UNIVERSIDAD UTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE DISPOSITIVOS
INALÁMBRICOS PARA EL CONTROL DOMÓTICO DE UNA
VIVIENDA DESDE UN SMARTPHONE CON PLATAFORMA
ANDROID
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
KLEVER ANDRÉS CHIRIBOGA SUQUILLO
DIRECTOR: MSC. JUAN CARLOS RIVERA
© Universidad UTE 2018.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172103656-2
APELLIDO Y NOMBRES: Chiriboga SuquilloKlever Andrés
DIRECCIÓN: Alangasí Calle Simón Bolivar
EMAIL: andres_dsk2h@hotmail.com
TELÉFONO FIJO: 022787808
TELÉFONO MOVIL: 0996457388
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con
plataforma Android AUTOR O AUTORES: Klever Andrés Chiriboga Suquillo FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
03 de Julio de 2018 DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Msc. Juan Carlos Rivera PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo consiste en el diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android. El diseño se lo realizó con la motivación de utilizar plataformas de código abierto, para lo cual se comprobó que se pueden desarrollar muchas aplicaciones útiles, aumentando el confort y optimizando el consumo de energía. El sistema se diseñó para lograr controlar, los dispositivos electrónicos que se encuentran comúnmente instalados en el hogar; monitorear la seguridad, tanto desde la parte interna como externa; además de optimizar el consumo energético. Logrando que el usuario del sistema pueda interactuar con el hogar. El sistema mantiene un protocolo de comunicación WiFi entre los distintos equipos para controlar y monitorear los mismos. Para el control desde el exterior de la vivienda se creó una aplicación para Smartphone que funciona en la plataforma Android; el cual permite recibir y enviar datos desde el hogar a cualquier lugar del mundo y viceversa, donde el usuario tenga conexión a internet. Para el sistema de control se tomó en cuenta dos factores, manual y automático; que permiten al usuario desbloquear todo el sistema en caso de falla de energía eléctrica, desde un tablero de control ubicado dentro del hogar. El tablero de control también me permite monitorear e interactuar desde una
pantalla, teclado y mouse ubicados en el mismo. El sistema se puede controlar ya sea desde la parte del tablero de control o desde el Smartphone teniendo las mismas funciones en ambos casos.
PALABRAS CLAVES: Mecatrónico, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone
ABSTRACT: This work involves the design and implementation of wireless devices for a home automation control from a Smartphone with Android platform. The design was made with the motivation to use open source platforms for which it was found that can develop many useful applications, improving comfort and optimize energy consumption. The system was designed to achieve control, electronic devices that are commonly installed in the home; monitor security, both from the inside and externally; and optimize energy consumption. Making the system user can interact with the home. The system maintains a wireless communication protocol between different computers to control and monitor them. For control from the outside of the housing an application for Smartphone that runs on the Android platform was created; which can receive and send data from home to anywhere in the world, where the user has an Internet connection. For the control system took into account two main factors, locked and unlocked; allowing the user to unlock the entire system in case of power failure from a control panel located inside the home. The control panel also allows me to monitor and interact from a screen, keyboard and mouse located in the same. The system can be controlled either from the control of the board or the Smartphone having the same functions in both cases.
KEYWORDS Mechatronics, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, Klever Andrés Chiriboga Suquillo, CI172103656-2autor del proyecto titulado:“Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android.”,previo a la obtención del título de Ingeniero en Mecatrónica en la Universidad UTE.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 25 de Septiembre de 2018
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
DECLARACIÓN
Yo Klever Andrés Chiriboga Suquillo, 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 UTE 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.
f:
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android.”, que, para aspirar al título de Ingeniero en Mecatrónica, fue desarrollado por Klever Andrés Chiriboga Suquillo, 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 19,27 y 28.
f:
Msc. Juan Carlos Rivera DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
viii
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 12
ABSTRACT ... 13
1. INTRODUCCIÓN ... 8
2. ESTADO DEL ARTE ... 2
3. METODOLOGÍA ... 26
4. DISEÑO ... 30
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO ... 31
4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN ... 36
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ... 41
CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA ... 43
4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL ... 45
4.6 DISEÑO PLACA WIFI ... 50
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 52
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 57
PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS ... 57
5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL ... 60
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 62
CONCLUSIONES ... 63
RECOMENDACIONES ... 65
ix
ÍNDICE DE TABLAS
PÀGINA
Tabla 1. Características del contacto magnético ... 33
Tabla 2. Características de los detectores de rotura de cristales ... 34
Tabla 3. Características del detector de humo ... 34
Tabla 4. Características del sensor de movimiento ... 34
Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad ... 35
Tabla 6. Características de la sirena ... 35
Tabla 7. Características del motor de puerta ... 36
Tabla 8. Características del calefactor ... 36
Tabla 9. Tabla de características para la selección de luminarias... 37
Tabla 10. Tabla de factores de diseño ... 38
Tabla 11. Tabla de normas para iluminación ... 39
Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables ... 39
Tabla 13. Tabla de selección de luminarias ... 40
Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto ... 53
x
ÍNDICE DE FIGURAS
PAGINA
Figura 1. Metodología aplicada al proyecto 17
Figura 2. Esquema de hogar digital 21
Figura 3. Sensor de presencia 22
Figura 4. Sensor magnético 22
Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada 23 Figura 6. Metodología mecatrónica aplicada al proyecto 27
Figura 7. Esquemático de sensores 28
Figura 8. Esquemático de actuadores 28
Figura 9. Esquemático video vigilancia 28
Figura 10. Esquemático video vigilancia 29
Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa 31 Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel
de control 32
Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha
de baloncesto 32
Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de
ingreso a la propiedad 33
Figura 15. Tipos de iluminación 37
Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa 40
Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa 40
Figura 18. Página web oficial de Raspberry Pi 42 Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines 42
Figura 20. Reservación de direcciones IP 43
Figura 21. Software requerido para la configuración de la placa
Raspberry Pi 43
Figura 22. Conexión de servidor 44
Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin 45 Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor 46 Figura 25. Programación de la pantalla del índice en App Inventor 46 Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App Inventor 47 Figura 27. Pantalla de control de puerta implementada en Android 48 Figura 28. Programación de la pantalla de control de motores en App
Inventor 48
Figura 29. Pantalla de iluminación implementada en Android 49 Figura 30. Pantalla de cámaras implementada en Android 49 Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android 50 Figura 32. Pantalla de escena 2 implementada en Android 50
Figura 33. Pruebas protoboard 51
Figura 34. Placa electrónica aislada 51
Figura 35. Conexiones del tablero de control 54
xi Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el
tablero de control 55
Figura 38. Instalación del sensor magnético 55
Figura 39. Instalación de sensor de humo 56
Figura 40. Instalación de sensor de movimiento 56 Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje 56 Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema 57 Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio 1 57 Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1 58 Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía
12
RESUMEN
13
ABSTRACT
15 La domótica en el país está desarrollándose a paso lento, ya que existen muchas dificultades en el momento de la implementación dentro de los hogares, ya que para lograr un hogar domótico se necesita un sistema maestro el cual permita controlar a varios subsistemas; en este caso llamaremos sistema a la unión de varios subsistemas como son el de video vigilancia, seguridad y control de iluminación los cuales serán monitoreados y accionados desde un sistema maestro.
Para lograr que los subsistemas se comuniquen entre sí, actualmente se utiliza cableado externo para la unión de cada dispositivo electrónico entre las distintas centrales para ello, se realiza readecuaciones a las estructuras internas y externas de los hogares donde se lleva acabo las implementaciones domóticas ocasionando que al valor de las mismas se sume valores de remodelaciones civiles.En otras ocasiones se ha tenido que colocar canaletas plásticas expuestas para llevar los cables necesarios con los cuales se alimentan los dispositivos o se comunican, estropeando la fachada de los lugares a ser implementados los sistemas domóticos.
Como se detalla anteriormente todos estos subsistemas se monitorean o controlan individualmente no existe actualmente un sistema maestro el cual los comunique y logre realizar la unión de mismos para que el usuario tenga el control de todos estos subsistemas en una sola plataforma.
Al realizar este proyecto de titulación se realizó dispositivos inalámbricos los cuales disminuyen los costos de instalación, logrando comunicar todos los dispositivos a una tarjeta maestra; Raspberry Pi la cual recoge todos los datos proporcionados por los distintos elementos electrónicos instalados como son sensores de presencia, sensores de humo, cámaras de video vigilancia y temperatura. Y acciona los distintos actuadores acoplados al sistema.
Al acoplar todos los distintos sensores y actuadores a la tarjeta madre Raspberry Pi se hace necesario desarrollar una plataforma mediante la cual el usuario pueda monitorear los distintos subsistemas, para ello se desarrolló una aplicación para teléfonos inteligentes “smartphone”, la cual permitirá controlar y monitorear desde una sola aplicación los distintos subsistemas acoplamos al sistema maestro. Cabe destacar que Intel propone un argumento a tomar en cuenta en este trabajo, “Imagine cosas más inteligentes y más conectadas”, donde define a las cosas conectadas a una sólida red de diferentes dispositivos integrados con electrónica, software y diferentes sensores que permiten intercambiar y analizar datos prácticamente en tiempo real. (Alejandro. García, 2017).
16 móviles, la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi y la placa de potencia para el encendido y apagado de las luminarias, ambas montadas en el interior de la casa. La comunicación entre el dispositivo móvil y la tarjeta Raspberry Pi se genera vía Web, ya sea mediante WiFi o transferencia de datos, a través de una arquitectura cliente – servidor, lo cual permite el uso del sistema de manera simultánea por más de un usuario. (Oscar May. Renan Quijano. Fernando Fernández, 2015).
La comunicación inalámbrica de datos entre equipos electrónicos se aplica cada vez más, las tecnologías existentes permiten realizar diseños cada vez más eficientes sin necesidad de un amplio conocimiento y con un número reducido de componentes externos. Lo cual se utiliza para lograr la comunicación entre una interfaz HMI de control y monitoreo, conectándose a un servidor web. Permitiendo ejecutar un método remotamente y recibir su resultado como si se tratara de un método local a nuestro sistema. Cuando se crean sistemas embebidos con adquisición de datos inalámbricos, permitiendo controlar iluminación, acceso y alarma. (Christian Acosta, 2015). Para la realización del presente trabajo de titulación se planteó el siguiente objetivo general:
Diseñar e implementar dispositivos inalámbricos para el monitoreo y control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android desde el interior o exterior de la vivienda.
Mientras que los objetivos específicos son los siguientes:
Investigar las teorías y áreas de conocimientos que soportan o sustentan la elaboración de los dispositivos.
Desarrollar dispositivos electrónicos que permitan controlar y monitorear de manera inalámbrica la vivienda.
Realizar y configurar la red inalámbrica entre los distintos dispositivos necesarios.
Desarrollar la aplicación Android para Smartphone que permita monitorear y controlar los distintos tipos de dispositivos electrónicos desde cualquier punto donde tenga acceso a internet.
17 Para el control y monitoreo se utiliza una aplicación desarrollada en software libre para teléfonos inteligentes con plataforma Android que permite controlar y monitorear los distintos datos del sistema, logrando el encendido o apagado de distintos equipos, apertura y cierre de ventanas, puertas, etc. obteniendo un monitoreo de la seguridad del hogar. Se destaca una comunicación entre los equipos vía WiFi y entre los dispositivos mediante la red con direcciones IP, las cuales permiten reflejar los datos a cualquier parte del mundo, siempre y cuando se tenga conexión a internet.
Con este diseño se puede aumentar el confort de los propietarios de las viviendas logrando disminuir el esfuerzo que se realiza dentro del hogar para ejecutar acciones cotidianas dentro del mismo. (Figura 1).
Figura 1. Metodología aplicada al proyecto Análisis del
Problema
Definición de Requerimientos
Diseño
Implementación
Pruebas
Análisis de Resultados
18 En instalaciones domóticas implementadas con anterioridad se hace recurrente un gran problema; el cual es el cableado que es necesario implementar para la alimentación y la comunicación de los dispositivos que conforman dicho sistema, generando gastos extras a los sistemas, deteriorando las fachadas internas y externas de las viviendas ya que estas no cuentan con tuberías necesarias para la instalación de este tipo de sistemas, lo cual hace necesario instalar canaletas plásticas para poder alimentar y comunicar los dispositivos; ocasionando que las canaletas que se instalan queden visibles, lo cual genera molestias en los usuarios.
En este proyecto de titulación se comunica a los elementos que conforman el sistema mediante una señal WiFi la cual evita que se realice un cableado para que los elementos envíen y reciban datos, eliminado la instalación de las canaletas plásticas lo que causa que el precio del sistema en si disminuya tanto por las canaletas como el cableado a cada elemento.
La domótica comprende de la unión de varios sistemas que en la actualidad se implementan por separado como son: seguridad interna del hogar, iluminación, video vigilancia, etc. Los cuales no poseen una plataforma que los fusione y permita monitorear a todos en general.
En este caso se desarrolló una plataforma para teléfonos inteligentes la cual abarca todos los sistemas anteriormente mencionados, permitiendo al usuario controlar y monitorear los mismos.
Se recolectaron los requerimientos del cliente en base a sus necesidades tomando en cuenta el costo, estética, tiempo de respuesta, tiempo de instalación, encender o apagar actuadores eléctricos como motores, controlar el encendido de iluminación para crear ambientes en cuartos determinados, visualizar a través de internet el estado de actuadores, sensores y cámara de video vigilancia, acceso remoto a los distintos tipos de subsistemas acoplados al sistema maestro, tiempo de entrega del dispositivo, capacidad máxima de elementos añadidos al sistema, disponibilidad de repuestos , modo de operación, tiempo entre mantenimientos.
Tomando en cuenta estos requerimientos anteriormente descritos se generaron 3 diseños conceptuales, de los cuales se escogió uno para su posterior desarrollo, en base a los criterios de estructura y composición del armario o tablero de control y fuerza montado en el proyecto, control del sistema maestro y esclavos, sensores a instalarse, actuadores los cuales realizaran los movimientos, protocolo de comunicaciones en este caso WiFi, monitoreo del sistema en su totalidad mediante una aplicación para teléfonos inteligentes, protecciones para los distintos circuitos tanto de control como de fuerza instalados en el interior del hogar en este caso se utilizó breaker y borneras portafusibles.
19 Se diseñó una aplicación móvil para controlar el sistema por medio de internet.
Se programó distintos escenarios de iluminación en cuartos solicitados por el cliente.
21 En instalaciones domóticas actuales se instalan canaletas plásticas dañando la estética del interior y exterior de las viviendas ocasionando gatos adicionales por instalación y tiempo invertido de personal para colocar las mismas, realizar el cableado desde cada sensor a su central para poder recibir y enviar datos.
Cada sub sistema que se utiliza para que un hogar sea domótico tiene su propia central y no se comunican entre sí, lo cual hace que el control de cada uno sea independiente, teniendo que instalar varias aplicaciones en los teléfonos inteligentes sobrecargando al mismo de información, teniendo que cerrar una aplicación y abrir otra para monitorear o accionar los elementos. Las aplicaciones desarrolladas por cada uno de los fabricantes de los sub sistemas la mayor parte de veces no son compatibles o acoplables para otras marcas, haciendo que sus entornos de desarrollo sea cerrados y que no se comuniquen entre dispositivos de distintas marcas.
Para instalar seguridad dentro del hogar como sensores de movimiento, sensor de ruptura de cristales, sensores de humo es necesario instalar un cableado desde los mismos a su central, lo cual en este proyecto de titulación se creó un circuito el cual se acopla a los dispositivos y permite eliminar el cableado transmitiendo las señales mediante WiFi utilizando este para transmitir datos incrementando la capacidad para transmitir información, almacenarla, transmitirla, recibirla y procesarla. Lo cual permite establecer una comunicación con el resto de dispositivos conectados a la red interna del hogar desde cualquier lugar. Mediante este protocolo de comunicación podemos recibir señales de video vigilancia y estados de sensores, también podemos enviar datos a los actuadores para que realicen las acciones programadas por el operador. Permitiendo establecer una comunicación entre todos los dispositivos instalados dentro y fuera del hogar y estableciendo una comunicación entre todos ellos hacia una sola central que controla todos los subsistemas. Como se da a notar en la (Figura 2). El hogar en si tiene una interrelación con cada uno de los elementos dentro del mismo.
22 Al instalar sensores de movimiento o de presencia y cablearlos (Figura 3), es necesario llevar un cable desde cada sensor a la central lo cual en las cajas de conexiones da una sobre carga de cableado dependiendo del número de sensores al ser instalados, en este trabajo de titulación se los acoplo a una placa que capta la señal enviada por el sensor y la envía mediante un moduló WiFi hacia la central la cual capta los estados de los mismos.
Figura 3. Sensor de presencia
En el caso de los sensores magnéticos, su funcionamiento depende de la distancia que posea entre su campo magnético, enviando una señal al dispositivo eléctrico al que esté conectado. Si el inductor interno es alimentado genera un campo magnético que realiza el cierre del sistema, si se deja de alimentar el campo magnético desaparece y deja abierto el sistema. Se los utiliza habitualmente para el control de apertura o cierre ya sea de puertas o ventanas, para enviar mediante WiFi el cambio de los mismos. (Figura 4).
Figura 4. Sensor magnético
23
Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada Los requerimientos del usuario son un dato muy importante para el
desarrollo de este trabajo de titulación. Los cuales tomados en cuanta tanto en el inicio como en el final del mismo.
El costo al momento de la implementación de sistemas domóticos ya que en el país es muy costoso, por el motivo que no existe una placa centralizada para todos los sistemas y es necesario implementar los mismos uno por uno dentro del hogar ocasionando compras a distintos proveedores o marcas e incrementando su costo. Un sistema domótico en la actualidad se instala entre 8000$ y 9000 $ dólares americanos para obtener un sistema domótico completo en todo el hogar sin ser centralizado, en este trabajo de titulación se hace un estimado de 4900 $ dólares americanos integrando varios sub sistemas para lograr un sistema maestro completo de domótica haciendo a este más económico y eficiente.
La seguridad que proporciona un sistema domótico es mucho más amplia que la que puede brindar un sistema tradicional, pues integra tres campos de la seguridad que normalmente están controlados por sistemas individuales. a) Seguridad de los bienes:
Gestión de control de acceso y control de presencia, así como la simulación de presencia dentro del hogar.
b) Seguridad de las personas
Se puede tener acceso desde un teléfono inteligente para monitorear a personas mayores o minusválidas.
c) Incidentes
24 novedad a sus ocupantes.
La domótica también ofrece la interconexión de los sistemas de seguridad con el resto de dispositivos conectados en la misma red, lo que incrementa la versatilidad del sistema. (Molina González, 2010).
Estética es muy importante para el cliente ya que no desea tener canaletas plásticas expuestas en el hogar como los sistemas tradicionales, para esto se eliminó la comunicación mediante cablees y si estableció la comunicación entre dispositivos mediante señal WiFi con lo cual se elimina el inconveniente de colocar canaletas vistas dentro y fuera del hogar.
Tiempo de respuesta entre los dispositivos integrados a la red y la interacción desde el teléfono inteligente deben ser casi en tiempo real ya que si existe un problema dentro del hogar ya sea robo o incendio debe poder realizar una acción en el instante del suceso.
Ordenador que sea de bajo costo “Raspberry PI” que permite trabajar con tan solo conectarlo a una pantalla y a un teclado, que posea un espacio de almacenamiento “micro SD”, (Raspberry Pi, 2012).
Levantar un Web Server que se ejecute continuamente, manteniéndose a la espera de peticiones de ejecución que lo hará un cliente o usuario de la aplicación. Se encarga de contestar a estas peticiones de forma adecuada. Android es un sistema operativo orientado a dispositivos portátiles como teléfonos inteligentes, netbooks, tabletas, entre otros.Un sistema operativo de teléfonos inteligentes como “Android”, que se diferencia del resto de sistemas operativos para dispositivos móviles con iOS o Windows Phone, el código fuente de Android se mantiene abierto lo que ha significado su implementación a diversos dispositivos moviles. Soporta multimedia, interfaz táctil, características basadas en voz y una amplia variedad de componentes de hardware. Si se añade a esto un entorno de desarrollo gratuito que incluye un emulador de dispositivos, herramientas para depuración de memoria y análisis del rendimiento del software.(Baéz, Borrego, Hernández, & Torralbo, 2010).
EL modo de funcionamiento se va a dividir en dos partes las cuales son: Tablero de control y aplicación móvil.
En el tablero de control se ubican las protecciones de los sistemas eléctricos de la casa y las protecciones del circuito de control, la placa Raspberry Pi, la placa arduino y una placa de relés para controlar la iluminación. EL tablero posee un selector el cual permite pasar de manual o automático.
25 interna y los dispositivos conectados mediante la aplicación para así poder controlar y monitorear los mismos.
En modo manual el cual entraría a funcionar en caso de una falla de algunas de las placas de control ya sea Raspberry Pi o Arduino, o en caso de una falla de energía, permitiendo controlar el sistema como tradicionalmente lo haría una casa si domótica; con interruptores de luz.
27 En el siguiente diagrama de flujo se detalla el método que se utilizó para la consecución de los objetivos, este se basa en la metodología expuesta por William Bolton para el desarrollo de sistemas mecatrónicos. (Figura 6).
Figura 6.Metodología mecatrónica aplicada al proyecto
(Bolton, 2006)
Se levantó un servidor el cual es la parte más importante y fundamental del sistema domótico el cual es el que reúne y asocia a todos los subsistemas para así poder interrelacionar los mismos e integrarlos en una sola plataforma, el servidor está conectado a internet el cual se puede conectar a una aplicación móvil instalada en teléfonos inteligentes lo cual permite controlar y monitorear los distintos sub sistemas acoplados al servidor.
El usuario envía una señal por medio de la aplicación ya sea un uno lógico o un cero lógico el cual permitirá al servidor enviar una orden a los distintos controladores que están instalados en el sistema.
Servidor Aplicación Smarthphone
Internet
Controlador Nodo 1
Controlador Nodo 2
Controlador Nodo 3
Iluminación Sensor
Driver
28 Si se envía una señal de encendido o apagado de luminarias instaladas esta pasa por un controlador el cual permite recibir la señal y realizar la acción necesaria.
Es similar en los distintos sub sistemas instalados ya sea en los actuadores y sensores, estos envían y reciben datos los cuales mediante el servidor se reflejan en la aplicación móvil y a su vez al usuario.
En los siguientes esquemáticos se reflejan los distintos dispositivos instalados en su detalle en la (Figura 7), se da a notar el diseño de los sensores.
Figura 7.Esquemático de sensores
Para los actuadores se recibe una señal mediante WiFi la cual llega al Arduino el mismo da un impulso activando un relé para el accionamiento de los actuadores ya sean luminarias, motores, encendido de calefactor, como se refleja en la (Figura 8).
Figura 8.Esquemático de actuadores
Para recibir los datos de video vigilancia se recolecta la información que envían las cámaras ya que estas son IP y transmiten la información mediante WiFi, se acopla la señal directamente al controlador principal que es la Raspberry Pi la cual envía los videos a la aplicación véase en la (Figura 9).
Figura 9.Esquemático video vigilancia Movimiento
Temperatura
Humo
Arduino Nano Módulo WiFi
Relé Arduino Módulo WiFi
Video
Cámaras WiFi Raspberry Aplicación Móvil
Pi Iluminación
Motores
29 La aplicación móvil tiene como entradas la solicitud del usuario en la misma, mediante los botones a presionar para que así se realicen la acciones solicitadas, este envía la información mediante el servidor web el cual llega a la Raspberry Pi, y da la señal de activación a los distintos actuadores. Véase en la (Figura 10).
Figura 10.Esquemático video vigilancia Aplicación
Móvil Servidor
Web Actuadores
31
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO
El sistema eléctrico se encarga de regular y estudiar las características eléctricas de los elementos que se utilizarán para la implementación del proyecto. Definir las corrientes y tensiones necesarias para cubrir el consumo de los elementos domóticos y también definir las protecciones necesarias para evitar daños en el sistema.
CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS
Los componentes electrónicos se seleccionaron mediante las necesidades del sistema domótico, cada uno de los elementos fueron dimensionados en base a las características del proyecto. En los planos que se muestran a continuación se puede observar la distribución de los componentes electrónicos que debe controlar el sistema domótico.
El plano de la (Figura 11), se muestra la distribución de las luminarias dentro de la casa. Estas luminarias fueron analizadas y seleccionadas con el software DIALux, como se puede observar en el estudio de iluminación dentro del presente capitulo.
Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa
32
Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel de control
Los planos de las (Figuras 13 y 14), muestran la distribución de luminarias y actuadores en el área de la cancha de baloncesto y la entrada de la propiedad.
33
Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de ingreso a la propiedad
Contacto magnético
Dentro del sistema el contacto magnético sirve para saber cuándo una puerta o venta se encuentra abierta o cerrada. Estos sensores son inalámbricos y se comunican con el sistema mediante la red WiFi de la casa. Este dispositivo fue seleccionado en base a sus características principalmente a la frecuencia de trabajo, se buscaba dispositivos que se adapten a la red WiFi, en este caso el dispositivo trabaja con frecuencias de 433Mhz por lo que no va a tener inconvenientes dentro del sistema (Tabla 1).
Tabla 1.-Características del contacto magnético
Contacto de puerta/ventana inalámbrico WS4945
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Distancia máxima de detección 16 mm
Tipo de contacto Normalmente cerrado
Batería Litio, 3 V
Vida útil de batería 5 a 8 años
Detectores de rotura de cristales
Estos detectores se encargan de verificar el estado de las ventanas.
34
Tabla 2. Características de los detectores de rotura de cristales Detector de rotura de cristales DSC
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Distancia máxima de detección 7.5 m
Corriente de contacto 1 A a 24 V
Voltaje de alimentación 9-16 V
Corriente máxima de trabajo 35 mA
Detector de humo
Los detectores de humo tienen la función de activar las alertas o enviar avisos a la aplicación si se detecta un incremento de las partículas de combustión en el ambiente de la casa, con el fin de prevenir un incendio (Tabla 3).
Tabla 3. Características del detector de humo Detector de humo inalámbrico WS4916
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Tipo de sensor Fotoeléctrico
Sensibilidad nominal 3.0% +/- 0.8% oscurecimiento/pie. (UL)
Batería 2 baterías de Litio, 3 V
Vida útil de batería 5 a 8 años
Sensor de movimiento
Las características de estos sensores se muestran a continuación en la (Tabla 4).
Tabla 4. Características del sensor de movimiento Detector infrarrojo pasivo inalámbrico WS4904
Marca Tyco Security Products
Tipo de sensor Infrarrojo
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Cobertura 12 m x 12 m
35 Sensor de temperatura y humedad
Este sensor sirve para controlar la climatización de la casa, el usuario puede establecer una temperatura específica y el sistema domótico debe activar los actuadores para estabilizar la temperatura a la señalada. Estos están ubicados en los dormitorios y en el estudio. Las características del sensor son los que se explican en la (Tabla 5).
Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad Sensor de temperatura y humedad DHT22
Marca AosongElectronics Co.,Ltd
Voltaje de alimentación 3.3-6 V DC
Tipo de sensor Capacitivo
Rango de operación Humedad 0-100%RH
Rango de operación Temperatura -40~80 Celsius
Batería Litio, 3 V
Exactitud 0.1% RH; <+-0.5 Celsius
Señal de salida Salida digital vía bus simple
Sirena
La sirena es uno de los actuadores del sistema y su función es la de avisar al usuario que alguno de los sensores dentro de la casa ha detectado algún evento de alarma o alerta. El sistema cuenta con una sirena instalada en el garaje (Tabla 6).
Tabla 6. Características de la sirena Sirena de interior inalámbrica de 2 vías WT4901
Marca Tyco Security Products
Potencia de sirena 85 dB
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Baterías 4 baterias tipo AA
Vida útil de batería 1 año
Motor de puerta
36
Tabla 7. Características del motor de puerta
Motor para automatización de puertas deslizantes Serie BX-246
Marca CAME CancelliAutomatici
Voltaje de alimentación 230 V AC
Frecuencia de trabajo 50/60 Hz
Potencia de consumo 400 W
El motor fue seleccionado con base en el peso de la puerta y la potencia necesaria para moverla.
Calefactor
El calefactor se encarga de estabilizar la temperatura de las diferentes áreas de la casa. Considerando que el clima donde se ubica la casa varía entre los 5 hasta los 25 grados centígrados, y teniendo como referencia una temperatura optima de 22 grados centígrados, se eligió un calefactor que se encienda si la temperatura es baja y se apague cuando la temperatura sea mayor o se la desee estabilizar. Los calefactores se encuentran en dos dormitorios y en el estudio. Las características del calefactor se ven en la (Tabla 8).
Tabla 8. Características del calefactor Radiador eléctrico / vertical HZ-709
Marca Honeywell
Voltaje de alimentación 120 V AC
Frecuencia de trabajo 60 Hz
Corriente de trabajo 12.5 A
Consumo de potencia 1500 W
Para la selección del todo el sistema de iluminación se realizó un estudio específico donde se establecieron los requerimientos del sistema y se eligieron los elementos adecuados para la implementación. El estudio se muestra a continuación.
4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN
37 Elección del sistema de alumbrado
En la siguiente (Figura 15), se muestras los tipos de alumbrado que serían adecuados utilizar en las instalaciones de nuestro caso y en la (Tabla 9), se resumen las características más importantes a tener en consideración para seleccionar el tipo más adecuado.
Figura 15.Tipos de iluminación
Tabla 9. Tabla de características para la selección de luminarias
Sistema de alumbrado Disposició n de luminarias Característi cas de luminarias Efectos visuales Consumo energético Sobre el espacio Sobre personas u objetos
General Uniforme
Altos niveles de iluminación en todo espacio Produce sensación de amplitud y orden Modelados
blandos Elevado
Localizado Irregular
Altos niveles de iluminación sólo en áreas
de interés Produce sensación de reducción de espacio Modelados
duros Reducido
General y localizado Uniforme e irregular Iluminación general reducida respecto de áreas de trabajo Un balance adecuado puede compensar la sensación de reducción de espacio Modelado
casi natural Intermedio
38 De acuerdo al análisis de los sistemas de alumbrado en la (Tabla 10), y en conjunto con el propietario de la vivienda se determinó que el sistema de alumbrado General Localizado es el adecuado para la vivienda en conjunto con el diseño arquitectónico de la misma.
Elección de las fuentes luminosas
Para la selección de las lámparas hay que tener en cuenta todos sus parámetros y características funcionales, para el estudio se debe considerar los factores de diseño que tiene que ver con las características, rendimiento luminoso, tiempo encendido. En la (Tabla 10), se muestran los factores de diseño a tener en cuenta.
Tabla 10. Tabla de factores de diseño
Características delas fuentes luminosas Requerimientos de diseño a tener en cuenta
Rendimiento luminoso “lm/w” Vida útil “Horas”
Dimensiones Disponibilidad
Tiempo diario de funcionamiento
Uso racional de energía Demandas estéticas Requerimientos de mantenimiento
Seguridad
Es adecuado utilizar lámparas de luz tipo LED (Diodo emisor de luz), color blanco, SYLVANIA. Adecuadas para cada ambiente dentro del hogar en
coordinación con la arquitectura y ubicación de las mismas. Área a iluminar
De acuerdo a los planos suministrados por arquitectura: Área/ Espacio a iluminar:
Primer piso: 11.5 x 9.17 x 2.80 m “Largo x ancho x altura” Garaje: 6 x 5 x 2.8 m “Largo x ancho x altura”
Cancha múltiple: 28.5 x 15 x 3 m “Largo x ancho x altura” Nivel de iluminación considerado: Residencial
Requerimientos de iluminación para la satisfacción de necesidades básicas:
Confort Visual: Los usuarios tienen una sensación de bienestar, de un modo indirecto también contribuye a un elevado nivel de la productividad.
39 Tablas de referencia
La (Tabla 11), muestra las normas necesarias en las que se basó el estudio la implantación de las luminarias.
Tabla 11. Tabla de normas para iluminación Normas para iluminación
Norma Título
UNE 12464.1 Norma europea sobre iluminación para interiores
NOM-025-STPS-2008 Condiciones de iluminación en los centros de trabajo
INEN 1 154 Iluminación natural de edificios para fábricas y talleres
La (Tabla 12), muestra los factores a tener en consideración para la selección de las luminarias.
Columna 1: Número de referencia para cada área Columna 2: Tipo de interior, área y actividad
Columna 3: Iluminación mantenida Em, Haciendo referencia al área interior. Columna 4: Límite de índice de Deslumbramiento unificados UGR
Columna 5: Índices de rendimiento de colores RA mínimos
Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables
N° Área Em lux UGR l Ra
1 Dormitorio 300 19 80
2 Baño 300 19 80
3 Sala 300 19 80
4 Estudio 500 19 80
5 Cocina 500 22 80
6 Garage 200 25 20
Selección de luminarias para las casa
40
Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa
Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa
Junto con el modelo en tres dimensiones de la casa se adjuntaron los planos de los espacios físicos donde se requiere colocar las luminarias.
Una vez ingresado todos los planos se obtuvo como resultado la selección de las siguientes luminarias para la casa las cuales se revisó si existen en el país. (Tabla 13).
Tabla 13. Tabla de selección de luminarias
Número de unidades Tipo de luminaria
2
Hela
Flujo luminoso 4800 lm 1xdl-43W-4000k-clear
2
Hela
Flujo luminoso 23000 lm 1xil230w
25
Hela
Flujo luminoso 3100 lm 1x5l-41W-400k
4
Ligthing Technologies Flujo luminoso 7073 lm
41
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control es el encargado de monitorear los estados de los diferentes sensores instalados, procesar las señales y tomar decisiones para activar los diferentes actuadores del sistema. El análisis realizado, muestra la configuración de este sistema y las bases para la selección de los diferentes componentes.
El primer paso es definir si el sistema fue activado, mediante la aplicación, caso contrario los dispositivos conectados en el hogar puedenutilizarse manualmente. Si el sistema fue activado las diferentes tareas de control podrán efectuar sus operaciones, analizando la información enviada por los sensores hacia el sistema central de control, este proceso debe ser un bucle del sistema, ya que siempre es necesario conocer el estado de los sensores, El estado de los sensores será analizado continuamente, por lo que está retroalimentado. Si los sensores están activados, el sistema realizará un trabajo específico, por ejemplo si el sensor de humo se activa, su función es, enviar esta información a la aplicación, para que el usuario pueda observar que está pasando en su hogar, y como medida de prevención se activara la alarma para que las personas que se encuentran en el área también tengan la información de que algo está ocurriendo.
Es necesario decir que los botones programados dentro de la aplicación también pueden activar los actuadores y en el caso de la apertura de puerta de la entradaesnecesario activarla desde la aplicación debido a que no existe una tarea que dependa de la activación de algún sensor.
En el caso de los botones al igual que los sensores es necesario revisar su estado en todo momento por lo que se retroalimenta.
Para la activación de los actuadores, como se ha descrito hasta el momento, se lo puede realizar mediante la comprobación de los estados de los sensores o en el caso dela puerta de entrada mediante los botones de la aplicación.
También es necesario mencionar que el único actuador que tiene otra condición de funcionamiento es el calefactor debido a que también depende de la temperatura en la que se encuentren las diferentes habitaciones, esta temperatura se la fijo en 22 grados centígrados.
42
CONFIGURACIÓN DE LAS PLACAS DE CONTROL
Configuración de Raspberry Pi
Es necesario instalar el sistema operativo en la placa, en este caso se utilizará Raspbian-jessie, a continuación se detalla los pasos necesarios para realizar la instalación. (Figura 18).
Figura 18.Página web oficial de Raspberry Pi
Se realiza la configuración IP que la importante en este caso. Configuración WiFi para Arduino
Se realiza un programa, para Arduino el cual está conectado al módulo WiFi, para establecer los pines en lo que se necesita tener recepción y transmisión, y se configura la velocidad a la que transmiten tanto el Arduino como el WiFi. El proceso se explica a continuación en la (Figura 19).
43 Configuración de direcciones IP para módulos WiFi estáticos
Las configuraciones de las direcciones IP para los módulos WiFi de cada uno de los dispositivos se realizó directamente desde el modem el cual recoge todas las señales de los componentes instalados dentro de la red. Se coloca las direcciones MAC de los equipos (Figura 20).
Figura 20. Reservación de direcciones IP
Se escribe la dirección MAC de cada módulo WiFi existente, porque esta es única e irremplazable y viene por defecto en el equipo y se asigna la dirección IP para ese equipo específicamente.
CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA
La función principal de la placa RaspberryPi es la de gestionar la red de equipos conectados en el sistema, es decir que permite la comunicación entre el sistema de control y los sensores. Su otra función es la de permitir el acceso remoto al sistema por medio de internet.
Para el presente trabajo se instaló una serie de software dentro de la Raspberry, los cuales se necesitan para lograr la comunicación requerida entre los componentes (Figura 21).
Apache: Servidor Web HTTP open source. MySQL: Base de datos Open source
PHO (Personal Home Pages): Lenguaje de programación que forma parte del servidor web para crear wbs dinámicas.
PHPmyAdmin: Sirve para administrar la base de datos a través de interfaz web.
44 En la siguiente imagen se puede mostrar el procedimiento de un servidor web (Figura 22).
Figura 22. Conexión de servidor
Todos los elementos que se instalaran en la Raspberry Pi estarán funcionando sobre el sistema operativo DEBIAN de LINUX por lo que los comandos de ejecución serán explicados bajo esta plataforma.
Instalación y configuración de Apache
Para que todo funcione es necesario instalar el propio servidor, el más común es Apache.Para poder visitar la web desde otro ordenador dentro de la red local habrá que conocer la IP del Raspberry Pi.
Por medio del navegador se puede acceder mediante la IP del Raspberry Pi desde el computador con la siguiente dirección:http://192.168.1.105.
Instalación y configuración de PHP
Es necesario instalar el lenguaje de programación PHP en la placa RaspberryPi.
Instalación y configuración deMySQL
MySQL es un gestor de base de datos de código libre que sirve para almacenar y gestionar bases de datos. Para su instalación se utiliza el siguiente código:
sudoapt-getinstallmysql-server mysql-client php5-mysql
Es necesario colocar una contraseña para iniciar el programa, la contraseña será establecida por el usuario.
Instalación y configuración dePHPmyAdmin
45 En el proceso de instalación es necesario indicar que servidor web se ha instalado en la placa raspberry. (Figura 23).
Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin
4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL
La aplicación fue diseñada en el software App Inventor que trabaja para plataformas que funcionen con Android, la selección de este sistema se debe a que en el mercado actual la mayoría de usuarios de teléfonos inteligentes usan sistemas con sistemas operativos Android.
El desarrollo se lo realizó por pantallas, donde se colocaron los diferentes dispositivos del sistema domótico. Se implementó un sistema de fácil uso e intuitivo para el usuario. A continuación se muestra cada una de las pantallas programadas.
Diseño de pantalla de inicio
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Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor
Diseño de pantalla delíndice
La pantalla del índice sirve como nexo para ingresar a los diferentes componentes del sistema. En esta pantalla índice se colocó un texto de “INDICE” y la imagen de la universidad. (Figura 25).
Figura 25.Programación de la pantalla del índice en App Inventor
47 automáticamente dependiendo de los requerimientos del sistema. El último botón sirve para salir de la pantalla y dirigirse a la pantalla de inicio.
Diseño de la pantalla de seguridad
En esta pantalla se colocaron todos los dispositivos relacionados al sistema de seguridad. En este caso sensores de movimiento, sensores de cristales rotos, contactos magnéticos de puertas, sensor de humo y las cámaras de seguridad. Mediante checkbox en cada uno de los elementos se puede determinar el estado de cada uno de los sensores para determinar ciertas acciones en el mismo. Además se colocaron tres botones, el primer botón señala que el usuario esta en casa y que si se activa alguno de los sensores envíe la información al checkbox, pero no realice ninguna acción. El segundo botón es para activar la alarma total de la casa donde sí se activa cualquiera de los sensores envíe la información al checkbox y además active la sirena dentro de casa. El último botón es de emergencia y realiza una llamada de auxilio al 911 si es presionado. (Figura 26)
.
Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App Inventor
Diseño de pantalla de puertas eléctricas
48
Figura 27.Pantalla de control de puerta implementada en Android
Figura 28.Programación de la pantalla de control de motores en App Inventor
Diseño de pantalla de iluminación
49
Figura 29.Pantalla de iluminación implementada en Android
Diseño de pantalla de cámaras
En la pantalla de cámaras, se colocaron las cuatro cámaras que se encuentran instaladas en la casa. Estos cuadros sirven para visualizar la imagen en tiempo real de cada uno de los dispositivos. (Figura 30).
50 Diseño de pantallas de escenas
Las pantallas de las escenas, son modificables y deben adaptarse a las necesidades del cliente, en estas pantallas se colocan ciertos dispositivos que deben ser activados de manera automática con el fin de lograr un escenario preestablecido dentro del hogar.
Para el presente proyecto se crearon dos escenas, la primera enciende la iluminación de la sala y del primer dormitorio, además estabiliza la temperatura mediante el calefactor. La segunda escena controla la iluminación de la sala y la coloca en un nivel establecido por el usuario. (Figura 31 y 32).
Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android
Figura 32.Pantalla de escena 2 implementada en Android
4.6 DISEÑO PLACA WIFI
51 desarrolladas en protoboard en un inició para lograr descartar fallas en las conexiones y el funcionamiento de la misma. (Figura 33).
Figura 33.Pruebas protoboard
Luego de establecer que el funcionamiento es el correcto se elaboró placas para la instalación de las mismas en los diferentes actuadores. (Figura 34).
Figura 34.Placa electrónica aislada
Con las pantallas de la aplicación programadas y con los sistemas del servidor configurados y listos para operar, es posible realizar las pruebas de funcionamiento del sistema domótico. En el siguiente capítulo se analizaran los resultados obtenidos del protocolo de pruebas planteado para el sistema
53 Una vez finalizado el proceso de diseño se tuvo como resultado un sistema domóticoimplementado y en funcionamiento con el siguiente presupuesto: (Tabla 14).
Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto
Item Descripción Cantidad
Precio unitario en dólares Precio total en dólares
1 Raspberrypi 1 75 75
2 Arduino Mega 1 25 25
3 Arduino Nano 1 20 20
4 Placa de Relés 1 35 35
5 Fuente de Voltaje 1 60 60
6 Breaker de Protección 9 10 90
7 Motores Eléctricos 2 750 1500
8 Sensores de Movimiento 5 25 125
9 Sensores de Humo 4 25 100
10 Sensor de Temperatura 3 25 75
11 Sensores Magnéticos 3 25 75
12 Sensor de Cristales Rotos 6 45 270
13 Electro Válvulas 1 45 45
14 Sirena 1 20 20
15 Calefactor 3 95 285
16 Lámparas Tipo Led 6 110 660
17 Tablero de control 1 160 160
18
Base Para Tablero de Control
1
45
45
19 Pantalla 7’ para raspberry 1 65 65
20 Instalación 1 230 230
21 Mano de Obra 1 400 400
SUBTOTAL 4285
IVA 14% 599.9
TOTAL 4884.9
54 Se realizó la conexión del sistema de control dentro del tablero como se muestra en la siguiente (Figura 35).
Figura 35.Conexiones del tablero de control
Como podemos ver en la imagen, dentro del tablero de control se colocaron las protecciones del sistema, la fuente de alimentación de los dispositivos, el controlador Arduino Mega ADK, la placa Raspberry Pi y los relés para activación de los actuadores. El tablero de control se encuentra instalado en la cocina de la casa como se indicó en los planos realizados (Figura 36 y 37).
55
Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el tablero de control De igual manera se realizó la instalación de los sensores y actuadores distribuidos como se indicó previamente en los planos de la casa, como se puede observar en las siguientes (Figura 38, 39, 40 y 41).
56
Figura 39. Instalación de sensor de humo
Figura 40. Instalación de sensor de movimiento
Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje
57
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS
Las pruebas de comunicación entre los dispositivos se realizaron mediante las direcciones IP que se asignaron a cada uno de los sensores y actuadores del sistema. En la siguiente figura se puede observar cada una de las direcciones asignadas. (Figura 42).
Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema
Mediante el símbolo del sistema de la placa Raspberrry se comprobó que todos los elementos se encuentran operando sin inconvenientes y que la comunicación está operando correctamente en la red local.Además de comprobar los tiempos de respuesta de cada uno de los dispositivos, como resultado se obtuvo que la mayoría de respuestas de los dispositivos son tiempos menores a 1 ms. En las siguientes figuras se muestran algunos resultados obtenidos desde el símbolo de sistema y una tabla con los elementos, las direcciones IP y los tiempos de respuesta. (Figura 43 y 44).
58
59
Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta
Con los tiempos establecidos podemos decir que todos los procesos deben trabajar y dimensionarse en base al sensor con mayor tiempo de respuesta, en este caso el sensor de cristales rotos del dormitorio 2, para evitar
Ítem Descripción Dir. IP Min. Max.
1 Router 192.168.1.1 2 88 2 Raspberry pi 2 Ethernet 192.168.1.2 <1 <1 3 Raspberry pi 2 Wifi 192.168.1.3 <1 <1 4 Arduino Uno 192.168.1.4 <1 <1 5 Sensor de movimiento dormitorio 1 192.168.1.5 <1 <1 6 Sensor de movimiento dormitorio 2 192.168.1.6 <1 <1 7 Sensor de movimiento estudio 192.168.1.7 <1 <1 8 Sensor de movimiento garaje 192.168.1.8 13 432 9 Sensor de movimiento sala 192.168.1.9 <1 <1 10 Sensor de cristales rotos dormitorio 1 192.168.1.10 <1 <1 11 Sensor de cristales rotos dormitorio 2 192.168.1.11 223 790 12 Sensor de cristales rotos estudio 192.168.1.12 <1 <1 13 Sensor de cristales rotos sala 192.168.1.13 <1 <1 14 Sensor de cristales rotos garaje 192.168.1.14 <1 <1 15 Contacto magnético puerta principal 192.168.1.15 <1 <1 16 Contacto magnético ventana baño 192.168.1.16 <1 <1 17 Contacto magnético puerta garaje 192.168.1.17 <1 <1 18 Sirena 192.168.1.18 <1 <1 19 Sensor de incendios estudio 192.168.1.19 <1 <1 20 Sensor de incendios cocina 192.168.1.20 <1 <1 21 Sensor de movimiento garaje 192.168.1.21 <1 <1 22 Sensor de incendios sala 192.168.1.22 <1 <1 23 Calefactor dormitorio 1 192.168.1.23 <1 <1 24 Calefactor dormitorio 2 192.168.1.24 <1 <1 25 Calefactor estudio 192.168.1.25 <1 <1 26 Sensor de temperatura dormitorio 1 192.168.1.26 <1 <1 27 Sensor de temperatura dormitorio 2 192.168.1.27 <1 <1 28 Sensor de temperatura estudio 192.168.1.28 <1 <1 29 Motor ventana dormitorio 1 192.168.1.29 <1 <1 30 Motor ventana dormitorio 2 192.168.1.30 <1 <1 31 Motor garaje 192.168.1.31 <1 <1 32 Electroválvula Gas 192.168.1.32 <1 <1
33 Libre
-34 Sensores perimetrales 192.168.1.33 <1 <1 35 Motor garaje principal 192.168.1.34 <1 <1 36 Alumbrado cancha múltiple 192.168.1.35 <1 <1 37 Alumbrado Patio 192.168.1.36 <1 <1 38 Válvula de riego automático 192.168.1.37 <1 <1 Tiempos de respuesta en ms Interior hogar domótico
Tabla de direccionamiento IP
60 problemas en el funcionamiento del sistema es necesario considerar esta variable y colocar los tiempos de espera necesarios para que el controlador pueda recibir y procesar la señal. El resto de actuadores y sensores no tendrán inconvenientes en el funcionamiento debido a que su tiempo de respuesta es menor y se puede procesar las señales casi en tiempo real.
5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y
ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL
Para las pruebas de control de escenarios se implementaron dos pantallas. La primera pantalla como se explicó anteriormente, controla el encendido de la luz de la sala y del dormitorio principal, además del encendido de la calefacción. En la primera prueba se configuro para que todo se active simultáneamente, como se pudo observar en los tiempos de respuesta del sistema no existe problema para activar todo en tiempo real si el usuario se encuentra dentro de la red de área local. No existieron tiempos de retraso en el accionamiento simultáneo de los componentes del primer escenario. La segunda prueba para este escenario consistió en modificar los tiempos de accionamiento, al presionar el botón de la escena debía pasar 20 segundos para accionar la luz de la sala, 30 segundos para accionar la calefacción y 1 minuto para encender la luz de la habitación. Nuevamente se obtuvieron los resultados esperados sin retrasos significativos, debido a que los tiempos de respuesta dentro del área local se encuentran en la orden de los micros segundos.
La segunda escena programada es más simple debido a que debe prender o apagar algunas de las luminarias de la sala con el fin de lograr la iluminación adecuada para observar una película. Los tiempos de respuesta de la escena fueron óptimos.
61
Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía internet
Como podemos observar desde el dispositivo móvil se tiene tiempo de envío y recepción de datos desde la red domótica vía internet total de 9016 ms, este tiempo es el retraso es el que se puede observar en la lectura de sensores y accionamiento actuadores del sistema. Este tiempo puede variar dependiendo de la calidad y velocidad de la señal de internet con la que cuente el dispositivo desde donde se acceda remotamente al sistema.
63
CONCLUSIONES
Con la implementación del sistema domótico se cumplieron con las características principales de este tipo de sistemas de control, debido a que se mejoró la eficiencia de algunas de las tareas que se realizan dentro del hogar, se mejoró el consumo energético con el control adecuado de las luces, se mejoró el confort del usuario con la programación de diferentes escenas y por último se buscó implementar herramientas como son la aplicación móvil para que el usuario pueda tener control sobre algunas tareas de su casa vía internet sin la necesidad de estar presente.
Para la implementación adecuada del sistema se realizaron los estudios referentes a los espacios físicos que tenía la casa, además de la factibilidad de implementación del sistema.
Los estudios de iluminación que se realizaron permitieron determinar las luminarias adecuadas para la implementación del presente proyecto, además de indicar las áreas de la casa donde mayor control se necesitaba debido al consumo que se puede dar en las mismas, enfocando el sistema de control a estas áreas críticas.
La implementación del sistema ha demostrado que su ampliación es factible, lo que ofrece al usuario la capacidad de implementar nuevos elementos ya sean sensores o actuadores en un futuro, y esto se debe a la utilización de plataformas con software y hardware libre como son Arduino y Raspberry. La utilización de plataformas de software y hardware libre también tienen un impacto importante en el presupuesto para la implementación del sistema debido a que no se debe considerar costos por uso de software especializado.
Las pruebas realizadas sobre los tiempos de respuesta de los sensores y actuadores demostraron que el sistema puede funcionar en tiempo real siempre y cuando el usuario este dentro de la red de área local.
Los tiempos de respuesta de los dispositivos también demostraron que si el usuario desea acceder de manera remota al sistema siempre existirá un pequeño retraso en la recepción de datos de sensores y en el activación de los actuadores, estos tiempos de retraso dependerán de la velocidad y calidad de internet con la que se cuente fuera de la red local.
64 de conexión, y ciertas características del entorno pueden disminuir la señal de transmisión.
65
RECOMENDACIONES
Se recomienda utilizar el presente proyecto como guía para el desarrollo de nuevas aplicaciones domóticas o para la investigación de las mismas.
Se recomienda poseer flexibilidad en la aplicación ya que en el momento que el usuario desee incrementar otra cámara, sensor o actuador en este caso debería llamar al ingeniero para poder realizar la programación en App Inventor y poder añadir dispositivos a la misma.
Se recomienda flexibilidad en la plataforma para teléfonos inteligentes ya que si el usuario desee comprar un Iphone la aplicación no serviría ya que este ocupa otro sistema operativo que es el IOs.
Se recomienda realizar trabajos afines al desarrollo de aplicaciones que se adapten a diferentes plataformas de control, debido a que es uno de los aspectos poco desarrollados en la actualidad.
