I UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITA
CONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS”
PROYECTO DE TITULACIÓN
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
AUTOR:
TREJO SEVILLANO JOKASTA IVANHOVA
TUTOR:
ING. ROBERTO CRESPO MENDOZA, MSIG. GUAYAQUIL – ECUADOR
II REPOSITORIO NACIONAL DE REGISTRO Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS / TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO:
“Análisis y diseño de un sistema inteligente para un hogar digital que permita configurar perfiles de usuarios”
AUTOR:
Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova
REVISOR:
Ing. Jóse Medina Moreira, M.Sc.
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil FACULTAD: Ciencias Matemáticas y Físicas CARRERA: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
FECHA DE PUBLICACION: N° DE PAGS: 134 ÁREA TEMÁTICA: Investigación SMART CITIES & IOT
PALABRAS CLAVES: Perfiles de usuarios, casa inteligente, zigbee
El presente trabajo de titulación tiene como objetivo diseñar un sistema domótico inalámbrico basado en protocolos de redes de comunicación que permitan configurar perfiles para activar y desactivar los diferentes dispositivos del hogar. En la herramienta App Inventor se creará los perfiles y ayude al manejo de las diferentes áreas establecido, dichas áreas estarás restringidas para algunos perfiles de usuarios. Los resultados de esta investigación mostrarán las áreas clasificadas según los tipos de perfiles más destacados en las diversas investigaciones, ayudando en la toma de decisiones de los usuarios en temas referentes a su seguridad.
N° DE REGISTRO: N° DE CLASIFICACIÓN:
DIRECCIÓN URL:
CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN: Nombre: Ab. Juan Chávez Atocha Teléfono: 042307729
III
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del trabajo de titulación, “ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITA CONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS” elaborado por la señorita Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova, Alumna no titulado de la Carrera de Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil, previo a la obtención del Título de Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones, me permito declarar que luego de haber orientado, estudiado y revisado, la Apruebo en todas sus partes.
Atentamente:
____________________________
Ing. Roberto Crespo Mendoza, MSIG.
IV
DEDICATORIA
Dedico este trabajo principalmente a Dios, por haberme dado la vida y permitirme el haber llegado hasta el momento tan importante de mi formación profesional.
A mi madre, por ser el pilar más importante y demostrar su apoyo incondicional. A mi padre, a pesar de nuestra distancia física por motivos de trabajo por ti soy lo que soy hoy.
A mi tía Irene Álava, a quienes quiero como una madre por compartir momentos y consejos significativos conmigo.
A mi tía Magdalena Ortiz, me consuela saber que estas en un mejor lugar. Jamás dejaré de amarte y tu recuerdo me acompañara por la eternidad, siempre estaré agradecida contigo madre mía.
V
AGRADECIMIENTO
En primer lugar, doy infinitamente gracias a Dios, por haberme dado fuerza y valor para culminar esta etapa de mi vida.
Agradezco también la confianza y el apoyo por parte de mis padres que sin duda alguna en el trayecto de mi vida me han demostrado su amor, corrigiendo mis faltas y celebrando mis triunfos. Y a mi compañero de fórmula y amigo Joseph Onofre, por estar siempre motivándome y apoyándome para poder alcanzar estos logros juntos, dejándonos grandes enseñanzas, te adoro un mundo.
VI
TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN
________________________ _____________________
Ing. Eduardo Santos Baquerizo, M.Sc. Ing. Harry Luna Aveiga, Mgs. DECANO DE LA FACULTAD DIRECTOR DE LA CARRERA DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y INGENIERÍA EN NETWORKING Y FÍSICA TELECOMUNICACIONES
________________________
Ing. José Medina Moreira, M.Sc. PROFESOR REVISOR DEL ÁREA
TRIBUNAL
________________________
Ing. Roberto Crespo Mendoza, MSIG. PROFESOR TUTOR DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN
________________________
Ab. Juan Chávez Atocha, Esp.
SECRETARIO TITULAR DE LA CARRERA INGENIERÍA EN NETWORKING Y
VII
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de este Proyecto de Titulación, me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL”
________________________________ TREJO SEVILLANO JOKASTA IVANHOVA
VIII UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“
ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITACONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS
”
Proyecto de Titulación que se presenta como requisito para optar por el
título de INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
Autores:
Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova
C.I: 0952702710
Tutor:
Ing. Roberto Crespo Mendoza, MSIG.
IX
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del proyecto de titulación, nombrado por el Consejo Directivo de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.
CERTIFICO:
Que he analizado el Proyecto de Titulación presentado por los estudiantes Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova, como requisito previo para optar por el título de Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones cuyo problema es:
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITA CONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS”
Considero aprobado el trabajo en su totalidad.
Presentado por:
Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova C.I.: 0952702710
________________________________ Tutor: Ing. Roberto Crespo Mendoza, MSIG.
X
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en
Formato Digital
1. Identificación del Proyecto de Titulación
Nombre Alumno: Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova
Dirección: Guasmo Sur Coop Causas proletaria Mz 3 Sl 12
Teléfono: 043099543 E-mail: [email protected]
Facultad: Ciencias Matemáticas y Físicas
Carrera: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
Título al que opta: Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones
Profesor tutor: Ing. Roberto Crespo Mendoza, MSIG.
Título del Proyecto de titulación: “ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA
INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITA CONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS”
XI
2. Autorización de Publicación de Versión Electrónica del
Proyecto de Titulación
A través de este medio autorizo a la Biblioteca de la Universidad de Guayaquil y a la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas a publicar la versión electrónica de este Proyecto de titulación.
Publicación electrónica:
Inmediata Después de 1 año
______________________
Jokasta Trejo Sevillano
3. Forma de envío
El texto del proyecto de titulación debe ser enviado en formato Word, como archivo .Doc. O .RTF y. Puf para PC. Las imágenes que la acompañen pueden ser: .gif, .jpg o .TIFF.
DVDROM CDROM X
XII TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN ... VI DECLARACIÓN EXPRESA ... VII CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR ... IX Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en Formato Digital ... X
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 25
Ubicación del Problema en un Contexto ... 25
Situación Conflicto - Nudos Críticos ... 26
Causas y Consecuencias del Problema ... 26
Delimitación del problema ... 27
Formulación del Problema ... 27
Evaluación del Problema ... 27
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 29
OBJETIVO GENERAL ... 29
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 29
ALCANCES DEL PROBLEMA ... 30
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ... 31
METODOLOGÍA DEL PROYECTO ... 32
XIII
MARCO TEORICO ... 33
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO ... 33
Infantil: ... 34
Residente: ... 34
Invitado: ... 34
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ... 34
Domótica ... 34
Objetivos de los sistemas domóticos ... 35
Vivienda domótica ... 36
Características de una vivienda domótica ... 36
Áreas de las aplicaciones domóticas ... 38
1) Gestión de la Seguridad:... 38
2) Gestión de la Comunicación: ... 39
3) Gestión de Confort: ... 40
4) Gestión de Energía: ... 40
Tipos de arquitecturas ... 41
1. Arquitectura centralizada ... 41
2. Arquitectura descentralizada ... 42
3. Arquitectura distribuida ... 43
4. Arquitectura híbrida o mixta ... 44
Redes inalámbricas ... 44
Tipos de las redes inalámbricas ... 45
• WPAN: ... 45
• WLAN: ... 45
• WMAN: ... 45
• WWAN: ... 45
Comunicaciones Inalámbricas ... 46
XIV
Coexistencia entre ZigBee, Wi-Fi y Bluetooth ... 55
Dispositivos ZigBee ... 56
• Coordinador ZigBee: ... 57
• Router ZigBee: ... 57
• Dispositivo Final ZigBee: ... 57
Protocolos de ZigBee ... 58
Topologías de Red ZigBee ... 59
• Topología Estrella: ... 59
• Topología en árbol:... 59
• Topología malla: ... 59
Estándares para aplicaciones ZigBee ... 59
1) ZigBee Building Automation ... 60
2) ZigBee Health Care ... 60
3) ZigBee Home Automation ... 60
Capas del protocolo ZigBee ... 61
Capa física (PHY) ... 62
Capa de Acceso al Medio (MAC) ... 63
Capa de Red ... 63
XV
Funcionamiento de la Red ZigBee ... 65
Seguridad en ZigBee ... 66
• Preinstalación: ... 67
• Transporte de clave: ... 67
• Establecimiento de clave sin comunicación: ... 67
Autenticación ... 67
Raspberry PI ... 68
Especificaciones Técnicas ... 69
Características ... 70
Conectividad ... 70
Compatibilidad de Software ... 71
Sensores de movimiento ... 71
- Sensores Ultrasónicos ... 71
- Sensores PIR ... 72
VENTILADOR AXIAL CASQUILLO 40x40x10 mm - 12 VDC ... 73
FUNDAMENTACÓN LEGAL ... 74
LEY ORGANICA DE TELECOMUNICACIONES ... 74
Decreto presidencial 1014 de Software Libre ... 76
PREGUNTA CIENTIFICA A CONTESTAR ... 78
DEFINICIONES CONCEPTUALES ... 78
CAPITULO III ... 80
PROPUESTA TECNOLÓGICA ... 80
Análisis de factibilidad ... 80
- Factibilidad Operacional ... 80
- Factibilidad Técnica ... 80
- Factibilidad Legal ... 81
- Factibilidad Económica ... 81
ANÁLISIS ... 82
✓ Análisis del Protocolo ... 82
✓ Análisis de los perfiles de usuarios seleccionados ... 85
✓ Análisis de la herramienta de diseño de la casa ... 87
ETAPAS DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO ... 88
XVI
Diseño rápido: ... 89
Construcción del prototipo: ... 89
Evaluación del prototipo por el cliente: ... 89
Rendimiento del prototipo: ... 89
Producto de ingeniería: ... 89
Diseño del prototipo ... 90
Implementación del Prototipo ... 91
Maqueta real ... 92
Montaje de equipos ... 93
Criterios de validación de la propuesta ... 107
Meta-análisis ... 108
CAPITULO IV ... 112
Criterios de aceptación del producto o servicio ... 112
Conclusiones ... 114
Recomendaciones ... 116
Referencias ... 117
ANEXOS ... 120
Anexo 1: Cronograma de actividades otorgada por el VIFAP ... 121
Anexo 2: Manual de instalación de la Raspberry ... 122
Anexo 4: Juicio de expertos... 126
Anexo 5: Encuesta de satisfacción de usuarios ... 127
Anexo 6: Instalación del IDE Arduino en el Raspberry PI 3 ... 128
XVII
ABREVIATURAS
TIC: Tecnologías de la información y la comunicación
ETC: Etcétera
WPAN: Wireless Personal Area Network
WLAN: Wireless Local Area Network
WLAN: Wireless Local Area Network
WWAN: Wireless Wan Local Area Network
WIMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access
GSM: Global System for Mobile communications
GPRS: General Packet Radio Service
UTMS: Urchin Tracking Module
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
GHz: Gigahercio
Kb/s: kilobit por segundo
MHz: hercio o hertz
AES: Advanced Encryption Standard
Mbps: megabit por segundo
Kbps: kilobit por segundo
ZC: Coordinador ZigBee
ZR: Router ZigBee
ZED: Dispositivo Final ZigBee
SAP: Service Access Point
PHY: Capa física
XVIII APS: Capa de Soporte de Aplicación
EP: endpoint
ZDO: Objetos ZigBee
AES: Advance Encryption Standard
NIST: National Institute of Standards and Technology
MIC: Message Integrity Code
CCM: enhanced counter with cipher block chaining message authentication code
USB: Universal Serial Bus
HDMI: High-Definition Multimedia Interface
GPIO: General Purpose Input/Output
UG: Universidad de Guayaquil.
CINT: Carrera de Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones.
VIFAP: Vicerrectorado de Formación Académica y Profesional
APP: Aplication o aplicación.
Ing.: Ingeniero.
MSIG.:
XIX
ÍNDICE DE CUADROS
CUADRO N. 1 Cuadros de las causas y consecuencias del problema ... 26
CUADRO N. 2 Comparacion de protocolos inalambricos ... 53
CUADRO N. 3 Canales de la capa fisica ... 62
CUADRO N. 4 Especificaciones técnicas de raspberry pi 3 ... 69
CUADRO N. 5 Tabla de presupuesto del prototipo a implemaentar ... 81
CUADRO N. 6 Cuadro de aceptacion del producto o servicio ... 108
CUADRO N. 7 Considera que los perfiles funcionan correctamente ... 109
CUADRO N. 8 El sistema es facil de manipular y amigable ... 110
CUADRO N. 9 Cumple con las expectativas de seguridad de los perfiles ... 111
XX
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1 Automatización y control de un hogar digital ... 38
GRÁFICO 2 Areas de las aplicaciones domóticas ... 41
GRÁFICO 3 Arquitectura centralizada ... 42
GRÁFICO 4 Arquitectura decentralizada ... 42
GRÁFICO 5 Arquitectura distribuida ... 43
GRÁFICO 6 Arquitectura híbrida o mixta ... 44
GRÁFICO 7 Esquema de los tipos de redes inalambricas ... 46
GRÁFICO 8 Esquema de comunicación inalambricas ... 47
GRÁFICO 9 Zigbee ... 55
GRÁFICO 10 Esquema de canales en la banda de 2.4 Ghz ... 56
GRÁFICO 11 Protocolos de zigbee ... 58
GRÁFICO 12 Topologias de zigbee ... 59
GRÁFICO 13 Capas de protoclos zigbee ... 61
GRÁFICO 14 Capa de aplicación de zigbee ... 65
GRÁFICO 15 Diagrama de formación de una red zigbee ... 66
GRÁFICO 16 Diseño de la tarjeta raspberry pi ... 68
GRÁFICO 17 Sensor ultrasonico ... 71
GRÁFICO 18 Sensor infrarroja ... 73
GRÁFICO 19 Ventido axial ... 74
GRÁFICO 20 Planos general de la casa inteligente ... 91
GRÁFICO 21 Maqueta real ... 92
GRÁFICO 22 Sistema de simulación electrica ... 99
GRÁFICO 23 Bosquejo de la aplicación movil ... 100
GRÁFICO 24 Sistema del proyecto ... 101
GRÁFICO 25 Infraestructura de desarrollo app inventor ... 102
GRÁFICO 26 Pantalla principal de la app ... 104
GRÁFICO 27 La propuesta es buena alternativa y funcional ... 108
GRÁFICO 28 Considera que los perfiles funcionan correctamente ... 109
GRÁFICO 29 El sistema es facil de manipular y amigable ... 110
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITA
CONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS”
Autor:
Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova
Tutor:
Ing. Roberto Crespo Mendoza, MSIG.
RESUMEN
El presente trabajo de titulación tiene como objetivo diseñar un sistema domótico inalámbrico basado en protocolos de redes de comunicación que permitan configurar perfiles para activar y desactivar los diferentes dispositivos del hogar. En la herramienta App Inventor se creará los perfiles y ayude al manejo de las diferentes áreas establecido, dichas áreas estarás restringidas para algunos perfiles de usuarios. El aplicativo será sometido a pruebas de estrés. Los resultados de esta investigación mostrarán zonas clasificadas según los tipos de perfiles más destacados en las diversas investigaciones, ayudando en la toma de decisiones de los usuarios en temas referentes a su seguridad.
XXII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
"
ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA UN HOGAR DIGITAL QUE PERMITACONFIGURAR PERFILES DE USUARIOS
"
Autor:
Trejo Sevillano Jokasta Ivanhova
Tutor:
Ing. Roberto Crespo Mendoza, Mg.
ABSTRACT
The objective of this titling work is to design a domotic system based on the communication network protocols that can be configured to deactivate and deactivate the different devices of the home. In the App Inventor tool the profiles are created and it helps us to manage the different established areas, these areas are restricted for some user profiles. The application has some stress tests. The results of this investigation showed the classifications classified by the most prominent types of profiles in the investigations, helping in the decision-making of the users in matters related to their safety.
23
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de las ciencias informática, telecomunicaciones incluido la Tecnología de la Información y comunicación (TIC), han originado que en la actualidad se discuta acerca de casas y edificios inteligentes. Incluso se ven en la obligación de disponer mayor control y seguridad para cada una de las personas que viven en el hogar y de forma particular para los menores de edad.
Según Raquel Moyano indica:
El concepto de domótica sigue siendo utilizado para la definición de los sistemas de automatización y control, con algunas aplicaciones de seguridad como las alarmas técnicas y una mezcla de funcionalidades y servicios; se puede decir que uno de los objetivos principales del uso de la domótica es la seguridad del hogar. (Moyano & Peñafiel, 2016, pág. 1)
Según indica (Moyano & Peñafiel, 2016), “El uso de la tecnología inalámbrica ha permitido que los sistemas de comunicación sean más eficientes por medio de sensores que optimicen el nivel de seguridad en los hogares, empresas, sitios de interés, e instituciones de toda índole.” (p.1). En los hogares de algunas urbanizaciones de Samborondón, en la actualidad no poseen un control inteligente de viviendas como casas, departamentos o condominios que contribuya con beneficios como: control de acceso, seguridad, control hacia los menores de edad y personas ajenas del hogar.
24
El proyecto será interesante y apto para las personas por motivo de sus beneficios y brindará a toda la urbanización una noción tecnológica dirigida a la domótica, ya que actualmente es usado en casas y edificios inteligentes.
El objetivo de este proyecto se fundamenta en las exigencias de hallar soluciones viables para optimizar la seguridad de sus perfiles en los hogares del cantón Samborondón, debido a que actualmente no disponen de un sistema idóneo para posibilitar el acceso, maximizar la seguridad y control para favorecer a las personas con la interacción en su hogar.
El siguiente proyecto de investigación científica se desarrollará en cuatro capítulos:
EL CAPÍTULO I abarca la problemática y planteamiento del proyecto, así como la identificación de las situaciones actuales, causas y consecuencias del problema. Se define el objetivo general y los objetivos especificaciones. Además, se describirá la justificación e importancia que tiene el proyecto.
EL CAPÍTULO II comprende el marco teórico del proyecto, que presentara los conceptos y las definiciones para comprender y entender los términos empleados a lo largo del documento. Se especifican los antecedentes del estudio y la fundamentación teórica para respaldar el proyecto. Además, se especifica la fundamentación legal.
EL CAPÍTULO III abarca un análisis detallado de factibilidad, a nivel operacional, técnico, legal y económica. Se desarrolla la elaboración del sistema en base a las etapas de la metodología seleccionada. Se definen los entregables del proyecto, junto con los criterios de validación de la propuesta.
25
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Ubicación del Problema en un Contexto
26
Situación Conflicto - Nudos Críticos
Actualmente hay actividades tan frecuentes como el encender y apagar un ventilador en cualquier parte del hogar, como el de abrir y cerrar una puerta. El hogar se transforma en un caos total al no poder efectuar las cosas de forma rápida y segura. Teniendo en cuenta que la persona no lo realice de forma manual. Debido a que una vivienda inteligente no se distingue por sus aparatos costosos y atractivos. Sino por brindar confort a los residentes en el hogar.
El deficiente control de la seguridad en un hogar inteligente por medio de sus perfiles incrementa el mayor riesgo a los menores de edad y mayor inseguridad por la presencia de personas ajenas al hogar. El sistema domótico propuesto genera un beneficio muy importante para un hogar inteligente ya que contara con un sistema de seguridad para los perfiles de cada usuario.
Causas y Consecuencias del Problema
En el siguiente cuadro N° 1 se presentan las causas y consecuencias de la problemática planteada en este proyecto:
CUADRO N. 1
CUADRO DE LAS CAUSAS Y CONSECUENCIAS DEL PROBLEMA
CAUSAS CONSECUENCIAS
Falta de conocimiento del uso de los dispositivos.
Uso excesivo de energía eléctrica y daño operacional.
Acceso sin autorización. Robo de dispositivos tecnológicos e ingreso de desconocidos.
Puertas abiertas de diferentes zonas del hogar.
Peligro y descuido para los menores de edad.
27 Elaborado por: Jokasta Trejo S.
Delimitación del problema
Este proyecto de tesis está precisamente delimitado en las urbanizaciones de Samborondón de la ciudad de Guayaquil, con respecto a la domótica. Es decir que está direccionada en el área de la informática, en el que el enfoque a investigar es sobre el análisis y diseño de un sistema inteligente para un hogar digital que permita configurar perfiles de usuarios. En el que se desea proponer un proyecto en base a la tecnología ZigBee para el monitoreo de acceso, seguridad y control de los perfiles de usuario.
Formulación del Problema
¿Cómo optimizará la seguridad y la funcionalidad de los perfiles de los usuarios automatizando los controles de acceso?
Evaluación del Problema
En el proceso de este proyecto se ha elaborado la evaluación del problema detallando los siguientes elementos:
28 Evidente: Esta tecnología da una solución a los usuarios los problemas de seguridad y control que se tratan de mejorar son evidentes. Ayudarán a los usuarios a tomar una opción de que tecnología podrían implementar en su hogar, adicionalmente el aplicativo que se presenta se lo ha realizado lo más amigable para el usuario.
Original: La casa inteligente contará con una sistematización a través de sensores de seguridad, control y confort.
Concreto: Dispondrá de una necesidad económica mediante la utilización de la tecnología ZigBee, siendo un estándar de redes inalámbricas de cortos paquetes de información, seguridad de perfiles de usuarios y fiable.
Factible: Demostrar cuales son los perfiles más utilizados en una vivienda inteligente, es lo que se trata de conseguir. Va a ser muy factible debido a que los implementos para el desarrollo del prototipo se localizan en el mercado local y a bajos costos para ser instalados en un hogar inteligente.
29
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema domótico inalámbrico basado en protocolos de redes de comunicación que permitan configurar perfiles para activar y desactivar los diferentes dispositivos del hogar.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar los perfiles de usuarios más destacados para implementarlos en un sistema de una vivienda inteligente.
• Analizar los protocolos de redes de comunicaciones para determinar los que mejor se adapten a los requerimientos de la domótica.
• Diseñar un esquema básico de una casa domótica para implementar y demostrar el prototipo.
• Analizar y diseñar un sistema de control para la configuración de los perfiles de uso de un sistema domótico.
30
ALCANCES DEL PROBLEMA
• Análisis de los diferentes funcionamientos que brinda el protocolo ZigBee y su aplicación de este en la implementación en sistemas de control, domótica, monitoreo y seguridad.
• Implementación de una solución de Domótica a los perfiles de los usuarios de una casa inteligente por medio de un modelo para que los dispositivos interactúen mediante el protocolo ZigBee y Wi-Fi para optimizar los elementos de seguridad en la zona.
• Instalación de un Raspberry para la interacción inalámbrica de los dispositivos.
• Instalación de sensor de movimiento para la detección de personas no autorizadas en la casa inteligente, el mismo que estará ubicado en la parte central de la casa.
• Desarrollo de una aplicación móvil que permite demostrar el uso de los perfiles en una casa domótica.
31
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
Este proyecto de investigación desea cumplir las exigencias de percibir confort y dominio en la vivienda debido a que se puede manipular desde un celular o portátil teniendo el control de toda una casa inteligente. No por el bienestar sino por los beneficios que brinda a todas las personas con la instalación de este sistema.
Se investigará los diferentes protocolos de automatización para el hogar uno de los cuales será diseñado con elementos de fácil uso para crear un sistema económico que permita controlar los dispositivos del hogar según los perfiles de las personas que lo habitan, se lo realizara con el fin de lograr un mejor estilo de vida en los usuarios que obtengan el sistema para su seguridad, acceso y control para los menores de edad y personas ajenas del hogar.
El prototipo funcionará con el protocolo ZigBee, que permite la comunicación inalámbrica en el sistema domótico y que contará con los parámetros necesarios para una comunicación entre el usuario y los dispositivos cumpliendo el objetivo de un correcto funcionamiento basado a las aplicaciones de la Domótica. (Moyano & Peñafiel, 2016)
32
METODOLOGÍA DEL PROYECTO
Como metodología para desarrollar el trabajo del proyecto a realizarse se utilizará la metodología de cadena critica pensada para maximizar el avance del proyecto que permitirá investigar las aplicaciones y protocolos existentes va a emplear un modelo de investigación aplicada por motivo de que por medio de este proceso se determina la problemática del sistema de automatización inalámbrico para el hogar digital que se desea emplear.
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CAPITULO II
MARCO TEORICO
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
La popularidad de la domótica en la actualidad en países europeos ha alcanzado una gran impresión en la economía y una comodidad para las personas que habitan en estos tipos de hogares como confort y beneficios para todos.
En Ecuador no se ha profundizado en este tema de casas digitales, a pesar de eso, la domótica se ha instalado en algunas partes de las urbanizaciones de Samborondón ya que estos cuentan con un nivel monetario alto.
El desarrollo de este sistema inteligente tanto global como local no se encuentra orientado para áreas específicas exclusivo de la comunidad, debido a que los dispositivos y la instalación son de bajo costo con la diferencia de modelos de mayor riqueza en hogares digitales que en futuro pueden ser necesidades por las condiciones sociales medio, medio alto y alto.
Dentro de las opciones más empleadas en los modelos de seguridad es otorgar y elaborar los perfiles de seguridad para las personas. Cuando se suma un perfil nuevo al sistema, se conceden algunos permisos y guardan los datos para su respectiva identificación.
Si se otorga permisos particulares a cada componente interrelaciónales del hogar sería una labor demasiado tediosa.
34
descritos más adelante, sino que podrán crear perfiles nuevos y guardarlos para el futuro.
Infantil: Este tipo de perfil permite vigilar permanente a los menores de edad del hogar para que no realicen cosas que les pueda hacer daño e incluso para la seguridad de la casa. Debido a que no tienen noción del peligro que les pueda conllevar, como el abrir la puerta a un desconocido también el asomarse a una ventana que se encuentre en pisos altos.
Residente: Una persona mayor que habite en el hogar, hijos que salen con frecuencia de la casa y hasta de un familiar próximo. Todos estos tipos de usuarios deben ser aptos de llevar a cabo todas estas funciones que le conceda el hogar, ya que son los encargados por poseer un alto nivel de confianza.
Invitado: Existirá un momento en el que se desea compartir el hogar con alguna visita que llega a hospedarse por un tiempo, se les deberá otorgar permisos para ejecutar las mismas funciones que la de un perfil residente.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Domótica
La domótica nace por el año de 1970, en el momento en que comienzan a crearse instrumentos de automatización en edificios por medio de la tecnología X-10, el cual facilita el monitoreo de los dispositivos instalados en el hogar.
35
Objetivos de los sistemas domóticos
La implementación domótica tiene como fin responsabilizarse de controlar 4 elementos esenciales del sistema, los cuales se determinan en la guía técnica de aplicación de instalaciones de sistemas de automatización. (Hernández, 2012).:
• Confort: La domótica proporciona la automatización de servicios como la climatización, iluminación, control de fuga de gas y agua, etc. Todas estas funciones se realizan a través de pulsadores o por algún dispositivo que se accionan en ciertos momentos establecidos por el usuario.
• Seguridad: Son técnicas de alertas de intrusos, cámaras de seguridad, alarmas técnicas como incendio, corte eléctrico entre otros.
• Energía: La domótica es el responsable de administrar el ahorro de energía utilizando temporizadores, relojes programados y termostatos con el objetivo de quitar el uso innecesario de luces, aires acondicionados, etc.
• Comunicaciones: Se basa en la unión de la red telefónica con la red domótica que se implementa en el hogar para gestionar varios equipos. Esto facilita conocer el estado actual de la casa por el usuario desde afuera y administrar el sistema a distancia.
36
Vivienda domótica
Una casa inteligente es un domicilio que por medio de dispositivos y sistemas, y la incorporacion de tecnologias, brinda a cada uno de los integrantes del hogar asistencias y servicios que posibilitan la administracion y el cuidado de la casa. Ademas, multiplicar la seguirdad y comodidad, optimizan las telecomunicaciones, reducen el consumo de energia electrica, ahorro economico y sobre todo de tiempo. Lo interesante que brinda nuevos metodos de diversión, entretenimiento y muchas funciones dentro del mismo medio.
La concepción integra una serie de aplicaciones no solamente de automatizar el hogar, sino que además de electrónica, robótica e incluso hasta las telecomunicaciones. Teniendo en cuenta que posibilitan el monitoreo y programación del sistema en la vivienda, aumentando de esta manera la seguridad y el bienestar para las personas.
Características de una vivienda domótica
Existen un conjunto de elementos de características para un hogar inteligente que ayuda en el control de las actividades a implementarse. Son los siguientes:
• Control remoto desde dentro de la vivienda: Por medio de un modelo de comunicación con varios dispositivos minimiza la necesidad de trasladarse en el interior del hogar. Este modelo puede ser empleado para personas mayores de edad o que tienen alguna discapacidad.
• Control remoto desde fuera de la vivienda: Admitir una modificación en el programa en que se desarrolla las tareas domésticas, por ejemplo, que un usuario pueda encender la cocina desde afuera del hogar ofreciéndole al usuario una optimización del tiempo.
37
• Acceso a servicios externos: Posibilita además ahorrar tiempo, accediendo a servicios bancarios o de compras, etc., sin la necesidad de salir del hogar.
Dispositivos para la automatización y control
Los dispositivos que se usan principalmente en la domótica son:
• La pasarela residencial: Es un equipo que operará como interfaz en dirección a las redes externas de los equipos que se encuentran comunicados en el hogar.
• El sistema de control centralizado: Es el equipo fundamental responsable de recopilar todos los datos de los dispositivos internos al momento de la automatización.
• Sensores: Son equipos responsables de recibir todos los datos y de mandarlos al dispositivo central para que este lleve a cabo la labor programable. En la actualidad hay varias clases de sensores usados para la automatización los cuales pueden realizar las siguientes funciones: detectar fuga de gas o agua, climatización, controles de acceso y muchas más funciones.
38 Elaboración por: (INNOVADORES, 2016)
Fuente: (INNOVADORES, 2016)
Fecha de descarga: 7-06-2018
Áreas de las aplicaciones domóticas
Dentro de los primordiales campos de aplicaciones domóticas para la vivienda son las siguientes:
1) Gestión de la Seguridad:
Según lo que determina Oscar, “El área de Gestión de Seguridad es uno de los principales beneficios de la vivienda con sistema domótico ya que garantiza la protección del usuario y de los bienes patrimoniales.” (Maicas, 2013)
GRÁFICO 1
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Existen 3 tipos de alarmas clasificados de la siguiente manera:
• Alarmas de intrusión: Detecta la presencia o asistencia no requerida en el hogar, este tipo de alarma controla la presencia física.
• Alarmas técnicas: Posibilita detectar la fuga de gas y agua bloqueándolo de forma automática, además permite detectar humo e incendio emitiendo una señal de alarma a los habitantes en el hogar.
• Alarma Personal: Este tipo de alarma facilita a cada integrante del hogar emitir una señal solicitando asistencia médica a través de un dispositivo.
2) Gestión de la Comunicación:
Depende de la comunicación con la casa, logrando de esta forma monitorear los dispositivos que se encuentren a pequeñas o grandes distancias.
Las funciones que tiene la gestión de comunicación son: • Identificar e inspeccionar las áreas externas • Monitoreo de las aplicaciones Informáticas • Verificación de los equipos de audio y video.
Además, se puede usar un sistema de enlace bidireccional como la identificación de voz, sin embargo, existiría problemas en el sistema y también para el usuario. Debido a que tendría que aprender un protocolo nuevo, ya que este sistema de reconocimiento de voz es complejo.
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• Correo electrónico: Se puede efectuar funciones o conocer el estatus del sistema desde cualquier lugar del mundo con comunicación a internet o también desde un dispositivo celular.
• Página web de internet: Ingresando a una página web, esta página tendría que estar amparada por un código o algún otro método de seguridad, la cual se podría cambiar y observar el estado del hogar inteligente. Gracias al internet se puede tener conexión desde cualquier dispositivo.
• App: Este tipo de aplicaciones se instala en los celulares o laptops para colaborar al usuario en un trabajo específico, el cual puede ser de índole profesional o de diversión. El fin de una app es simplificar la culminación de un trabajo en especial o el de asistir en algunas actividades o gestionar el día a día
3) Gestión de Confort:
En la domótica, la gestión de confort desempeña un papel fundamental debido a que cada persona en el hogar desea facilidad y bienestar.
Las aplicaciones de gestión de confort se clasifican en: • Control y ajuste de las iluminarias en el hogar.
• Control de aire acondicionado, enchufes eléctricos y temperatura • Control de dispositivos digitales.
4) Gestión de Energía:
Este tipo gestión controla el consumo de la energía eléctrica que se utiliza en el hogar inteligente brindando beneficios de ahorro de energía y dinero, esta gestión se basa en:
• Ahorro de energía al momento de usar la calefacción. • Uso apropiado de las luces.
41 GRÁFICO 2
ÁREAS DE LAS APLICACIONES DOMÓTICAS
Elaborado por: (DOCPLAYER, 21)
Fuente: (DOCPLAYER, 21)
Tipos de arquitecturas
El tipo de arquitectura de un sistema domótico colabora con información de cómo será la distribución y la ubicación de los elementos de control. Los principales tipos de arquitectura son cuatro: arquitectura centralizada, arquitectura descentralizada, arquitectura distribuida y arquitectura híbrida o mixta (Ramón, 2013).
1. Arquitectura centralizada
42 GRÁFICO 3
ARQUITECTURA CENTRALIZADA
Elaborado por: (DOMOTICA, 2015)
Fuente: (DOMOTICA, 2015)
2. Arquitectura descentralizada
En este tipo de arquitectura descentralizada se encuentran varios controladores, conectados a sensores y actuadores, los cuales están conectados a través de un dispositivo denominado Bus.
GRÁFICO 4
ARQUITECTURA DESCENTRALIZADA
43 Fuente: (DOMOTICA, 2015)
Según Domótica indica: “Este modelo nació de la necesidad de tener mejor acceso a ciertos dispositivos y a causa de la existencia de diferencia en los protocolos y características de los distintos fabricantes” (Domótica, 2015).
3. Arquitectura distribuida
Cada sensor y actuador es también un controlador capaz de actuar y enviar información al sistema según el programa, la configuración, la información que capta por sí mismo y la que recibe de los otros dispositivos del sistema. Todos los elementos disponen de un acoplador al bus con una interfaz de acceso compartido y técnicas de direccionamiento para que la recepción y el envío de información quede definida y el dialogo entre elementos asegurado. (Hernández, 2012).
GRÁFICO 5
ARQUITECTURA DISTRIBUIDA
Elaborado por: (DOMOTICA, 2015)
44 4. Arquitectura híbrida o mixta
Un sistema fundado con este método de arquitectura se une con la arquitectura de los sistemas distribuidos, centralizados o descentralizados. Ya que pueden valerse de un controlador principal o de un conjunto de controladores descentralizados, dispositivos de interfaz, sensores y actuadores los cuales pueden ser a la vez controladores y gestionar los datos. Dependiendo del programa o de la configuración pueden trabajar, por ejemplo, remitiendo a otros equipos de la red, sin que fuese necesario pasarlo por un controlador. (Hernández, 2012).
GRÁFICO 6
ARQUITECTURA HÍBRIDA O MIXTA
Elaborado por: (DOMOTICA, 2015)
Fuente: (DOMOTICA, 2015)
Redes inalámbricas
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Tipos de las redes inalámbricas
Según el alcance se puede clasificar las redes inalámbricas de la siguiente manera: • WPAN: Red de Área Personal inalámbrica, abarca grandes distancias de
hasta 10 m y son empleadas para comunicarse entre dispositivos sin usar cables. Es un enlace P2P el cual no necesita altas frecuencias para transmitir información.
• WLAN: Red de Área Local Inalámbrica, alcanza distancias de hasta 100 m. En donde el dispositivo móvil puede comunicarse vía inalámbricamente y son aprovechadas por grandes empresas para la comunicación de sus redes. • WMAN: Red de Área metropolitana inalámbrica, abarca casi una ciudad, es
decir, comprende varios kilómetros de distancia. Este tipo de tecnología opera con el estándar de comunicación Wimax.
46 GRÁFICO 7
ESQUEMA DE LOS TIPOS DE REDES INALÁMBRICAS
Elaborado por: (ResearchGate, 2013)
Fuente: (ResearchGate, 2013)
Comunicaciones Inalámbricas
La conexión inalámbrica elimina el uso de cables debido a que usa el espectro electromagnético para la comunicación entre dos o más equipos electrónicos.
De acuerdo con su clasificación se menciona las comunicaciones inalámbricas destacadas en el presente proyecto:
• BLUETOOTH: Pertenece a la tecnología inalámbrica WPAN el cual facilita la transferencia de voz y datos entre diferentes dispositivos que se encuentren operando en la banda de los 2.4 GHz
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esta manera. Es decir que no usen cables y tengan acceso a internet a través de un punto de red.
• ZIGBEE: Bajo el estándar IEEE 802.15.4 el cual pertenece a la tecnología inalámbrica WPAN, desarrollado por ZigBee Alliance. La función principal de esta tecnología es que permite la comunicación a menor tasa de transferencia de datos y además, mayor tiempo de durabilidad de las pilas de los dispositivos.
• Z-WAVE: Este protocolo de comunicación se diseñó para la automatización dentro de un hogar inteligente, domótica, etc. Permite controlar de manera remota y gestionar las aplicaciones de lugares residenciales y comerciales. Fue diseñado por la Z-Wave Alliance la cual es una organización internacional que suministra dispositivos interoperables y compatibles con Z-Wave.
GRÁFICO 8
ESQUEMA DE COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
Elaborado por: (Ingenieria, 2014)
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Autorización
En esta etapa del sistema es el responsable de cuidar y evitar que los usuarios, reconocidos o no logren tener permisos a cierta información o también las de efectuar algunas funciones.
Es importante mencionar la diferencia entre autorización y autenticación, ya que en ciertos momentos estos conceptos logran confundir. La autorización lleva a cabo qué funciones puede realizar, además de qué información puede acceder el usuario que logro autenticarse.
La autorización puede ser aplicada por cada elemento o grupos de elementos, haciendo de esto que cada elemento sea la acción de una función. Es necesario recordar que cuando se tiene muchas funciones, es recomendable realizar la gestión de grupos de permisos y a su vez el diseño de los perfiles de usuarios.
Niveles de seguridad
Para determinar los niveles de seguridad en el sistema lo primero que se hará es definir una serie de criterios en los que basar en las decisiones sobre en qué nivel han de estar qué acciones. La criticidad es el factor que emplear para delimitar los distintos niveles, basándonos en la relevancia que puedan tener las acciones a realizar sobre dos elementos clave: la vivienda y los datos de los usuarios (Solanes, 2014).
Cabe mencionar que lo que se desea en un hogar inteligente es que sea más viable para el usuario y a su vez que sea más segura que una casa normal. Está claro que no se permitirá que cualquier persona pueda efectuar estas funciones poniendo en peligro la integridad y seguridad que se desea. Sin embargo, no todos los usuarios son responsables de lo que involucra ejecutar algunas funciones, ya que el sistema puede ser empleado para los menores del hogar e inclusive por invitados
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Estas son las únicas funciones que podrá efectuar un usuario no autenticado e identificado en el hogar. A estos tipos de usuarios se los denomina anónimos, debido a que no forman parte del conjunto de usuarios identificados del sistema.
- Nivel medio o selectivo: Se bloqueará el empleo de estas funciones a las personas no identificadas del hogar, de manera que los individuos que no pertenecen a la casa no puedan ejecutar estos tipos de funciones. Es fundamental para evitar que un individuo extraño provoque cambios en la configuración del sistema del hogar.
- Nivel alto o restrictivo: Hay ciertas funciones que no deben ser efectuadas por ningún individuo que tenga poco conocimiento con algunas condiciones, como es en el caso de los menores de edad. Por motivos de seguridad no podrá efectuar ciertas funciones.
Esto no es un impedimento para individuos discapacitados. Es un método de seguridad para prevenir accidentes en el hogar, como para los niños que no logren encender la cocina o abrir las ventanas. Para las personas discapacitadas, el sistema puede ajustarse de acuerdo a sus condiciones y posibilitar el control de acuerdo a sus necesidades.
- Nivel crítico o restringido: En este nivel se incorporan funciones que pueden comprometer tanto el estado del hogar como la seguridad, siendo este la gestión de los usuarios con sus respectivos permisos. Además, se pueden integrar permisos de acceso temporal al hogar, de manera que la persona pueda controlar la puerta dependiendo del propietario como lo establezca.
Perfiles de usuarios
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Para esto se otorgarán alternativas para crear un usuario nuevo en base a una plantilla o también podría ser por unos perfiles predeterminados. En la cual se crean varios permisos de manera predeterminada y acceso concedido al hogar.
Durante todo este proceso de investigación se analizó los perfiles más usados los cuales son:
- Infantil:
En este perfil se concede todos los tipos de permisos que puedan establecer los padres, omitiendo aquellos permisos que resulten peligrosas para ellos. Como el de encender algunos artefactos eléctricos, dificultar la forma en como poder abrir una ventana entre otras.
- Temporal:
Resulta beneficioso tener a alguien libre para que cuide del hogar en momentos que sea difícil para los dueños del mismo, por motivos de trabajo y tengan que salir del país o también por disfrutar de unas vacaciones. Si existe confianza en estos individuos y se desea que logren entrar a la casa y tener algunos mejores permisos que el de un simple invitado. Se puede reducir el uso del hogar a un tiempo específico o a un horario acorde.
- Residente:
Una persona mayor que habite en el hogar, hijos que salen con frecuencia de la casa y hasta de un familiar próximo. Todos estos tipos de usuarios deben ser aptos de llevar a cabo todas estas funciones que le conceda el hogar, ya que son los encargados por poseer un alto nivel de confianza.
- Invitado:
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Tecnología ZigBee
ZigBee también llamado como Home Rf Lite fue desarrollado en base a la necesidad de tener una red inalámbrica entre varios dispositivos de bajo costo y potencia por debajo de Wi-Fi y Bluetooth, la misma que trabaja con un rango de velocidad entre 20 Kb/s y 250 Kb/s y de distancia entre 10 a 75m. (Moyano & Peñafiel, 2016).
La organización ZigBee Alliance se estableció para definir un conjunto de protocolos de mayor nivel de comunicación y menor tasa de transferencia de datos entre los equipos de forma segura. Esta empresa ha certificado más de 600 equipos de varias marcas con el objetivo de crear y poner en funcionamiento una tecnología inalámbrica económica.
Este sistema está orientado en la automatización de las casas, el cual ha facilitado la interoperabilidad entre los diferentes equipos desarrollados por varios fabricantes. Asegurarle a cada residente las funciones más importantes de la domótica como los son: comodidad, seguridad y sobre todo el ahorro de energía.
El propósito de la domótica es reducir el consumo de energía, permitir conexiones vía radio y lo mejor de todo es su fácil integración.
Características
• Velocidades: Entre los 20 y 250 kbps.
• Rangos de alcance: Sus alcances van de 10 a 100 m.
• Bandas de frecuencias: Utilizan bandas libres de 2,4 GHz a nivel mundial, 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos.
• Redes y nodos: Una red ZigBee está compuesta por 65.535 nodos en subredes de 255 nodos, ya que estos se encuentran casi todo el tiempo inactivo para guardar energía a diferencia de las demás tecnologías.
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• Diferentes tipos de topologías: Entre los tipos de tecnologías que existen son: Estrella, punto a punto, malla, árbol.
• Acceso al Canal: El protocolo CSMA/CA permite el acceso múltiple evitando colisiones entre los paquetes.
• Escalabilidad de Red: Esta propiedad permite las redes más grandes de disponer un soporte óptimo, además de brindar alternativas de desempeño y flexibilidad.
• Fragmentación: Es una nueva característica para segmentar mensajes largos y facilita la comunicación con los demás estándares y sistemas. • Agilidad de Frecuencia: Es una habilidad de las redes en la que pueden
cambiar de manera dinámica los canales en caso de existir en algún momento interferencias.
• Gestión automatizada de direcciones de dispositivos: El grupo de direcciones ha sido mejorado para redes más grandes con gestión de red añadido e instrumentos de configuración.
• Localización grupal: Brinda a las redes grandes una mejor optimización de tráfico.
• Recolección centralizada de datos: Esta función es importante para mejorar el flujo de datos en las redes grandes.
Ventajas
• Usa la banda de los 2.4 GHz permitiendo que este protocolo opere a nivel
mundial.
• Excelente para redes de menor tasa de transferencia de información. • Minimiza el tiempo de espera al mandar y receptar información. • Soporta hasta 65.000 nodos en una red
• Emplea encriptación AES de 128-bit
• Proporciona enlaces seguros entre los equipos.
• Son baratos y sencillos de construir en sensores inalámbricos.
53 Desventajas
• Velocidad mínima para transmisión de datos, lo que no sucede en las demás
tecnologías.
• Por motivo a que corresponde a la tecnología inalámbrica WPAN, abarca
pequeñas distancias.
• No tiene compatibilidad con las demás tecnologías debido a que la velocidad
de transferencia de datos y el número de soporte de nodos es distinto.
• Esta tecnología esta propensa a interferencias de canales Wi-Fi cuando opera
en la frecuencia de los 2.4 GHz.
En el siguiente cuadro N. 2 que puede visualizar la comparación de los diferentes protocolos inalámbricos que existen hoy en día:
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Elaborado por: Jokasta Trejo Sevillano
Fuente: Datos de la Investigación
¿Qué es ZigBee?
55 GRÁFICO 9
ZIGBEE
Elaborado por: (domodesk, 2018)
Fuente: (domodesk, 2018)
Coexistencia entre ZigBee, Wi-Fi y Bluetooth
La tecnología ZigBee, Bluetooth y Wi-Fi, operan en la banda de los 2.4 GHz. Se debe tener cuidado al poner en funcionamiento dichas tecnologías en la misma área, debido a que puede existir interferencias.
La tecnología Wi-Fi emplea 13 canales los cuales se encuentran en el rango de los 2.412 GHz hasta los 2.484 GHz basado en el estándar 802.11b/g, en el que puede hallarse superposición entre canales con una desvinculación de 5 MHz entre cada canal y una extensión de 22 MHz por canal.
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de 5 MHz entre cada canal y una extensión de 3 MHz por canal. Por motivo que los 10 canales principales le corresponden a la banda de los 915 MHz en Estados Unidos. La tecnología Bluetooth utiliza 79 canales los cuales operan en el rango de los 2.400 GHz hasta los 2.480 GHz con una desvinculación de 1 MHz entre cada canal y de la misma manera para el ancho de banda.
Para escoger el mejor canal de comunicación a través de la tecnología ZigBee es que trabaje en los canales 15, 20, 25 y 26, por motivo que aquí no interrumpe con el ancho de los canales de la tecnología Wi-Fi para los canales 1, 6 y 11 ya que estos canales operan en la misma banda.
GRÁFICO 10
ESQUEMA DE CANALES EN LA BANDA DE 2.4 GHZ
Elaborado por: (schneider-electric, 2012)
Fuente: (schneider-electric, 2012)
Dispositivos ZigBee
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• Coordinador ZigBee:
Es la raíz de la red, es decir, el núcleo para que los equipos operen, el cual debe existir uno por cada red. En el que cada dispositivo trabaja como un enrutador y es el responsable de guardar los datos.
• Router ZigBee:
Son equipos que se enlazan de router a router, distanciados en el diseño de la red aplicada. También proporciona un nivel de aplicación para correr el código determinado por el beneficiario.
• Dispositivo Final ZigBee:
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Protocolos de ZigBee
GRÁFICO 11
PROTOCOLOS DE ZIGBEE
Elaborado por: (elandroidelibre, 2015)
Fuente: (elandroidelibre, 2015)
Cada uno de los protocolos que se emplean para la conexión entre los nodos hace que todo integrante de la red logre entenderse. Estos protocolos realizan funciones como la de despertar al nodo para empezar a transferir y también que el nodo se inactive para reservar energía.
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Topologías de Red ZigBee
Como se ha mencionado anteriormente, la red ZigBee se basa en 3 tipos de topología que se detallan a continuación:
• Topología Estrella: Aquíel organizador se coloca en el núcleo de la red. • Topología en árbol: el organizador será el origen de todos los nodos o árbol. • Topología malla: uno de sus puntos de conexión contara con más de 2
conexiones.
GRÁFICO 12
TOPOLOGÍAS DE ZIGBEE
Elaborado por: (aprendiendoarduino, 2016)
Fuente: (aprendiendoarduino, 2016)
Sin olvidar que lo que le conviene más al protocolo ZigBee es la topología malla, por motivo que, si un nodo cae, puede escoger cualquier ruta haciendo que la conexión en la red sea muy eficaz.
Estándares para aplicaciones ZigBee
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de interoperabilidad de este protocolo se origina de la normalización en todas las capas de la red, específicamente en la capa de aplicación que es el que se encuentra más próximo al usuario.
Seguidamente se detallará los estándares de aplicación más importantes que brinda la organización ZigBee Alliance dependiendo los requisitos:
1) ZigBee Building Automation
Es un estándar mundial para equipos interoperables que posibilita la vigilancia y el control de los sistemas de las casas. Los propietarios y técnicos de los dispositivos inteligentes se pueden favorecer de este estándar, colaborando con el medio ambiente, además de cumplir con las comodidades y seguridad del hogar.
Se puede suprimir los cables de la red gracias al sistema inalámbrico que ofrece este estándar, brindando así una mejor instalación en los sistemas para evitar invertir en instalación.
2) ZigBee Health Care
Es un estándar mundial para equipos interoperables que posibilita la vigilancia y el control de servicios de salud orientado a enfermedades graves, estado físico y en general. El cual soporta las exigencias de diferentes distribuidores del sector para administrar y gestionar de forma fácil el empleo de la información de salud y el confort para el hogar; y de la misma forma pueden utilizarlos profesionales del área.
3) ZigBee Home Automation
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Capas del protocolo ZigBee
La capa del protocolo ZigBee se segmenta en 4 capas, donde cada capa no tiene relación con las demás. El objetivo de estas capas es de reducir la arquitectura debido a su baja tasa de transferencia de datos.
A continuación, se detallará cada una de las capas del protocolo ZigBee:
GRÁFICO 13
CAPAS DEL PROTOCOLO ZIGBEE
Elaborado por: (postgrado, postgrado.info.unlp.edu.ar, 2016)
Fuente: (postgrado, postgrado.info.unlp.edu.ar, 2016)
62 Capa física (PHY)
“Pertenece a la IEEE 802.15.4. Se definen las funciones y la relación con la capa MAC, define aspectos como la potencia del transmisor y la sensibilidad del receptor, es decir provee la transmisión de los datos, los canales y la energía de la señal.” (Moyano & Peñafiel, 2016)
En el Cuadro N. 3 se muestran la numeración de los canales asignados a cada frecuencia:
CUADRO N. 3
CANALES DE LA CAPA FÍSICA
Número de
Elaborado por: (postgrado, postgrado.info.unlp.edu.ar, 2016)
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La banda 868 MHz opera en los países de Europa como España y Alemania, en tanto que la banda de 915 MHz opera en países norteamericanos como México y Estados Unidos. Y la blanda de 2.4 GHz es operada a nivel mundial.
Capa de Acceso al Medio (MAC)
La capa MAC corresponde al estándar 802.15.4. Esta capa proporciona un nexo entre la capa física y la capa de red.
La capa de acceso al medio Según Raquel Moyano afirma que la capa MAC satisface los siguientes aspectos:
• Acceso al canal (Comparten el mismo medio de comunicación)
• Autenticación de la trama
• Vinculación y Desvinculación
• Impide choques con el protocolo CSMA/CA y ofrece enlaces seguros.
Capa de Red
Esta capa de red está determinada como la interfaz entre la capa de aplicación y la capa de acceso al medio, el cual es el responsable de enlazarse a la red y transportar los paquetes que son destinados a otros nodos de la red. Además, depura los paquetes que han sido receptados, los encripta y también usa métodos de validación. Dentro de las aplicaciones principales que efectúa la capa de red son:
• Determina una red dependiendo el tipo de topología.
• Asegurar la conexión de la red
• Configurar un nuevo equipo para la intervención en la red
• Encaminar las tramas hasta el receptor.
Capa de Aplicación
Establece un conjunto especifico de dispositivos que autoriza remitir y receptar comandos, solicitar información y lo más importante administrar los datos.
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- Subcapa APS
La capa APS se coloca por encima de la capa de red, en el cual ZigBee abarca la parte de aplicación que incorpora los dispositivos finales, clústeres y perfiles de usuarios. Proporciona los servicios primordiales para los equipos de aplicación y dispositivos ZigBee como interfaz entre la capa de red.
Un objeto de aplicación o EP define la entrada o salida del APS. Por ejemplo, un interruptor que regula la iluminación es la entrada, y la salida es el estado actual del foco del hogar. Cada uno de estos nodos puede alcanzar hasta 240 EP. La capa APS posee aspectos fundamentales:
• Elimina los paquetes de los dispositivos finales no identificados, y también los perfiles que no corresponden.
• Intenta a cada instante reconocer los equipos de punto a punto.
• Conserva el registro de las direcciones locales.
• Conserva el registro de los grupos particulares
• Conserva el registro de conexiones.
- Objetos ZigBee (ZDO):
Un objeto de dispositivo ZigBee lleva a cabo la gestión y control de los dispositivos finales. Esta subcapa desempeña los siguientes aspectos:
• Define el modelo de equipo en una red sea este un equipo final, router u organizador
• Lleva a cabo el encuentro de equipos y servicios.
• Control de seguridad
• Control de la red
65 GRÁFICO 14
CAPA DE APLICACIÓN DE ZIGBEE
Elaborado por: Jokasta Trejo Sevillano
Fuente: Datos de la Investigación
Funcionamiento de la Red ZigBee
La red ZigBee está definida por un dispositivo tecnológico organizador (Hub) que forma parte de la red. Al empezar, averigua redes semejantes en los canales autorizados el cual puede encontrarse restringido a los canales utilizables. El encuentro de redes es utilizado para hallar redes presentes en el canal vigente y se efectúa al momento en que el equipo se inicializa buscando otras redes y así poder relacionarse.
66 GRÁFICO 15
DIAGRAMA DE FORMACIÓN DE UNA RED ZIGBEE
Elaborado por: (freaklabs, 2014)
Fuente: (freaklabs, 2014)
Seguridad en ZigBee
67 • Preinstalación: el fabricante integra un código maestro en el equipo.
• Transporte de clave: El equipo solicita a un lugar confiable el envío del código • Establecimiento de clave sin comunicación: Es un procedimiento local
para crear códigos de conexión para 2 equipos sin que tenga que enlazarse.
La más importante desventaja de ZigBee relacionado con la seguridad es la falta de equipos en los nodos, por motivo que la gran parte de los dispositivos se cargan por medio de baterías debido a que posee poca memoria. Los códigos que crea ZigBee a través de la encriptación se guardan en la memoria ya que cualquier persona puede conseguirlo sencillamente si tiene permiso al dispositivo. Para evitar esto es fundamental la utilización de microcontroladores para tener un reconocimiento seguro y no correr el riesgo de sufrir un ataque a la conexión inalámbrica.
Autenticación
Existen diferentes tipos de autenticación con respecto a la seguridad del protocolo ZigBee:
• Autenticación de Dispositivos: Es la comprobación de un equipo nuevo en la red, la red tendrá que corroborar y si no pertenece se le solicitará la salida del mismo.
