementado la domótica como se puede apreciar en la figura 1.1 que se muestra a continuación.
3 Analizando esto, es conveniente la creación de un diseño en el área de domótica que permita gestionar la iluminación acorde a las necesidades de cada una de las actividades a realizar, permitiendo así, obtener la cantidad de luz necesaria para efectuar una tarea específica sin sentir fatiga visual, obteniendo así un equilibrio entre la iluminación y la tarea a realizar.
Hoy por hoy se tiene un sin número de posibilidades en el área domótica que van desde un encendido de luces por presencia, control de temperatura, hasta la interacción de los diferentes elementos controlados o no desde una central, los cuales gracias al avance en el área de TCP/IP, pueden ser controlados desde cualquier dispositivo con internet.
Acorde a las necesidades del hogar se implementa la alternativa más apropiada. Teniendo actualmente protocolos específicos para el área domótica e inmótica de tipo estándar y de propietarios, módulos, y un sin número de herramientas que permiten una mejor operación a la hora de la implementación.
Con lo cual se plantea la hipótesis de si ¿es posible lograr gestionar la iluminación mediante la creación de un sistema domótico?
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
4
1.1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
Determinar los parámetros de diseño en base a valores establecidos mediante normas de iluminación.
Diseñar el sistema de gestión de luminosidad estableciendo los modos de operación acorde a los requerimientos de uso.
Implementar el sistema en una habitación.
5 El presente capítulo comprende la base teórica requerida para el desarrollo, entre lo cual se encuentra la definición de iluminación, propiedades, tipos de iluminación de interiores, normativas, tipos de arquitectura de un sistema domótico, los protocolos existentes, y elementos requeridos.
2.1 ILUMINACIÓN
Acorde a las Normas INEN, número NTE INEN 1150:84: “La iluminación. (En un punto sobre la superficie). Es el cociente entre el flujo luminoso incidente sobre una superficie elemental, que contiene al punto considerado y esta superficie.” Dentro de las fuentes de iluminación se tiene: natural y artificial.
2.1.1 NATURALEZA DE LA LUZ
La luz se puede producir por diferentes formas entre ellas tenemos: altas temperaturas obteniendo así radiación térmica, descargas eléctricas a través de gases ionizados como el de las lámparas. La visión del color que se obtiene es el espectro que estimula la retina del ojo humano permitiendo la percepción de los colores.
2.1.1.1 Espectro Electromagnético
6
Figura 2.1 Espectro electromagnético.
(Young, Freedman, & Ford, 2005)
2.1.2 PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA LUZ
Gracias a la óptica, rama de la física encargada del estudio del comportamiento de la luz, sus características y manifestaciones, se puede determinar algunas de sus principales características tomando en cuenta el modelo de luz basado en rayos, las cuales se mencionan a continuación.
2.1.2.1 Absorción
Se obtiene la absorción cuando un rayo de luz visible sobre una superficie negra, mate y opaca, transforma en calor la mayoría de luz que obtiene.
2.1.2.2 Reflexión
7 Se dice que existe reflexión especular, cuando se da la reflexión en una superficie lisa, en la cual el ángulo de reflexión es igual al de incidencia. Mientras que se denomina reflexión difusa, cuando en una superficie áspera la luz reflejada se irradia en múltiples direcciones con diferentes ángulos de reflexión.
2.1.2.3 Transmisión
Se produce el fenómeno de transmisión cuando la luz atraviesa un objeto. El tipo de transmisión depende del material por el cual se desplaza el haz de luz. Los diferentes tipos de transmisión se tratan a continuación.
La transmisión se dice que es directa cuando el haz de luz se desplaza por el material totalmente en forma lineal, a los medios que permiten este tipo de transmisión se los denomina transparentes.
La transmisión es difusa cuando la luz que ingresa por el material se dispersa en varias direcciones. A este tipo de materiales se los conoce como translucientes. Mientras que se dice que es selectiva cuando al pasar el haz de luz, el material permite el paso de ciertas ondas y absorbe las demás. Los diferentes tipos de transmisión se los puede apreciar en la figura 2.2.
Figura 2.2 Tipos de transmisión.
8
2.1.2.4 Refracción
La refracción se produce en el fenómeno de transmisión. Se genera cuando los rayos luminosos traspasan por un medio transparente, o pasan de un medio a otro de distinta densidad. Provocando un cambio de dirección que está en función del ángulo de incidencia.
El índice de refracción de un material óptico es la razón de rapidez de la luz (c) en el vacío respecto a su rapidez (v) dentro del material, como se puede apreciar en la siguiente fórmula.
(Young, Freedman, & Ford, 2005)
En la refracción se tiene que a mayor ángulo de incidencia, mayor será la refracción. La razón de los senos de los ángulos de incidencia y refracción es igual a la razón inversa de los índices de refracción como se puede apreciar en la siguiente fórmula:
2.1.2.5 Dispersión
La rapidez de la luz en el vacío es la misma para todas las longitudes de onda, mientras que en un material es diferente para cada longitud de onda, por lo que el índice de refracción de un material depende de la longitud de onda.
9 La dispersión determina el color del cielo, el proceso que se da al ver la solar cuando ha sido absorbida y vuelta a irradiar por las nubes se conoce como dispersión luminosa.
2.1.3 TIPOS DE ILUMINACIÓN
Los tipos de iluminación dependen del lugar, la tarea a realizar o el objetivo para el cual se necesita la iluminación, entre las cuales se puede destacar:
Iluminación de vanidad
Para la iluminación de vanidad se pueden encontrar diferentes accesorios, su colocación dependerá del uso, decoración y tamaño del lugar. Dentro de las fuentes de iluminación eléctrica más utilizadas se encuentran los focos halógenos, incandescentes, leds y fluorescentes.
Iluminación general
También llamada ambiental tiene como objetivo la iluminación total del espacio. Para este tipo de iluminación es mejor colocar varias fuentes de luz y no una sola fuente de luz en el centro del techo, como se lo realiza habitualmente. La disposición de luminarias debe ser uniforme. El efecto visual producido en el espacio es de amplitud, mientras que en los objetos y personas apaga intensidad de los colores y aplana texturas. Se produce una reducción de contrastes o brillos, minimizando la proyección de sombras.
Iluminación de tarea
10 Produciendo un efecto visual de reducción del espacio, además de obtener un realce en los colores. Generalmente se utilizan para este fin lámparas de pie o sobre mesa para áreas de lectura y lámparas suspendidas o de techo para la mesa del comedor, el área de maquillaje o de trabajo.
Iluminación bajo gabinetes
En la cocina se requiere de iluminación para las tareas, para lo cual se necesita luminosidad bajo los gabinetes permitiendo que la barra de cocina tenga una iluminación adecuada. Para ello generalmente se utiliza accesorios fijos fluorescentes, de halógeno o leds.
Iluminación de realce
Conocida también como iluminación decorativa tiene como objetivo resaltar un área u objeto. Actualmente existen un sin número de accesorios y posibilidades, con iluminación eléctrica de diferente tipo, sin embargo existe un incremento de uso de iluminación led.
Iluminación de emergencia
Esta iluminación se la utiliza por seguridad, generalmente en lugares como teatros, restaurantes, edificios en los que se encuentren gran cantidad de personas. Son destinadas a suplir las luminarias de uso habitual en caso de corte imprevisto o de incendio.
11
2.1.4 CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES LUMINOSAS ELÉCTRICAS
Actualmente se pueden encontrar una gran cantidad de diferentes tipos de fuentes luminosas eléctricas para diferentes finalidades, por lo que a continuación se tratará las más relevantes para el presente proyecto.
2.1.4.1 Lámparas Incandescentes
Las lámparas incandescentes son una de las más utilizadas en el sector doméstico y en el alumbrado decorativo. Se las emplea normalmente para iluminación de interiores en lugares de techos bajos (menos de 4m). Los elementos más relevantes y su distribución de energía se pueden apreciar en la figura 2.3
Figura 2.3 Elementos y flujo energético de una lámpara incandescente
(Aproi Ltda)
12 Se fabrican en los tipos Standard clara y opalina, con filamento reforzado, decorativas, reflectoras, etc. Los casquillos metálicos, que sujetan al portalámparas, se pueden encontrar de varios tipos como son: rosca Edison (E), bayonetas (B) y de espigas o clavijas (G). Este tipo de lámpara tiene como características:
Encendido: Funciona a cualquier tensión. No requiere de aparato de encendido
Vida útil: 1 000 h.
Eficacia lumínica: 10-20 lm/W Potencia: 25-200W
Propiedades del color:
Temperatura: 2 700 K IRC: 100
2.1.4.1 Lámparas Fluorescentes
13
Figura 2.4 Elementos y flujo energético de una lámpara fluorescente (baja intensidad de descarga)
(Aproi Ltda)
Poseen una amplia gama de potencias y tamaños, uno de los tipos más utilizados son las lámparas compactas fluorescentes. La desventaja de este tipo de lámparas es la temperatura, ya que está diseñada para trabajar a una temperatura de 25 °C, las temperaturas inferiores o superiores le afectan reduciendo su emisión de flujo luminoso como se puede apreciar en la figura 2.5
.
Figura 2.5 Variación porcentual del flujo luminoso en lámparas fluorescentes conforme cambia la temperatura ambiente
(Laszlo, 2007)
Características:
14 Eficacia lumínica: 100 lm/W
Potencia: 10-80W Propiedades del color:
Temperatura: Dependen de la apariencia del color, como se lo puede apreciar en la tabla 2.1
Tabla 2.1 Temperaturas de las lámparas fluorescentes según su apariencia de color
DESIGNACIÓN TEMPERATURA DE COLOR [ºK]
Blanco Cálido 2 700 - 3 000
Blanco 4 000 – 5 000
Luz Día 5 300 – 6 500
Fuente: (García Trasancos, 2007)
IRC: Su valor depende de su apariencia de color como lo muestran los datos presentados en la tabla 2.2
Tabla 2.2 Valores de IRC de las lámparas fluorescentes según su apariencia de color
DESIGNACIÓN IRC
Normal 50 – 60
De Lujo 87 – 92
Especial de Lujo 93 – 95
Fuente: (García Trasancos, 2007)
2.1.4.2 Leds
15 museos, exposiciones, sin embargo se está insertando en el área de los hogares. Dentro de sus principales ventajas se encuentra su bajo consumo energético, larga vida, funcionamiento fiable a bajas temperaturas, entre otros. Se los puede encontrar en diferentes presentaciones, gracias a su reducido tamaño, permitiendo así tener iluminarias de diferentes formas. A pesar de sus ventajas no han tenido una inserción masiva debido a su alto costo, pues requieren de dispositivo de encendido u otra fuente de alimentación ya que funcionan en corriente continua, además de su limitación técnica para producir emisión de luz blanca para grandes áreas, esto se debe a que su iluminación es focaliza, puntual.
Dentro de sus principales características de las lámparas led se tiene:
Encendido: Los diodos funcionan con energía eléctrica de corriente continua (CC), de modo que las lámparas de LED deben incluir circuitos internos para operar desde el voltaje CA estándar.
Vida útil: 50 000- 100 000h
Eficacia lumínica: La eficacia varía según el led, ya que hay diferentes presentaciones, a continuación se presentan unos ejemplos:
o Led blanco: 4.5-150 lm/W
o 4.1 W lámpara LED de Rosca Edison (120 V): 58.5-82.9 lm/W
o 7 W LED PAR20 (120 V): 28.6 lm/W Potencia: 3-12W
Propiedades del color
o Temperatura: Varia según el led teniendo desde 3000 a 8000K.
o IRC: 80
2.1.5 ACCESORIOS FIJOS DE ILUMINACIÓN
16 tanto en áreas interiores como exteriores. Para la iluminación de parques y jardines se suele utilizar faroles, farolas, entre otros.
Para la iluminación decorativa se suele usar colgantes, veladores, entre otros, mientras que para la iluminación profesional se usan los accesorios para fluorescentes, campanas, entre otros.
2.1.5.1 Luminarias suspendidas
En la actualidad existen alternativas de iluminarias suspendidas tanto de tipo decorativo como funcional, en el área de oficinas y fábricas son muy utilizadas las lámparas fluorescentes suspendidas, mientras que para el hogar se utilizan lámparas fluorescentes compactas, colocadas en candelabros colgantes.
2.1.5.2 Luminarias colocadas sobre superficie
En la actualidad existen diversos accesorios de montaje sobre superficie ya sea para el techo, piso o paredes. Pueden utilizar focos incandescentes, fluorescentes, de halógeno de cuarzo o leds.
17
2.1.5.3 Luminarias colocadas en riel eléctrico
Actualmente se pueden encontrar lámparas fluorescentes, halógenas y leds colocadas en riel, tanto fija como orientable.
Es utilizada principalmente cuando se requiere enfocar un objeto o un área de trabajo, como por ejemplo: el mesón de la cocina. Una de las ventajas es que pueden moverse los accesorios a lo largo del riel de energía.
2.1.5.4 Luminarias empotrables
Los accesorios fijos de luz para nicho se pueden clasificar en dos: para techo aislado y techo no aislado. Generalmente se utilizan los accesorios para techo aislado ya que permite poner aislamiento arriba a lado del bastidor metálico del accesorio mientras que en los de techo no aislado se requiere de un espacio mínimo entre el bastidor y el aislamiento además de un espacio libre por encima del accesorio fijo para que no atrape calor. Son utilizadas en donde se requiere iluminación de precisión y/o los accesorios bajos no son deseables, generalmente se usan en áreas de cocina.
2.1.6 NORMATIVAS
Para determinar los parámetros de iluminación se requiere de normativas, las cuales permiten tener una idea de los cumplimientos requeridos específicamente en iluminación para interiores.
18 de los sectores de una vivienda, las cuales fueron seleccionadas debido a que actualmente en Ecuador no existen normas que indiquen dicho parámetro.
Normativa Europea para Iluminación Interior
UNE 12464.1
Es una de las normativas, la cual es relativa a la iluminación de interiores, en la que recomienda el cumplimiento cuantitativo y cualitativo de dos aspectos de la tarea visual, los cuales son:
- Confort Visual
- Rendimiento de Colores
El confort visual permite la relación de luminancias entre tarea y entorno, o el control del deslumbramiento producido por las fuentes de luz. Además esta norma establece una mejora relativa al rendimiento de colores, en la que prohíbe el uso de fuentes de luz por razones crematísticas, y exige un RA>80 en la escala de 0 a 100 para iluminar cualquier tarea visual en salas o recintos en los que la ocupación sea de gran duración o permanente.
Requisitos de iluminación según actividad
Son determinados por la satisfacción de tres necesidades:
- Confort Visual: Provoca sensación de bienestar; contribuye a elevar el nivel de productividad
- Prestaciones Visuales: Para la capacidad de realizar tareas aun en circunstancias difíciles y durante periodos largos.
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Normas Legales Perú Norma EM. 010
- Alcance: Son de aplicación obligatoria a todo proyecto de instalación eléctrica interior
- Cálculos de Iluminación: Se lo debe realizar en locales tales como: Comerciales, oficinas, locales de espectáculos, aeropuertos y afines.
Es conveniente tomar en cuenta los distintos tipos de parámetros de calidad que existen acorde a la tarea visual a realizar, que son definidas en esta norma como se muestra en la tabla 2.3
Tabla 2.3 Calidad de la Iluminación por tipo de tarea visual o actividad
CALIDAD TIPO DE TAREA VISUAL O ACTIVIDAD
A Tareas visuales muy exactas
B Tareas visuales con alta exigencia. Tareas visuales de exigencia normal y de alta concentración.
C Tareas visuales de exigencia y grado de concentración normales; y con un cierto grado de movilidad del trabajador
D
Tareas visuales de bajo grado de exigencia y concentración, con trabajadores moviéndose frecuentemente dentro de un área específica.
E Tareas de baja demanda visual, con trabajadores moviéndose sin restricción de área.
Fuente: (Normas EM. O10, 2006)
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Tabla 2.4 Iluminancias mínimas para los ambientes de las viviendas
AMBIENTES (Viviendas) ILUMINANCIA EN SERVICIO (LUX) CALIDAD Dormitorios
General
Cabecera de cama Baños
General
Área de espejo Sala de Estar
Cocinas
General
Áreas de trabajo Área de trabajo doméstico Dormitorio de niños
50 200 100 500 100 300 500 300 100 B-C B-C B-C B-C B-C B-C B-C B-C B-C
Fuente: (Normas EM. O10, 2006)
Como se puede apreciar en la tabla existen diferentes cuantificadores de calidad de iluminación, las cuales varían acorde a los requerimientos de las actividades a realizar, en el caso del presente proyecto el ambiente está orientado al hogar por lo que su calidad en cada una de las áreas no varía.
2.2 DOMÓTICA
Los diccionarios franceses incorporaron el término domotique a partir de 1998. Por otro lado en España se introdujo por los Pirineos como Domótica, que procede del latín domus (casa, domicilio) y del griego aútóμatoç (automática). Mientras que la Real Academia Española, en su vigésima segunda edición, define a la domótica como: “Conjunto de sistemas que automatizan las diferentes instalaciones de una vivienda. (Del lat. domus, casa, e informática).”
21 una luz o aparato a una hora determinada, hasta los más complejos sistemas capaces de interactuar con cualquier elemento eléctrico del hogar. Por tanto se puede decir que la domótica está orientada a la automatización residencial por medio de la electrónica, robótica, informática y telecomunicaciones, con el objetivo de permitir al usuario un aumento del confort, la seguridad, el ahorro energético, las facilidades de comunicación entre otros.
2.2.1 ARQUITECTURA DE LA DOMÓTICA
La arquitectura específica el modo en el que los diferentes elementos del control del sistema domótico estarán en la estructura de su red. La clasificación de la misma se la realiza en base a donde se encuentra la “inteligencia” del sistema. Las principales arquitecturas son:
Arquitectura Centralizada
Se caracteriza porque existe un sistema de control centralizado, el cual recibe la información de las entradas (sensores, usuarios, etc.) y envía información a las salidas (actuadores e interfaces) como se puede apreciar en la figura 2.6.
Figura 2.6 Arquitectura domótica centralizada
Controlador/ Central Domótica
Actuador (Salida)
22 Arquitectura Descentralizada
La arquitectura descentralizada es aquella en la que existen más de un controlador, interconectados por un bus, permitiéndoles enviarse información entre ellos y a los actuadores e interfaces conectados a los controladores, como se muestra en la figura 2.7.
Figura 2.7 Arquitectura domótica descentralizada Arquitectura Distribuida
La característica principal es que existe una bi-direccionalidad ya que cada sensor y actuador puede ser un controlador que puede actuar y enviar información al sistema dependiendo del programa, configuración y otros elementos. A continuación se presenta un ejemplo de arquitectura distribuida en la figura 2.8.
23 Arquitectura Híbrida
La arquitectura hibrida, también es conocida como mixta, resulta de la combinación de las arquitecturas de tipo centralizada, descentralizada y distribuida, por lo cual existen un sin número de combinaciones. Un ejemplo de arquitectura distribuida se puede apreciar en la figura 2.9
Figura 2.9 Arquitectura domótica hibrida
(www.casadomo.com, 01 de agosto del 2012)
2.3 PROTOCOLOS UTILIZADOS PARA DOMÓTICA
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2.3.1 X-10
La característica principal de este protocolo es que utiliza la instalación eléctrica de la casa, para el control de dispositivos domóticos.
a) Implementación
No requiere de cableados, ya que el protocolo utiliza la línea de corriente doméstica. Se puede empezar con un producto en particular y escalarse, utiliza transmisores y receptores de códigos X-10.
Para la gestión de iluminación se puede utilizar diferentes opciones dentro de las cuales se tiene: Control remoto de luces (diferentes tipos), software para la PC, software para el teléfono. No requiere de un control central, pero lo puede tener. Existen tres tipos de dispositivos X-10: los que sólo pueden transmitir órdenes, los que sólo pueden recibirlas y los que pueden enviar/recibir estas.
b) Operación
Su operación se la realiza por medio de la línea de corriente doméstica, la transmisión de datos se la realiza mediante señales de radiofrecuencia, sincronizándolos al cruce por cero de la señal de poder (60HZ), es decir se utiliza la técnica de corrientes portadoras logrando así controlar cualquier dispositivo a través de la misma. Se debe tomar en cuenta que para que el 1 lógico sea válido el tiempo de presencia de la señal debe ser de 1 ms.
25 Al trabajar con un sistema a 60HZ, tenemos una transferencia de 60bps, por lo cual la transmisión del código completo tarda 417ms, por lo que este protocolo debe ser usado en aplicaciones/funciones en las que la velocidad de transmisión de datos no es indispensable.
La versión original de este protocolo tiene 6 funciones, las cuales son: encender, apagar, dim (que permite atenuar), bright (significa iluminar), encender todo y apagar todo, actualmente el protocolo puede realizar una gran cantidad de tareas.
Los equipos de X-10 pueden controlarse desde el hogar, con equipos desde internet o con controles PDA. Existen diversos módulos de X-10, los cuales se pueden dividir en 3 categorías: actuadores, sensores, controladores.
Los módulos a utilizar dependen de las aplicaciones que se requieran, a continuación se citan algunos de los módulos existentes
Actuadores:
Módulos de Aparato: Permite el encendido/apagado de equipos
Módulo de Persiana: Permite regular el movimiento en dos direcciones Módulo de Iluminación: Permite el control de luces con dimmer.
Controladores:
Mini programador: Posee teclado, permitiendo programación horaria y simulación de presencia.
Mandos RF de X-10
Mandos a distancia multimedia por RF: Teniendo así domótica más un mando universal
26 Sensores:
Sensor de presencia X-10 por RF con sensibilidad de luz Termostato X-10
Para los sensores que no son X-10, se los adapta mediante un transmisor universal X-10.
c) Seguridad
Con el fin de que exista mayor fiabilidad en el envió de ordenes la trama se transmite dos veces, separadas de 3 ciclos completos. Los dispositivos X-10 tienen perillas para asignarles una dirección a los dispositivos.
d) Calidad
Es uno de los protocolos más difundidos. El protocolo de modulación X-10 exige unas normas, las cuales siguen los fabricantes de productos X-10 para lograr una correcta estandarización, de este modo los productos de los distintos fabricantes son compatibles e intercambiables.
Uno de los problemas son las interferencias producidas por los aparatos conectados en la misma onda por lo cual siempre dependerá de la calidad de la señal de red que llega a la casa.
Aunque se pongan filtros, se producen casos donde, por esta causa, la señal no llega bien a su destino o se genera una señal aleatoria haciendo que el sistema pierda en robustez y sobretodo confianza del usuario.
27 e) Vida útil
De entre los varios sistemas domóticos, el sistema X10 es el único que sigue vigente después de más de 25 años. Ha sido el primero en desarrollarse, además de mantenerse en el mercado, tiene productos x-10 vendidos en gran cantidad a nivel mundial, al ser un formato estándar que es utilizado por varios fabricantes, se garantiza que pueda haber compatibilidad entre diferentes productos. Además muchas de las tecnologías emergentes permiten que sus productos puedan comunicarse con productos del estándar X-10.
2.3.2 CEBus
CEBus es la abreviatura de bus del Consumidor Electrónico, también llamada EIA-600, siendo un conjunto de normas eléctricas y protocolos de comunicación orientada a dispositivos electrónicos para transmitir comandos y datos. La misma que es adecuada para los dispositivos en los hogares y oficinas.
a) Implementación
La conexión de equipos de la CEBus permite el uso de los siguientes medios: cobre de par trenzado, red eléctrica, coaxial, fibra óptica de frecuencia, infrarrojo y radio, bus audio-video. Se puede obtener el hardware y el protocolo integrados en un único circuito que dispone la empresa Intellon Corporation. Al ser una especificación abierta cualquier empresa puede conseguir estos documentos y fabricar productos que implementen este estándar.
b) Operación
28 Los dispositivos tienen una dirección a la que responden todos, además de poder agruparse, siendo esto similar a las redes de informática. Soporta una topología flexible. Una de sus ventajas es que cualquier dispositivo puede conectar a cualquier medio siempre que tenga la interfaz adecuada, por lo que para las ramas de diferentes medios físicos de la red se utilizan routers, los cuales pueden estar integrados dentro de otro dispositivo con más funcionalidades.
Las tramas definidas de este protocolo tienen una longitud en función de la cantidad de datos a trasmitir, siendo el tamaño mínimo de 8 octetos y el máximo 100 octetos aproximadamente.
Con el fin de tener un lenguaje común para el diseño y especificación de la funcionalidad de un nodo CEBus ha creado un programa llamado CAL, Commun Appliance Language, el cual está orientado a comandos que permiten controlar los dispositivos y asignar recursos. Su programación es orientada a objetos.
c) Seguridad
Su arquitectura tiene como referencia el modelo OSI, su seguridad también dependerá de la elección del soporte físico. Sin embargo se debe tomar en cuenta que este protocolo no tiene como objetivo ser un protocolo de seguridad
d) Calidad
29 producto. Se puede destacar que es un estándar norteamericano desarrollado por la Asociación de Industrias Electrónicas EIA.
e) Vida útil
CeBus es un estándar norteamericano que al tener flexibilidad en su topología y la ventaja de poder conectar cualquier dispositivo a diversos medios, puede mantenerse en un mercado tan competitivo como el actual. Sin embargo cabe recalcar que este dispositivo no cumple con la normativa europea para la transmisión de señales en líneas residenciales de bajo voltaje.
2.3.3 LonWorks
Se lo puede definir como un sistema distribuido de una red de un grupo de dispositivos que permiten sensorizar, monitorizar, comunicar y controlar. Similar a una LAN de Pc`s. Desarrollado por Echelon en el año 1992. Su enfoque hacia las viviendas es escaso, ya que sus aplicaciones se encuentran orientadas hacia áreas industriales o de gran tamaño.
a) Implementación
Posee una arquitectura descentralizada. Su implementación puede darse en diferentes medios físicos como lo son: cables de par trenzado, ondas portadoras, fibra óptica, radiofrecuencia y cable coaxial, entre otros. Esto se logra gracias a los diversos transceptores, que son los encargados de adaptar las señales a los niveles de cada medio físico.
b) Operación
30 Dentro de las características del Neurochip se tiene:
Su medio de comunicaciones es independiente del medio físico sobre el cual funciona.
El protocolo LonkTalk implementa un firmware que proporciona el servicio de transporte y routing extremo a extremo.
En cuanto al medio físico se puede destacar que proporciona un puerto específico de 5 pines que puede ser configurado para actuar como interface de diversos transceiver de línea y funcionar a diferentes velocidades binarias.
LonWorks utiliza el protocolo LonTalk, el cual implementa las 7 capas del modelo OSI.
Para la administración de la red posee una herramienta llamada LonMaker la cual permite el diseño, instalación, operación y mantenimiento de redes LonWorks. La velocidad depende del medio físico a utilizar.
c) Seguridad
Para establecer una seguridad las operaciones en la red de control se realizan usando un sistema llamado autentificación de remitente, esto se lo realiza en la capa 4 basados en el modelo OSI (nivel de servicio). Permitiendo así una garantía, que no puede ser violada por hackers.
La autentificación se encuentra a nivel de chip, por lo cual no puede ser modificada.
31 d) Calidad
El presente protocolo está homologado por las distintas normas Europeas (EN-14908), de Estados Unidos (EIA-709-1) y Chinas (GB/Z20177-2006) y por el estándar europeo de electrodomésticos CEDEC AIS. Además del Estándar Internacional (ISO/IEC-14908)
e) Vida útil
Esta es una tecnología que aunque usan el concepto de “sistema abierto”, no se la puede implementar sin el circuito integrado, Neuro Chip, registrado por Echelon. Sus dispositivos no han tenido una implementación masiva en el área del hogar mayoritariamente porque existen otras tecnologías con prestaciones similares de menor costo. Sin embargo se mantienen en el mercado por su fiabilidad y robustez.
Por lo que este protocolo tiene un enfoque escaso a la vivienda, su orientación es a aplicaciones industriales o de gran tamaño, como por ejemplo en la inmotica. Una de las características que proporciona una perspectiva de su perdurabilidad es su interoperabilidad, ya que tiene la capacidad de integrar productos de distintos fabricantes en sistemas flexibles y funcionales sin necesidad de desarrollar hardware o software.
2.3.4 BatiBus
32 a) Implementación
Al igual que los dispositivos X-10, todos los dispositivos BatiBUS disponen de micro-interruptores circulares o mini teclados que permiten asignar una dirección física y lógica que identifican unívocamente a cada dispositivo conectado al bus.
La instalación de este cable se puede hacer en diversas topologías: bus, estrella, anillo, árbol o cualquier combinación de estas. Para su instalación se debe tener en cuenta la elección del cable, para este protocolo los cables autorizados son: BatiBUS vendidos por Merlin Gerin o cualquier par trenzado.
b) Operación
Este es un protocolo totalmente abierto. La operación de este protocolo se basa en CSMA-CA (acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones). Tiene topología libre
c) Seguridad
Cada módulo de instalación se identifica con una dirección BatiBUS.
d) Calidad
El estándar BatiBUS se encuentra descrito en el estándar europeo, CENELEC, y en el estándar internacional, ISO/IEC JTC 1 SC25.
Para la certificación de los productos de este estándar requiere de pruebas, las cuales se las realizan en el LCIE, Laboratoire Central des Industries Electriques, por el BCI (Club Internacional del BatiBUS).
e) Vida útil
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2.3.5 C-Bus
C-Bus es fabricado y diseñado por Gerard Industry Pty Ltd. Con CLIPSAL. Permite un completo control de iluminación y de todos los servicios eléctricos, audio y video.
a) Implementación
El protocolo de C-BUS requiere de un cable par trenzado tipo UTP 5. La red C-BUS permite el manejo de los datos y a la vez provee la tensión de alimentación de 36Vcc necesaria para los circuitos. El sistema C-BUS está disponible tanto en versión con cable como inalámbrica.
Tiene una topología de estructura libre. Las unidades pueden ser programadas antes de ser instaladas físicamente, las cuales se dividen en tres clases: unidades de entrada, salida y elementos de sistema.
Las unidades de salida están disponibles en montaje en riel DIN, que permite la conmutación de altas cargas eléctricas ocupando un pequeño espacio físico y en formato Serie Profesional que está diseñada para ser montada en paneles y es usada para conmutar y dimerizar cargas de alta potencia. Las unidades de entrada están disponibles para montaje riel DIN y en el panel.
b) Operación
34 Su interfaz es basada en iconos, siendo una de sus características el que puede ser personalizado a los requerimientos del usuario. Además de permitir cargar planos de la edificación o cualquier gráfico.
Para su comunicación utiliza un cable par trenzado tipo UTP5.
Los elementos del sistema son principalmente: Fuentes de alimentación, cada una puede alimentar 17 unidades, interfaces a PC y puentes de red.
Otros elementos del sistema son:
C-Master: El cual permite manejar los escenarios de iluminación. Se puede alterar las escenas en cualquier momento
Minder: Es una central inteligente de C-Bus, la cual permite programar
escenarios, este elemento se lo utiliza generalmente cuando la programación se torna muy compleja.
HomeMinder Keypad: Permite un control completo del sistema
Touch Screen: Permite manejar el sistema además de facilitar el acceso a internet
Acceso Telefónico: Con la utilización de un teléfono móvil o uno de línea
se puede acceder al sistema.
Dentro de las ventajas en su operación se puede destacar: Los escenarios pueden ser re programados
El sistema permite un ilimitado número de configuraciones de manejo Cualquier dispositivo que no sea de C-Bus puede ser incorporado
mediante una interface.
c) Seguridad
35 d) Calidad
Ha sido comprobado en proyectos de toda Europa, además de Australia, Malasia, Japón, Sur de África y China. Además el protocolo C-BUS emplea transmisión sincrónica, múltiples accesos con detección de colisiones resultando en una confiabilidad de la comunicación cercana al 100%. Esta es incrementada con múltiples reintentos de comunicación, reconocimiento de mensajes y auto chequeos incorporados en los dispositivos.
e) Vida útil
EL futuro de C-Bus es prometedor pues se utiliza principalmente en: Australia y Nueva Zelanda, y se ha difundido a: Asia, el Reino Unido, Rusia, EE.UU., Canadá y otros países.
Este protocolo no se ha generalizado debido a que no funcionará con una instalación de cable de red estándar, pues requiere un sistema de cableado completamente, lo que significa que normalmente es utilizado para nuevas construcciones. Para lo cual se ha dado una solución creando el C-Bus inalámbrico (RF) sistema, sin embargo se puede adaptar utilizando el cableado de red existente.
Su compatibilidad con OPC, DALI, DSI, BACnet, TCP / IP, Lonworks, el Sistema de Comodidad en el hogar inteligente y algunos otros protocolos a través de interfaces, le permite perdurar.
2.4 SISTEMA DE CONTROL
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Figura 2.10 Ejemplo de Sistema de Control
(Bolton, 2da Edición)
Los sistemas de control pueden ser de lazo abierto o cerrado. Las características principales en un sistema de control son:
Señal de entrada: estimulo por un sistema externo.
Señal de salida: respuesta obtenida por el sistema.
Variable manipulada: elemento que se puede modificar la magnitud.
Variable controlada: elemento que se desea controlar.
Fuente de energía: entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema.
-Sistema de Control de lazo abierto
Tiene como característica no tener retroalimentación hacia el controlador, es un sistema en donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control, es decir que actúa sobre una señal de entrada y da como resultado una salida independiente a la señal de entrada.
Elemento de control
Elemento de
correción Proceso
Entrada Salida variable
controlada
Señal que se espera produzca la salida
requerida
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-Sistema de Control de lazo cerrado
Tienen como características que son retroalimentados, es decir la acción de control funciona en la señal de salida. Con lo cual permiten mantener un proceso controlado.
Figura 2.12 Ejemplo de Sistema de control de lazo cerrado
2.4.1 SISTEMA EMBEBIDO
Un sistema embebido actúa como un ordenador orientado a una solución específica. El termino embebido también se le conoce como incrustado, embutido o empotrado, ya que se caracteriza por poseer circuitos integrados que pueden estar de manera incrustada, muchos de los cuales no son apreciables a simple vista. Para los sistemas embebidos se suele usar micros controladores o microprocesadores, que permiten realizar una programación específica. Los componentes del sistema en su mayoría se encuentran integrados en la placa base junto al procesador.
38
2.4.2 CONTROLADORES
Los controladores son los dispositivos que tienen como función receptar la información de los sucesos del proceso, y según la programación establecida, enviar una señal para realizar la acción requerida. La cantidad de controladores y su distribución dependerán de la arquitectura a utilizar.
2.4.2.1 ARDUINO
Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un microcontrolador Atmel AVR. Dichas placas pueden ser montadas a mano o adquiridas. Los diseños de referencia del hardware se encuentran bajo una licencia libre, que además permite ser adaptado a las necesidades requeridas.
Para su programación se tiene el IDE de Arduino, en el cual las funciones básicas y operadores están basados en C, sin embargo es posible utilizar otros lenguajes de programación y aplicaciones entre los cuales se puede mencionar: Processing, C, C++, C#, Liberlab, Matlab, Minibloq, Physical Etoys, entre otros.
2.4.2.2 MICROCONTROLADORES PIC`S
39 Microchip proporciona un IDE gratuito llamado MPLAB, el cual incluye un simulador de software y un ensamblador, además de vender compiladores en C y Basic, para los PICs de gama alta.
Además existen otros programadores entre los cuales se puede destacar: PICKit 1, 2 y 3, Eclipse, PICStart Plus, entre otros.
2.4.3 ACTUADORES
Los actuadores son los elementos que ejecutan una acción, acorde a la señal recibida por el sistema de control, modificando el estado de la variable a controlar. Se los puede clasificar según su tipo de energía utilizada en: electrónicos, hidráulicos, neumáticos, eléctricos y electromecánicos.
Los actuadores en el área domótica suelen clasificarse según el tipo de señal de entrada en: actuador todo/nada, actuador digital y analógico. Dentro de los actuadores más utilizados están los relés.
2.4.4 SENSORES
Un sensor es un elemento que capta el estado de una magnitud física y la transmite. Se lo puede definir como: “Dispositivo que detecta una determinada acción externa, temperatura, presión, etc., y la transmite adecuadamente. (Palabra formada sobre el lat. sentĭo, sentir, para indicar el agente de este verbo latino)” (Real Academia Española)
40 Siendo definido como: “Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.” (Real Academia Española)
Su clasificación puede ser dada según:
El tipo de señal de salida: analógicos y digitales
La magnitud física a detectar: posición, luz, fuerza, proximidad, entre otros.
Las características generales se dividen en: estáticas y dinámicas, las mismas que se presentan a continuación.
Estáticas: rango, resolución, exactitud, error, sensibilidad, excitación y no linealidades, algunas de las cuales son: saturación, histéresis, entre otras
Dinámicas: velocidad de respuesta, donde se tiene parámetros como: tiempo de retardo, tiempo de subida y tiempo de establecimiento.
2.4.5 SENSOR FOTOELÉCTRICO
41 Para el presente proyecto se utilizó la metodología Mecatrónica, la cual permite un desarrollo del diseño e implementación de manera concurrente, permitiendo así obtener un sistema global integrado.
Además de la metodología de la investigación de la cual se utilizó un estudio de tipo exploratorio y descriptivo en la etapa inicial de la investigación.
3.1 DIAGNOSTICO SITUACIONAL DE LA ILUMINACIÓN EN
LA HABITACIÓN
Para el presente proyecto se requirió un análisis de las actividades realizadas en la habitación en la cual se implementará el sistema domótico para gestionar la iluminación. Para la recolección de dicha información se aplicó observación de campo.
3.1.1 ENTORNO DE LA HABITACIÓN
La habitación posee un área de 14,1368 m2, además de poseer un baño de 1,1875m2. Actualmente posee 1 foco, además de contar con iluminación natural cuando se abre las cortinas.
Las actividades a realizar dentro de la habitación son: ver tv, dormir, leer, utilización de la peinadora y utilización del baño. Aunque se realizan diferentes actividades como se ha indicado, no existe variación en la intensidad de la iluminación acorde a las actividades a realizar.
42
3.2 ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE
LA LUMINOSIDAD
La cantidad de iluminación va acorde al lugar y la actividad a realizar. Para ello se determinó los lugares a iluminar, de la siguiente manera:
General de la habitación Baño
Peinadora (Espejo) Lectura
Cama
Dentro de la recopilación documental realizada para el análisis de las características deseables de la luminosidad, existen algunos criterios de la cantidad de LUX que se requiere, acorde a los diferentes autores, entre los cuales se mencionan los siguientes:
De niveles de iluminación sugeridos por Laszlo para actividades diversas, se tomó en cuenta las actividades de interés para este proyecto, los cuales se pueden apreciar en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 Niveles de iluminación sugeridos para actividades diversas.
Interiores (Residencial) Iluminación Recomendada
(LUX)
Lectura, escritura, etc 400
Dormitorio: iluminación general 200
Iluminación sobre el espejo (nivel vertical) 200
Baño: iluminación general 100
Fuente: (Laszlo, 2007)
43
Tabla 3.2 Niveles de iluminación recomendados según Air-Fal
Actividad Mínimo (LUX) Bueno (LUX) Recomendado
(LUX)
Dormitorio General 50 100 250
Camas 200 500 800
Lectura 200 500 700
Fuente: (Airfal, 2012)
Otro criterio de niveles de iluminación mínimos y recomendados se lo puede apreciar en la tabla 3.3.
Tabla 3.3 Niveles de Iluminación en Interiores
VIVIENDAS
ILUMINACIÓN (LUX)
Mínima Recomendada
Pasillos, escaleras, cuartos de almacenaje, garajes 50 100
Cuarto de baño 150 200
Cuartos de espejos 200 500
Cocinas 100 200
Dormitorio general 50 150
Cuarto de estar
Alumbrado general
Lectura
Trabajos escolares
Trabajos especiales
100 300 200 500
250 500 500 1000
Fuente: (Roldán Viloria, 2005)
44
Tabla 3.4 Características deseables de luminosidad
Actividad Cantidad (LUX)
Dormitorio General 150-200
Cama 150-200
Lectura 400-500
Baño 150-200
Espejos 400-500
3.2.1 CONDICIÓN DE LA ILUMINACIÓN ACTUAL
Para determinar la condición actual de la iluminación se realizó una investigación experimental. De la cual se realizó la recolección de datos con un enfoque cuantitativo.
El instrumento seleccionado para la toma de datos fue un luxómetro. Se lo realizó durante 3 días a diferentes horarios. Con el fin de tener en cuenta la iluminación natural variable se toma datos de diferentes días desde las 7 am, siendo el clima de estos: soleado, muy nublado y templado.
Además de realizarlo en diferentes situaciones, es decir:
Sin destellos de luz directos: Cuando se encuentra la habitación con la puerta y cortinas cerradas, y sin iluminación artificial.
Iluminación Natural: Cuando la habitación se encuentra con la puerta y cortinas abiertas.
Iluminación Artificial: La habitación se encuentra con puerta y cortinas
cerradas, y su iluminación artificial encendida
Iluminación Natural y Artificial: Cuando se encuentra puerta y cortinas abiertas y su iluminación artificial encendida