Propuesta de una arquitectura hardware-software de un sistema domótico

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(1)Propuesta de una Arquitectura HardwareSoftware de un Sistema Domótico. Autor: Mauricio Caviedes Pinzón Profesor Asesor: Mario Fernando De la Rosa. Trabajo de tesis presentado a la Universidad de los Andes Para optar por el titulo de Maestría en Ingeniería de Sistemas y Computación. Grupo de Informática Gráfica (Imagine) Departamento de Ingeniería de Sistema y Computación Cr 1 No 18ª – 10, Bogotá Colombia. Email: [email protected] 3 de Agosto de 2010.

(2) II.

(3) Índice general 1. Introducción ............................................................................................................. 1. 2. Marco Teórico .......................................................................................................... 3 2.1. Telecomunicaciones ......................................................................................... 4. 2.1.1. Medios de trasmisión ................................................................................ 5. 2.1.2. Protocolos de Aplicación al Hogar............................................................ 6. 2.1.3. Protocolos de Aplicación en la Industria................................................. 11. 2.2. Comparación de tecnologías ........................................................................... 13. 2.3. Electrónica ...................................................................................................... 14. 2.3.1. Sensores ................................................................................................... 15. 2.3.2. Sensores digitales .................................................................................... 16. 2.3.3. FPGA....................................................................................................... 16. 2.3.4. PSoC ........................................................................................................ 17. 2.4. Eléctrica .......................................................................................................... 19. 2.4.1 3. APROXIMACIONES BASADAS EN SOFWARE.............................................. 21 3.1. DOG ............................................................................................................... 21. 3.1.1 3.2. Arquitectura DOG ................................................................................... 21. DomoNet ........................................................................................................ 24. 3.2.1. TechManagers ......................................................................................... 24. 3.2.2. DeviceWS................................................................................................ 25. 3.2.3. DomoML ................................................................................................. 26. 3.3 4. Actuadores ............................................................................................... 19. Comparación entre DOG y DomoNet ............................................................ 26. Aplicaciones integrales .......................................................................................... 28 III.

(4) 5. 4.1. My Home de Bticino ...................................................................................... 28. 4.2. Honeywell home network............................................................................... 28. Propuesta de una Arquitectura Domótica integrada .............................................. 30 5.1. 6. 7. Controlador del Sistema Domótico ................................................................ 31. 5.1.1. Servicios para el instalador ..................................................................... 31. 5.1.2. Servicios para el usuario final ................................................................. 31. 5.1.3. Servicios para el administrador ............................................................... 31. 5.2. Red de Sensores y Actuadores ....................................................................... 32. 5.3. Protocolo y medio de trasmisión utilizado ..................................................... 32. 5.3.1. Host: ........................................................................................................ 34. 5.3.2. Nodos: ..................................................................................................... 35. 5.3.3. Controlador de red:.................................................................................. 36. 5.4. Dispositivo de interfaz .................................................................................... 36. 5.5. Interfaz Humano Sistema Informático ........................................................... 36. 5.5.1. Interfaz por voz ....................................................................................... 37. 5.5.2. Interfaz web ............................................................................................. 38. 5.5.3. Localizador interactivo de dispositivos ................................................... 38. 5.5.4. Interfaz híbrida ........................................................................................ 39. Diseño del Sistema Informático ............................................................................. 40 6.1. Requerimientos funcionales ........................................................................... 40. 6.2. Requerimientos no funcionales ...................................................................... 42. 6.3. Modelo de casos de uso .................................................................................. 42. 6.4. Diagrama de clases ......................................................................................... 44. Implementación de la Arquitectura Propuesta ....................................................... 45 7.1. Implementación del sistema de información (software) ................................ 45. IV.

(5) 7.1.1. Capa Web ................................................................................................ 46. 7.1.2. Capa de Servicios .................................................................................... 46. 7.1.3. Capa de Acceso a Datos .......................................................................... 46. 7.2. Patrones de Diseño para sistema de información ........................................... 47. 7.2.1. Inyección de dependencia ....................................................................... 47. 7.2.2. Patrón Front Controller o Web MVC (modelo, vista, controlador) ........ 47. 7.2.3. DAO. Objetos de acceso a datos (Data Access Objects) del sistema de. información. 48 7.3. Tecnologías informáticas ................................................................................ 48. 7.3.1. Java .......................................................................................................... 49. 7.3.2. Java EE .................................................................................................... 49. 7.3.3. JPA .......................................................................................................... 50. 7.3.4. Eclipse ..................................................................................................... 50. 7.3.5. Spring Framework ................................................................................... 50. 7.3.6. Ajax.Hibernate ........................................................................................ 51. 7.3.7. MySQL .................................................................................................... 51. 7.3.8. Javascript ................................................................................................. 51. 7.3.9. Dojo Toolkit ............................................................................................ 52. 7.4. Implementación de interfaz por voz ............................................................... 52. 7.5. Implementación de interfaz híbrida ................................................................ 52. 7.6. Implementación del localizador interactivo de dispositivos........................... 53. 7.7. Implementación de la red ............................................................................... 54. 7.7.1. Implementación del controlador de red ................................................... 54. 7.7.2. Implementación del host ......................................................................... 54. 7.7.3. Implementación del nodo ........................................................................ 57. V.

(6) 8. Configuración del Sistema Domótico .................................................................... 59 8.1. Configuración de casa/oficina ........................................................................ 59. 8.2. Configuración de la red .................................................................................. 59. 9. 8.2.1. Configuración de hosts ............................................................................ 60. 8.2.2. Configuración de nodo ............................................................................ 61. 8.2.3. Configuración de dispositivos ................................................................. 61. Pruebas de la Arquitectura Propuesta .................................................................... 62 9.1. Pruebas de SW ................................................................................................ 62. 9.2. Pruebas de HW ............................................................................................... 64. 9.3. Pruebas de integración .................................................................................... 66. 9.4. Pruebas del sistema completo ......................................................................... 68. 10. Conclusiones y Trabajos Futuros ...................................................................... 70. Bibliografía .................................................................................................................... 72. VI.

(7) Índice de Figuras Figura 1. Áreas de conocimiento de la domótica. ........................................................... 2 Figura 2. Componentes generales de la domótica. .......................................................... 3 Figura 3. Relación entre los diferentes componentes de la Domótica. ........................... 4 Figura 4. Posibles combinaciones de códigos de unidad y de casa. ................................ 6 Figura 5. Ejemplo de comunicación usando protocolo de KNX. (3) .............................. 8 Figura 6. Comunicación multi-maestro Profibus.(9) ..................................................... 12 Figura 7.Comunicación multi-maestro Profibus (9). ..................................................... 13 Figura 8. Señal Entrada y salida de un sensor. .............................................................. 15 Figura 9. Acondicionamiento de señal eléctrica............................................................ 15 Figura 10. Arquitectura de una FPGA (10). .................................................................. 17 Figura 11. Diagrama de bloques del PSoC. Tomada de(11). ........................................ 18 Figura 12. Etapa de potencia para un actuador.............................................................. 20 Figura 13. Arquitectura de DOG. .................................................................................. 22 Figura 14. Red doméstica que usa Domonet (13). ........................................................ 24 Figura 15. Vista de arquitectura de un TechManager en DomoNet (13). ..................... 25 Figura 16. Arquitectura de Honeywell Home Net. (15) ............................................... 29 Figura 17. Arquitectura domótica integrada propuesta. ................................................ 30 Figura 18. Máquina de estados del host. ....................................................................... 34 Figura 19. Estructura del nodo inteligente. ................................................................... 35 Figura 20. Máquina de estados del nodo ....................................................................... 36 Figura 21. Grafo de unidades de sonido. ....................................................................... 38 Figura 22. Vista de casos de uso del administrador. ..................................................... 42 Figura 23. Vista de casos de uso del instalador. ............................................................ 43 Figura 24. Vista de casos de uso del usuario final. ....................................................... 43 Figura 25. Diagrama de clases de la aplicación. ........................................................... 44 Figura 26. Esquema de una arquitectura multicapas. .................................................... 46 Figura 27. Modelo MVC web ....................................................................................... 48 Figura 28. Esquema de tecnologías utilizadas. .............................................................. 49 VII.

(8) Figura 29. Flujo de información en la interfaz híbrida. ................................................. 53 Figura 30. Interfaz de desarrollo de PSoC Designer. .................................................... 55 Figura 31. Estructura interna del transductor SN65HVD08P. ...................................... 56 Figura 32. Programación gráfica del host...................................................................... 56 Figura 33. Módulos digitales del nodo. ......................................................................... 58 Figura 34. Módulos análogos del nodo. ........................................................................ 58 Figura 35. Ejemplo de la estructura de una red que se va a configurar. ........................ 60 Figura 36. Pantalla de inicio para usuario con perfil de administrador. ........................ 62 Figura 37. Listado de casas con opción de creación, modificación y eliminación. ...... 62 Figura 38. Dispositivo móvil listando espacios y listando dispositivos. ....................... 63 Figura 39. Localizador interactivo de dispositivos........................................................ 63 Figura 40. Prender un LED del PSoC. .......................................................................... 64 Figura 41. Prueba con interfaz LCD y sensor digital de temperatura. .......................... 64 Figura 42. Prueba de comunicación entre dos PSoC’s. ................................................. 65 Figura 43. Interfaz grafica del programa hyperterminal. .............................................. 65 Figura 44. Prueba de estándar RS485............................................................................ 66 Figura 45. Prueba de comunicación PC-PSoC. ............................................................. 66 Figura 46. Prueba de comunicación PC-host-nodo. ...................................................... 67 Figura 47. Controlador de aplicación comunicándose con aplicación java. ................. 67 Figura 48. Recepción de datos de controlador de aplicación y envío a la red. ............. 68 Figura 49. Prueba de interfaz híbrida. ........................................................................... 68. VIII.

(9) Índice de Tablas Tabla 1. Formato de trama de Modbus RTU ................................................................. 12 Tabla 2. Comparación de los medios de trasmisión de datos usados en domótica. ...... 13 Tabla 3. Comparativo de protocolos domóticos. ........................................................... 14 Tabla 4. Comparación de DOG y DomoNet. ................................................................ 27 Tabla 5. Configuración de parámetros de UART en PSoC Designer ®. ...................... 57. IX.

(10) Resumen La domótica es un área de la ingeniería que busca mejorar la calidad de vida aumentando la comodidad, la seguridad, el confort y ahorro energético integrando distintas tecnologías desarrolladas en diferentes áreas de conocimiento: las telecomunicaciones, la electrónica, la eléctrica y la informática. En esta tesis se propone una solución para sistemas domóticos con un diseño integrado de componentes de software y de hardware. El diseño tiene en cuenta requerimientos que faciliten soluciones escalables, extensibles, flexibles, sencillas de usar y que optimicen recursos. El sistema domótico permite tener acceso a los servicios ofrecidos por medio de una interfaz web o de voz ya sea a través de acceso local o remoto. Los servicios permiten agregar y configurar sensores y actuadores rápidamente, configurar una red domótica, ejecutar comandos sobre los actuadores y ver el estado de los sensores. El sistema ofrece manejo de perfiles de usuario para asociar servicios de acuerdo a tipos de usuario. El desarrollo de un prototipo funcional consistente con el diseño del sistema integrado permite validar la propuesta.. Abstract Home automation is an area of engineering that seeks to improve the quality of life by increasing the comfort, safety, comfort and energy saving by integrating different technologies developed in different knowledge areas: telecommunications, electronics, electrical and computer science. This thesis proposes a solution for Home automation systems with an integrated design of software and hardware components. The design takes into account requirements to facilitate scalability, extensibility, flexibility and ease of use by optimizing resources. The domotic system allows access to the offered services through a web or voice interface either through local or remote access. The services allow adding and configuring sensors and actuators quickly, setting up a home automation network, executing commands on actuators and viewing the status of the sensors. The system provides management of user profiles in order to associate services according to the user profile. The development of a functional prototype consistent with the integrated system design allows validating the proposal.. X.

(11) Objetivo General Diseñar, implementar y evaluar una arquitectura hardware y software para un sistema domótico flexible, escalable, de bajo costo, con una interfaz natural e innovadora y que incluye perfiles de usuario.. Objetivos Específicos •. Hacer una investigación sobre los trabajos relacionados con la Domótica.. •. Identificar los requerimientos del sistema.. •. Diseñar e implementar un sistema que satisfaga los requerimientos propuestos.. •. Implementar una red domótica que favorezca la flexibilidad, escalabilidad y el costo del sistema domótico.. •. Hacer una buena integración y aprovechamiento de recursos entre hardware y software.. •. Crear un sistema que ofrezca diferentes servicios dependiendo de los perfiles de usuario.. •. Hacer una interfaz de fácil uso y natural para sus usuarios.. XI.

(12) 1. Introducción La domótica es un concepto interdisciplinario que se basa en la integración de distintas. tecnologías desarrolladas en diferentes áreas de conocimiento: las telecomunicaciones, la electrónica, la eléctrica y la informática como se ve en la Figura 1. Cuando se habla de domótica también está implícito el término control y este hoy en día es abordado de muchas maneras, entre las cuales están, los switches de pared, controles remotos, celulares, PDA’s, PC’s. Para que estos últimos puedan ser usados más eficiente y fácilmente se usan protocolos de comunicación desarrollados para sistemas domóticos. La integración del poder computacional y la comunicación en la próxima generación de dispositivos programables es uno de los principales factores que está impulsando el surgimiento de la red domótica, que interconecta varios aparatos, lo que permite el acceso remoto y control de los aparatos, y cada vez más servicios disponibles, como entretenimiento para el hogar, oficina en casa, y automatización del hogar. En esta tesis se propone una solución para sistemas domóticos con un diseño integrado de componentes de software y de hardware. El diseño tiene en cuenta requerimientos que faciliten soluciones flexibles y de calidad. Los siguientes requerimientos se tuvieron en cuenta en el diseño: escalabilidad que consiste en la posibilidad de tener muchos sensores y actuadores (más de 256 como los sistemas comunes de domótica); extensibilidad que significa que la programación del sistema puede ser modificada sin mayor dificultad y que pueda realizar tareas de alto nivel cuya integración al sistema sea sencilla, de manera que si se quiera aumentar la funcionalidad del sistema sea sencillo; flexibilidad en cuanto a la posibilidad de tener diferentes estructuras físicas del sistema, agregando sensores y actuadores donde sea necesario y también en cuanto e la interfaz de usuario. Al cumplir los anteriores requerimientos se obtiene un sistema de fácil instalación y configuración y más aun con posibilidad de autoconfiguración. No se busca un sistema que realice tareas muy inteligentes, para esto se contara con un administrador central del sistema que pueda hacer estas tareas..

(13) Telecomunicaciones. Otras. Electrónica. Domótica Informática. Eléctrica. Figura 1. Áreas de conocimiento de la domótica.. Este documento está organizado de la siguiente manera:: el capítulo 2 trata el marco teórico de la Domótica explica explicando sus áreas de conocimiento, sus componentes y haciendo un análisis comparativo; a seguir en el capítulo 3 se muestra el estado del arte de las aproximaciones domóticas basadas en software software; en el capítulo 4 se explican algunos sistemas domóticos que integran hardware y software; en n el capítulo 5 se hace nuestra propuesta de una Arquitectura ctura Hardware Hardware-Software Software de un Sistema Domótico y se explican sus componentes; a seguir en el capítulo 6 se presenta el diseño del sistema informático de la propuesta; en capítulo 7 se muestra como se llevo a cabo la implementación de la Arquitectura propuesta; después en el capítulo 8. se muestran los aspectos de la. configuración del sistema y el capítulo 9 finaliza con las pruebas, conclusiones y trabajos futuros.. 2.

(14) 2. Marco Teórico En este capítulo se explicara los aspectos más relevantes de las diferentes áreas de. conocimiento y sus componentes que intervienen en la Domótica. Una aplicación domótica puede componerse de los componentes que se ven en la Figura 2.. Figura 2. Componentes generales de la domótica.. Se puede ver el proceso de la aplicación domótica de la siguiente manera. Un usuario interactúa con el sistema por medio del dispositivo de interacción, PC o sistema digital, estos usan los datos de un sistema de información, luego el PC o sistema digital requiere usar la interfaz PC-red para enviar datos a la red domótica, si es un sistema digital (como un microcontrolador o FPGA) probablemente la interfaz este dentro de éste hacia un controlador de red (implementado en un microcontrolador o FPGA) y este se comunica usando un protocolo de trasmisión y envía por un medio de comunicación los datos necesario a los sensores o actuadores (Figura 3).. 3.

(15) Figura 3. Relación entre los diferentes componentes de la Domótica.. Cada uno de los componentes mencionados anteriormente se encuentra en una o más áreas de conocimiento. A continuación se enumeran las áreas de conocimiento de la Domótica, los componentes de cada uno y su relación con la Domótica ( Figura 1).. 2.1 Telecomunicaciones Uno de los aspectos más importantes en la domótica es la comunicación, ya que un elemento fundamental en un sistema domótico es la red de comunicación. A continuación se explican los medios de comunicación más importantes y algunos de los protocolos de comunicación más usados en la domótica. Los protocolos pueden ser de aplicación al hogar o a la industria.. 4.

(16) 2.1.1 2.1.1.1. Medios de trasmisión Trasmision por red eléctrica PLC (Power Line Carrier). PLC (transmisión por red eléctrica), usa como medio de comunicación la red eléctrica para enviar las señales de control de forma directa a los receptores. 2.1.1.2. Par trenzado. Es un medio de trasmisión en el cual dos conductores recubiertos por aislantes son entrelazados, reduciendo de manera considerable las interferencias, ya que la señal que trasmiten es la diferencia entre los dos cables, entonces cuando hay una inferencia, esta afecta los dos cables, entonces el voltaje en cada cable cambia casi lo mismo, de manera que la diferencia cambia muy poco. 2.1.1.3. Infrarojo. Infrarrojo es una buena opción en casos donde se presenta mucha interferencia por radio frecuencia. Sin embargo cuenta con la desventaja de requerir línea de vista. 2.1.1.4. Radio frecuencia. La Radio Frecuencia, por ser medio inalámbrico y no requerir de línea de vista es mucho más flexible en cuanto a la ubicación de los diferentes dispositivos permitiendo que estén separados hasta por paredes. 2.1.1.5. Cable coaxial. El cable coaxial es una guía de ondas, que permite la trasmisión de señales electromagnéticas a grandes velocidades. Este está compuesto por un núcleo de hilo de cobre, que es rodeado por un aislante, también por un metal trenzado que apantalla la señal y la blinda ante el ruido y una cubierta externa. 2.1.1.6. Fibra óptica. Es un medio de trasmisión compuesto por filamentos bastante delgados compuesto por materiales de plástico o de vidrio. Por estos filamentos se envían pulso de luz con los datos basándose en la ley de Snell, por esto este es el medio de trasmisión menos propenso a las interferencias electromagnéticas.. 5.

(17) 2.1.2 2.1.2.1. Protocolos de Aplicación al Hogar X10. Anteriormente cuando se hablaba de la automatización de hogares, muy pocos eran los que podían tener acceso a esta tecnología por sus costos elevados. Pero en los últimos años con el auge de la tecnología y la reducción de sus costos, la automatización ha empezado a lograr mayor acogida en hogares con costos más moderados y accesibles por un público más amplio. Por dicha razón, se creó el protocolo X10 (1) que busca unificar la forma de comunicación entre los distintos dispositivos electrónicos, empleando la red eléctrica de los hogares como el medio de comunicación entre estos dispositivos. Una de las características de los controladores X10 es su flexibilidad que permite establecer comunicación entre diferentes medios: Infrarrojo, Radio frecuencia y PLC (transmisión por red eléctrica). Cuando la comunicación es a través de la red eléctrica, un punto importante para garantizar un buen rendimiento de X10, es escoger bien la plataforma que se va a utilizar para la instalación, para así mejorar el envió de las señales que viajan a través de la red eléctrica. Los componentes fundamentales para el uso de X10 son los controladores y los receptores. Los controladores son los encargados de transmitir los códigos de los dispositivos, transmiten una de las 256 posibles combinaciones de códigos que se pueden generar mediante la combinación del código de residencia y el código de unidad. En la Figura 4 se muestra en un estilo de perillas las posibles combinaciones para los códigos.. Figura 4. Posibles combinaciones de códigos de unidad y de casa.. 6.

(18) Además de transmitir los códigos, los controladores cuentan con las funciones de encendido, apagado, brillo, atenuación, todas las luces prendidas y todas las luces apagadas. Como ya se había mencionado anteriormente existen varias formas de controlar los dispositivos, ya sea a través de controladores alambrados, de enchufe o inalámbricos. Los controladores manuales, son los más básicos, simplemente se conectan y quedan a disposición para que el usuario pueda controlar los dispositivos. Sin embargo requieren que el usuario tenga contacto físico con el controlador. También existen controladores por teléfono que permiten encender hasta un total de diez lámparas y electrodomésticos, utilizando cualquier teléfono desde cualquier lugar del mundo. Incluso permite controlar hasta ocho dispositivos en modo local. También brinda la posibilidad de hacer indicaciones visuales cuando suene el teléfono para avisar que hay una llamada entrante, función de gran utilidad para personas con discapacidad auditiva. Otro tipo de controladores son los inalámbricos que operan por radiofrecuencia. Son sistemas de control remoto que pueden controlar hasta ocho módulos X10 tanto desde el interior como desde el exterior de la vivienda. Al igual que los otros controladores, estos también cuentan con las cinco operaciones básicas (encendido, apagado, brillo, atenuación, todas las luces prendidas y todas las luces apagadas). Cabe resaltar que para poder hacer uso de los controladores inalámbricos se requiere de un receptor que interprete las señales que envía el controlador. Los receptores son módulos para electrodomésticos que envían señales X10 a los dispositivos conectados. Puede enviar señales para 16 códigos de unidad con el mismo código de vivienda. El receptor, además de ser controlado con el control también puede ser controlado con comandos X10 sobre la red eléctrica. Para los sistemas X10 hay dos tipos de receptores, el módulo de lámpara y el módulo de electrodomésticos. La diferencia que existe entre los dos tipos es básicamente que el módulo para lámpara permite además de encender y apagar (interruptor), regular la intensidad de la iluminación. Hay tres tipos de receptores: receptores de enchufado, receptores cableados y receptores de rosca.. 2.1.2.2. KNX. 7.

(19) Uno de los más grandes avances en la domótica en Europa es el desarrollo del protocolo KNX/EIB (2), el cual es el más usado en edificios, residencias, industrias, etc., convirtiendo este en estándar ISO. KNX hace la comunicación usando varios medios físicos como par trenzado, líneas de poder de los edificios, Ethernet, links inalámbricos. Este estándar tiene tres modos de configuración: •. Modo de sistema: Apropiado para el control de dispositivos. Todos los dispositivos en este modo se configuran con un software que accede una base de datos y facilita la integración de estos sistemas.. •. Modo sencillo: los dispositivos son pre configurados antes de instalarse.. •. Modo automático: los dispositivos se auto configuran, lo cúal es muy útil para el usuario final.. Figura 5. Ejemplo de comunicación usando protocolo de KNX. (3). 2.1.2.3. OpenWebNet. Es un protocolo de comunicación desarrollado por Bticino ® desde 2000 (4). Este protocolo permite una interacción de alto nivel entre una unidad remota y el bus de comunicación del sistema domótico MyHome. En su última versión permite la interacción con sistemas domóticos KNX y DMX512-A. Puede conectarse software supervisor vía Ethernet, serial rs232 o USB. 8.

(20) Los mensajes de este protocolo están compuestos por campos de longitud variable separados por el carácter especial ‘*’ y terminados por el carácter ‘##’. Los caracteres que se admiten en los campos son números y el carácter ‘#’. La estructura es la siguiente: Mensaje campo1*campo2*…*campoN## La semántica es: Campo1 Quien. Es la función del sistema domótico a la cual se refiere el mensaje. Campo3 Que. Es la acción que se debe llevar a cabo. Campo2 Donde. Es el grupo de objetos hacia los cuales está dirigido el mensaje. Campo4 Dimensión. Es el tipo de variable que se solicita, como temperatura, volumen, etc. Campo5 Valor. Cantidad numérica. Hay cuatro tipos de mensajes válidos en OpenWebnet: Mensaje de comando/estado *QUIEN*QUE*DONDE## Mensaje de solicitud de estado *QUIEN*DONDE## Mensajes de solicitud de lectura/escritura y dimensión *QUIEN*DONDE*DIMENSION## *QUIEN*DONDE*DIMENSION*VALOR1*…*VALORN## Mensajes de recibido y no-recibido *#*1## *#*0## 2.1.2.4. LonTalk. LonTalk (5) es un protocolo domótico propietario presentado por la firma Echelon ® en 1992 y es un protocolo muy interesante para aplicaciones en hogar debido a su escalabilidad, permitiendo hasta 256 redes de 256 dispositivos cada una . Los fabricantes de estos dispositivos integran el microcontrolador especial neuron chip que trae integrado un firmware desarrollado por la compañía propietaria del protocolo. Este protocolo implementa el modelo de referencia OSI, haciendo que el reenvió de tramas perdidas o la autenticación del emisor, estén completamente implementados en este protocolo. 9.

(21) 2.1.2.5. One-wire. Es un protocolo de comunicación desarrollado por dallas corporation ®, provee datos y energía sobre un mismo cable (6). Una red compuesta por este tipo de dispositivo es denominada una MicroLan. Hay sensores y actuadores que ya vienen con este protocolo integrado. Algunos vienen en un empaque bastante pequeño, del tamaño de una moneda. Cada dispositivo tiene un número único de 64 bits. Entre otros estos dispositivos ofrecen servicios de identificación, lectura, escritura y autenticación basada en SHA-1. La línea de datos/alimentación requiere una resistencia de pull-up conectada a la alimentación y que le proporciona ésta. Para reiniciar el bus se mantiene la señal de datos a 0 voltios durante 480 microsegundos. Se reinician todos los dispositivos conectados al bus. Los dispositivos reiniciados indican su presencia manteniendo la señal de datos a 0 voltios durante 60 microsegundos. Para enviar un bit a 1 el maestro se lleva a 0 voltios la línea de datos durante 1-15 microsegundos. Para enviar un bit a 0 el maestro se lleva a 0 voltios la línea de datos durante 60 microsegundos. Los dispositivos esclavos leen el bit aproximadamente a los 30 microsegundos después del flanco de bajada de cada bit. Cuando el maestro lee los datos del dispositivo esclavo el pone 0 voltios durante 1-15 microsegundos en la línea de datos y a partir de ese momento el esclavo no hace nada si quiere mandar un 1 lógico o mantiene la señal en 0 voltios hasta los 60 microsegundos si quiere mandar un 0 lógico. Los datos se envían o reciben en grupos de 8 bits. Para iniciar una comunicación se reinicia el bus. El protocolo puede incluir detección de errores transmitiendo códigos de corrección de errores (CRC). Como en el bus puede haber muchos dispositivos el protocolo incluye el direccionamiento de los mismos empleando un código único de 64 bits de los cuales el byte más significativo indica el tipo de dispositivo, y el último es un código de corrección de errores (CRC) de 8 bits. Los comandos que pueden interpretar los dispositivos esclavos dependerán de estos. Para encontrar los dispositivos presentes en el bus el maestro puede enviar un comando de enumeración que responderán todos los dispositivos.. 10.

(22) 2.1.3. 2.1.3.1. Protocolos de Aplicación en la Industria. Modbus. Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI, que se basa en la arquitectura maestro/esclavo (7), diseñado por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs). Se convirtió en. el protocolo de. comunicaciones estándar de facto en la industria debido a que es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales. Las ventajas de este protocolo son que es público, su implementación es fácil y requiere poco desarrollo y maneja bloques de datos sin poner muchas restricciones a los fabricantes. Modbus permite el control de una red de dispositivos. También se usa para la conexión de un ordenador de supervisión con una unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA). Hay versiones de este protocolo para puerto serie y Ethernet (Modbus/TCP). Existen variantes del protocolo como RTU que es usado para comunicación serial y hace uso de representación en bits de la información, haciendo de este un protocolo bastante eficiente, ASCII también se usa para comunicación serial pero los datos se manejan en formato ASCII, TCP/IP que se usa para comunicarse en redes TCP y Modbus Plus que es un protocolo propietario de SCHNEIDER ELECTRIC® y que requiere varios procesadores para manejar eficientemente redes tipo token ring. Cada dispositivo de la red posee una dirección única. Cualquier dispositivo puede enviar comandos, inclusive los esclavos también pueden enviar comandos a los esclavos (en situación excepcional). Cada comando contiene la dirección del dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos reciben la trama pero sólo el destinatario la ejecuta a menos que sea un mensaje de multidifusión. Cada uno de los mensajes incluye información de chequeo que asegura su integridad en la recepción. Los comandos básicos permiten controlar un dispositivo RTU para modificar el valor de alguno de sus registros, controlar o leer un dispositivo de entrada o de salida y solicitar el envío del valor de algunos de sus registros. El formato de trama del protocolo se ve en la Tabla 1.. 11.

(23) Formato de Trama de Modbus RTU Nombre Longitud Función Al menos el tiempo de 3 caracteres y medio de 3.5c idle silencio Start Dirección destino Dirección 8 bits Código de la función Function 8 bits n * 8 bits Contiene los datos Datos CRC 16 bits Chequeo de errores Check Al menos el tiempo de 3 caracteres y medio de 3.5c idle silencio End Tabla 1. Formato de trama de Modbus RTU. 2.1.3.2. Profibus. Profibus (8) es un protocolo de comunicación desarrollado en Alemania por varias empresas eléctricas, y hoy en día hace parte de la norma europea EN50170. Permite varios medios de trasmisión como lo son RS-485, Manchester Coding Bus Powered y fibra óptica. En su red puede haber uno o más maestros como se ve en la Figura 6 en la que un maestro de clase 1 se comunica con los esclavos de forma cíclica y el maestro de clase 2 se comunica de manera acíclica.. Figura 6. Comunicación multi-maestro Profibus.(9). 12.

(24) Profibus también permite la posibilidad de que los esclavos se comuniquen entre ellos, configurando uno de sus esclavos como un publicador y uno o más como suscriptores de ese esclavo, de manera que sin necesidad de enviar datos al maestro, el esclavo publica información para sus nodos suscriptores.. Figura 7.Comunicación multi-maestro Profibus (9).. Este protocolo permite velocidades de comunicación entre 9.6 y 12.000 kbps. El número máximo de estaciones que puede tener es de 32, pero si se usan repetidores (dispositivos que retransmiten lo que reciben) es de 127.. 2.2 Comparación de tecnologías A continuación se ve una tabla comparativa de los medios de trasmisión (Tabla 2) en la cual se comparan las velocidades y distancias de trasmisión.. Tabla 2. Comparación de los medios de trasmisión de datos usados en domótica.. 13.

(25) En la Tabla 3 se ve una comparación de los diferentes protocolos explicados anteriormente en la cual se comparan los medios de trasmisión sobre los cuales funciona el protocolo, el número de dispositivos que puede manejar cada protocolo, el tipo de protocolo (propietario o abierto), el costo y si ofrece control de dispositivos a nivel de estación.. Tabla 3. Comparativo de protocolos domóticos.. En la tabla anterior se ve que LonTalk es uno de los protocolos más completos que existe, pero es propietario y su costo es muy elevado. KNX también es un protocolo muy atractivo, ya que soporta muchos medios de trasmisión y es un estándar abierto, pero solo soporta 256 dispositivos y es bastante costoso. Los protocolos industriales también son muy buenos, pero soportan pocos dispositivos, para un entorno domótico son costosos, mas no en uno industrial, ya que los sensores y actuadores que manejan son del orden de miles de dólares. OpenWebNet es un protocolo abierto, pero su precio es bastante elevado y solo usa un medio de trasmisión. X10 y one-wire son los únicos con un costo relativamente bajo comparado con los demás protocolos, pero con X10 su precio sube un poco cuando se usan módulos que usan medios de trasmisión diferentes al de red eléctrica y one-wire tiene una velocidad de trasmision muy lenta y no sería suficiente para manejar eficientemente un sistema domótico complejo. Como vemos ninguno controla dispositivos a nivel de estación, es decir que cuando alguno de estos protocolos envía una instrucción a una dirección, en esta dirección solo hay un dispositivo.. 2.3 Electrónica La electrónica es uno de los núcleos de la domótica, sin este no funcionan las demás. El área de comunicaciones hace parte de esta área además de los sensores y el procesamiento de las señales.. 14.

(26) 2.3.1. Sensores. Un sensor es un dispositivo que mide una variable física. Existen muchos tipos de sensores y según el comportamiento de la variable física que se quiera medir, la respuesta del sensor puede ser lineal (es lo ideal), logarítmica, exponencial, sinusoidal como se ve en la Figura 8. Figura 8. Señal Entrada y salida de un sensor.. Como es lógico requiere más trabajo para un procesador señales que no son lineales, por lo cual en los sistemas de medición y control es muy común usar circuitos de acondicionamiento como se ve en la Figura 9. SENSOR. CIRCUITO ACONDICION AMIENTO. PROCES ADOR. INTERFAZ DE SALIDA. ACTUADOR. Figura 9. Acondicionamiento de señal eléctrica.. Otro aspecto importante es el de las magnitudes, a veces son muy pequeñas y el procesador no las diferencia o a veces son muy grandes y puede afectar el procesador. Por eso en el circuito de acondicionamiento debe haber una etapa que linealice la señal y otra que la amplifique o que la atenúe atenúe.. También hay casos en los que la magnitud de la variable física es proporcional a la frecuencia de la señal de salida del sensor, entonces para este tipo de señal se hace otro tipo de acondicionamiento. También existen chips que incluyen, 15.

(27) sensor, circuito de acondicionamiento y procesador, los cuales tienen una salida digital, pero es más compleja la interacción con estos. Los sensores en la domótica son los que permitan al sistema y a los usuarios conocer el estado del entorno (de la casa) y a partir de esa información permite al usuario y al sistema hacer ajustes/variaciones de su funcionamiento.. 2.3.2. Sensores digitales. Existen muchos tipos de sensores digitales que miden la variable física deseada e internamente la convierten en una señal digital y luego por medio de algún protocolo la envían a un procesador. Como vimos en la sección 2.1.2.5 One-wire es una opción fácil de instalar y de usar ya que hay muchos micro-procesadores que tienen implementado este protocolo. 2.3.3. FPGA. Las FPGA’s (Field Programmable Gate Array) son dispositivos lógicos de propósito general programable por los usuarios, compuesto de bloques lógicos comunicados por conexiones programables. Está compuesto por una matriz de celdas lógicas idénticas de manera que cuando se programan lo que en realidad se hace es interconectar estas celdas. Permite lógica combinacional y secuencial. Tiene elementos volátiles, no volátiles, memoria externa, es reprogramable y su consumo es bajo. En la Figura 10. se ve un arreglo de celdas lógicas tal como se explico anteriormente. Las FPGA’s son muy usadas ya que su diseño lleva a un procesamiento en paralelo permitiendo así que muchas señales digitales se procesen al tiempo.. 16.

(28) Figura 10. Arquitectura de una FPGA (10).. 2.3.4. PSoC. Recibe su nombre por su sigla en inglés (Programable System on Chip)(11). Es un procesador bastante flexible similar al lego en donde a partir de piezas sencillas y diversas se llega a sistemas complejos. 2.3.4.1. Arquitectura de PSoC. El diagrama de bloques del PSoC se muestra en la Figura 11. El sistema se puede dividir en: núcleo, sistema digital, sistema análogo y recursos de sistemas. Las áreas anteriores se unen por medio de la red de comunicación del sistema bus.. 17.

(29) Figura 11. Diagrama de bloques del PSoC. Tomada de(11).. 2.3.4.2. Núcleo. El núcleo es un poderoso motor de instrucciones compuesto por la SRAM para almacenamiento de datos, el controlador de interrupciones timers de sleep y watchdock y múltiples fuentes de reloj la CPU del núcleo llamada m8c, es un procesador que puede trabajar hasta 24 MHz. Y posee una arquitectura Harvard con la CPU están la SROM y la memoria flash que permiten su flexibilidad de programación. El GPIOS provee conexión con la CPU a los recursos análogos y digitales del dispositivo. El modo de manejo de cada pin puede ser escogido entre 8 opciones, lo cual brinda gran flexibilidad de interfaz con este dispositivo. 18.

(30) 2.3.4.3. Sistema digital. Este está compuesto por bloques de arreglos de filas digitales que se interconectan, lo cual brinda una gran cantidad de diferentes configuraciones del sistema digital. 2.3.4.4. Sistema análogo. Está compuesto por arreglos de bloques de columnas análogas como se ve en la Figura 11, por las referencias, multiplexores análogos de entrada y drivers análogos. Cada bloque posee un amplificador operacional, lo cual permite desarrollar flujos de señal complejos. 2.3.4.5. Recursos del sistema. Los recursos más importantes del PSoC son: relojes digitales, acumuladores múltiples, decimadores de señal digital, funcionalidad I2C de esclavo y de maestro, 256KB de almacenamiento seguro nvSRAM, voltaje interno de referencia, posibilidad de funcionamiento con una sola celda de batería, multiplexores que permiten que cada pin I/O se conecte a un bus de multiplexor análogo interno.. 2.4 Eléctrica Esta área en la Domótica es la encargada de la alimentación del sistema y del funcionamiento de los actuadores. 2.4.1. Actuadores. Estos son dispositivos que manejan magnitudes de corrientes elevadas, por lo tanto no es posible que con las señales de salida del procesador o controlador se pueda controlar los actuadores. Lo más común es utilizar relevos para darle paso a señales de alta potencia al actuador de manera que dependiendo de la señal de salida del controlador, el relevo deja o no pasar corriente. Pero es peligroso conectar directamente el controlador al relevo, por lo cual se hace un acople óptico y así si se presenta un corto circuito en el actuador, el controlador no se ve comprometido. La estructura de lo explicado anteriormente se ve en la Figura 12.. 19.

(31) Figura 12. Etapa de potencia para un actuador.. Como vemos en la Domótica los actuadores son los que permiten que el sistema o los usuarios controlen el ambiente como deseen.. 20.

(32) 3. APROXIMACIONES BASADAS EN SOFWARE La segunda perspectiva en un sistema domótico es el software, ya que la comunicación. directa con los dispositivos se hace a través de un computador usando los protocolos explicados anteriormente. Algunas de estas soluciones son las siguientes:. 3.1 DOG La mayoría de soluciones usa componentes hardware llamados home Gateway. Sus creadores cambian eso por un sistema llamado DOG (Domotic OSGi Gateway), en el cual se explotan la conectividad y las capacidades computacionales para cerrar la brecha entre la integración y la coordinación de diferentes redes domóticas. DOG aprovecha OSGi en cuanto a sus capacidades de coordinación para darle soporte a la activación dinámica de módulos, pluggin en caliente, y reacción a la falla de módulos (12). Lo anterior se integra un modelo ontológico de los sistemas domóticos llamado DogOnt. 3.1.1. Arquitectura DOG. Hay tres niveles prioritarios: •. El nivel 1 incluye todas las diferentes características necesarias para controlar diferentes sistemas domóticos usando un solo protocolo de comunicación de alto nivel y un solo punto de acceso.. •. El nivel 2 tiene todas las funcionalidades necesarias para definir escenarios de automatización inter-redes, e.g., hacer que un switch Konnex controle una luz OpenWebNet.. •. El nivel 3 esta lo relacionado con comportamiento inteligente, modelaje de usuarios y adaptación.. Los Principios de diseño son: •. Versatilidad, se da con el uso de OSGi. •. Soporte de inteligencia avanzada, se aproximan a esto modelando formalmente el ambiente del hogar y definiendo mecanismos de razonamiento. •. Accesibilidad a aplicaciones externas a través de un API estándar bien definido. DOG está organizado en una arquitectura por capaz compuesta por cuatro anillos (Figura 13 ). 21.

(33) Figura 13. Arquitectura de DOG.. 3.1.1.1. Anillo 0: OSGI. OSGI tiene como objetivo es definir las especificaciones abiertas de software que permita diseñar plataformas compatibles que puedan proporcionar múltiples servicios. Fue pensado principalmente para su aplicación en redes domésticas y por ende en la Domótica. Incluye las librerías comunes y los paquetes necesarios para controlar y administrar las interacciones entre la plataforma OSGi y los otros paquetes DOG. Los Paquetes que hacen parte de este anillo son: Plataform Manager: Este paquete está encargado de que el sistema arranque correctamente y maneja el ciclo de vida de los paquetes de DOG. Este también maneja los errores con una estrategia de dos fases. Este paquete puede ser extendido con principios de computación autonómica para tener técnicas de recuperación de fallas más avanzadas. Configuration Registry: Ayuda a la configuración del sistema manteniendo y exportando los parámetros de configuración del sistema. Como por ejemplo la localización del archivo de ontología local. 3.1.1.2. Anillo 1. Contiene los paquetes que se encargan de proveer una interfaz para varias redes domóticas a las cuales DOG puede conectarse. Cada tecnología de red se maneja con un driver dedicado (driver de red) abstrayendo los protocolos específicos de red a uno común de más alto nivel.DOG ofrece un driver de red para cada tecnología diferente. Cada driver tiene una etapa de autoconfiguración que interactúa con el modelo de la casa para obtener 22.

(34) la lista de dispositivos y funcionalidades que debe manejar (en formato DogOnt). Cada driver tiene la información de bajo nivel necesaria como la dirección del dispositivo. Estos implementan los CommandExecutor para hacer consultas y ejecutar comandos de otros paquetes DOG. Por medio de estos también se propagan cambios de estado usando la interface stateListener. Los drivers desarrollados hasta el momento son Konnex, OpenWebNet y Simulator. 3.1.1.3. Anillo 2. Provee la infraestructura de ruteo para los mensajes que van desde los drivers de red hasta los paquetes DOG. En este anillo también está el núcleo de la inteligencia del sistema, la cual esta implementada en el paquete de modelo de casa. Message Dispatcher: Este es el encargado del ruteo del sistema entre dispositivos de la misma y de diferentes redes. Executor: Este primero valida los comandos recibidos. Estos mensajes son validados tanto sintáctica como semánticamente usando la ontología del modelo de la casa. Después de la validación los mensajes son enviados al MessageDispatcher para su envió final. En un futuro buscan que sea usado para implementaciones basadas en reglas. Status: este paquete guarda el estado de todos los dispositivos asociados al sistema escuchando las notificaciones de los drivers. Este filtro ayuda a disminuir el tráfico filtrando los comandos innecesarios. HouseModel: el modelo de casa es el centro de inteligencia de la plataforma DOG. Se basa en un modelo formal de la casa de definido por una instancia de la ontología DogOnt. El modelo de la casa se carga de la ontología y proporciona interfaces externas para consultar el contenido de la ontología. 3.1.1.4. Anillo 3. Un conjunto de servicios prestados por DOG son expuestos a aplicaciones externas basadas en OSGi mediante el paquete API. Cuatro funciones principales son proporcionadas de acuerdo al ApiConnector: GetConfiguration: La capacidad de solicitar la configuración de la casa, incluyendo los estados posibles y comandos de cada dispositivo administrado por DOG.. 23.

(35) SetCommand: La capacidad de enviar uno o múltiples comandos a los dispositivos administrados por DOG, con independencia de la red a la que están conectados. SetListener: Da la posibilidad de registrar una aplicación como event Listener, lo que permite la interacción basada en eventos con IDEs. GetDeviceStatus: Da la posibilidad de comprobar directamente el estado de los dispositivos de la casa.. 3.2 DomoNet DomoNet (13) (14)consta de una red de conexión de “gateways” llamados TechManagers, TM (una para cada middleware que queremos interconectar) y Servicios Web, cada uno de manipulación de una tipología de dispositivo diferente. La Figura 14 muestra un ejemplo de una red doméstica que conecta cuatro subredes domóticas (cada subred representa una tecnología domótica en particular, como UPnP, Jini, Konnex y X10) a algunos servicios web (manejo de dispositivos de iluminación, relojes y alarmas) mediante el uso de las cuatro memorias de traducción.. Figura 14. Red doméstica que usa Domonet (13).. 3.2.1. TechManagers. Los TM son aplicaciones que se instalan en los PC’s conectados a la vez a un middleware de domótica y la red de DomoNet. En términos generales, un TechManager tiene que traducir los comandos entre el protocolo utilizado en la domótica y el middleware que se usa en DomoNet, tiene que registrarse para los Servicios Web disponibles y publicar el estado actual de la red del middleware en DomoNet. Un TM puede ser implementado en el lenguaje y plataforma de programación preferida, pero contiene, al menos, estos tres elementos (Figura 15): (1) el TechServer, un 24.

(36) servidor TCP al cual se pueden conectar DeviceWS, después de haber registrado el TM, y enviar comandos generados en otros middlewares participantes en DomoNet, un (2) DeviceController capaz de controlar los dispositivos en el middleware utilizando el protocolo específico, y (3) un traductor entre el protocolo del middleware y el utilizado en DomoNet.. Figura 15. Vista de arquitectura de un TechManager en DomoNet (13).. En la Figura 15, se puede ver la estructura general de un TM y los llamados dispositivos reales y dispositivos virtuales. Los primeros son la representación de software de los dispositivos disponibles en el middleware de domótica conectada al TM. Los últimos son los objetos del software que representan dispositivos que pertenecen a otras tecnologías, es decir, otros middlewares registrados en DomoNet. Los clientes en el middleware ven los dispositivos virtuales como aparatos normales que pueden ser controlados mediante el protocolo específico de la subred. Los comandos hacia estos dispositivos serán interceptados por el controlador del dispositivo, traducido al protocolo usado en DomoNet (DomoML) y enviado al DeviceWS.. 3.2.2. DeviceWS. Los DeviceWS son servicios web disponibles en la red DomoNet, cada uno manejando una tipología de tecnología diferente. La tarea principal de un DeviceWS es el enrutamiento correcto de mensajes entre TMs utilizando una tabla que contiene pares de direcciones: una DomoNETAddress, asignada a cada dispositivo conectado a DomoNet, y la dirección IP 25.

(37) del TechManager que maneja ese dispositivo en particular. Cada DeviceWS ofrece una interfaz web estándar, compuesta por los métodos: registerTech, unregisterTech (llamada por TechManagers para (des-) registro de su presencia en DomoNet), addDevice, removeDevice (llamado para modificar la topología de la red de dispositivo), execute (el principal método llamado para controlar dispositivos compartidos por otros middlewares). 3.2.3. DomoML. Mediante el uso de XML y esquemas han definido un estándar que hace posible describir tipos de datos, mensajes, productos y sus servicios. Utilizan este lenguaje, llamado DomoML (14), en las comunicaciones entre las TMs y DeviceWS.. 3.3 Comparación entre DOG y DomoNet A continuación se muestra una comparación de los siguientes aspectos (Tabla 4. Comparación de DOG y DomoNet.): 1. Interoperabilidad: Se refiere a la posibilidad de interconexión con diferentes redes domóticas, traducción y envío de mensajes entre diferentes redes domóticas. 2. Modelaje: posibilidad de describir los dispositivos (sus estados y funcionalidades) con modelos abstractos 3. Escenarios complejos: posibilidad para definir y operar escenarios que incluyen componentes de diferentes redes. 4. Inteligencia offline: posibilidad de detectar malas configuraciones, problemas estructurales y de seguridad. 5. Inteligencia online: posibilidad para hacer cambios en tiempo de ejecución como ahorro de energía y prevención de incendios. 6. Adaptación: aprendizaje de patrones de interacción frecuentes para ayudar al usuario con las actividades de todos los días. 7. Inteligencia basada en contexto: comportamiento proactivo guiado por el estado y contexto actual. 8. Escalabilidad: que consiste en la posibilidad de tener muchos sensores y actuadores (más de 256 como los sistemas comunes de domótica). 9. Costo: El precio total del sistema. 10. Manejo de perfiles: el sistema es sensible al tipo de perfil del usuario y reacciona diferente a cada uno.. 26.

(38) Tabla 4. Comparación de DOG y DomoNet.. 27.

(39) 4. Aplicaciones integrales En el área comercial hay empresas que ofrecen sistemas que tratan de abarcar los temas. referentes al hardware (red, sensores y actuadores) así como al software (sistema de interacción a través de PC). Entre estos los más importantes son:. 4.1 My Home de Bticino MyHome es un sistema de automatización que tiene una interfaz táctil que brinda comodidad, seguridad, ahorro de energía y control local o remoto. Permite la automatización del sistema de iluminación, supervisar el sistema de seguridad y abrir y cerrar cortinas. También se puede controlar la música, controlar la temperatura, crear ambientes y monitorear remotamente la casa. Las funciones desarrolladas para el sistema My Home son controladas por dispositivos que se activan de la misma manera que los aparatos tradicionales. El sistema puede extenderse o modificarse después de ser instalado sin intervenir el cableado o la infraestructura eléctrica.. 4.2 Honeywell home network Este es un sistema que al igual que los demás busca proporcionar comodidad por medio del control de la temperatura, iluminación, gas, electrodomésticos, cortinas y puertas. Permite acceso al sistema a través de internet, WAP, PC y teléfono. El sistema centraliza todos los controladores para dar una mayor facilidad de uso (Figura 16).. 28.

(40) Figura 16. Arquitectura de Honeywell Home Net. (15). 29.

(41) 5. Propuesta de una Arquitectura Domótica integrada A continuación se muestra el diseño de una arquitectura para una aplicación domótica. principalmente para el hogar, pero que también puede usarse en ambientes industriales. Esta aplicación tiene varios actores, el primero de ellos es el instalador y configurador del sistema el cual deberá instalar el cableado, el controlador del sistema, los nodos sensores y actuadores. Otro actor del sistema es el usuario final. Para este usuario la mayoría del sistema es transparente exceptuando los dispositivos de interfaz con el sistema (por ejemplo, celulares, PDA’s, etc.) y los actuadores (luces, motores, alarmas, etc) los cuales hará funcionar al dar comandos al controlador del sistemas a través de un dispositivo de interfaz. El último actor es el administrador del sistema, el cual accede remotamente al sistema ejecutando funciones de alto nivel basándose en información recibida de este. La arquitectura diseñada para el sistema se hizo con fines de escalabilidad (Figura 17). Esta arquitectura se desarrolla basándose en el amplio entendimiento del marco teórico y en el estado del arte descrito anteriormente con el fin de hacer una propuesta que haga un aporte valioso al área teniendo muy en cuenta el concepto de ambiente domótico.. Figura 17. Arquitectura domótica integrada propuesta.. 30.

(42) 5.1 Controlador del Sistema Domótico Este es el elemento de más alto nivel de la aplicación y es en el cual se van a llevar a cabo las tareas más inteligentes y de mayor necesidad de procesamiento. Entre sus tareas de bajo nivel, está la de actuar como puente entre el dispositivo de interfaz y el controlador de red. Llevando así los comandos que envía el dispositivo de interfaz al controlador de red y viceversa. Este controlador ofrece servicios para los 3 tipos de actores del sistema: instalador, usuario final y administrador. 5.1.1. Servicios para el instalador. Para el instalador es muy importante hacer una fácil configuración del sistema. Lo más deseable es que el sistema sea auto-configurable, pero también es deseable poder hacer una configuración manual en algunos casos, dándole así más flexibilidad al instalador. Se espera poder hacer de esta etapa de configuración algo muy sencillo de usar para poder llegar al punto en que el usuario final pueda hacerla sin ayuda de nadie. También es importante que en el momento de la instalación se pueda hacer un chequeo de todo el sistema para verificar que todo esté funcionando como es debido. 5.1.2. Servicios para el usuario final. Los servicios que se le dan a este actor son los de comandos. El usuario debe poder dar comandos sobre cualquier dispositivo del sistema o sobre algún grupo de dispositivo del sistema. Se brindara un servicio para la comunicación con el administrador del sistema, mejorando así un proceso muy importante en esta área. También se prestaran servicios remotos para que el usuario pueda controlar el sistema cuando no esté en su hogar o en la empresa. Un servicio de seguridad muy importante es el de bloquear las salidas de gas cuando no se vayan a usar o el de quitarle el poder a las tomas eléctricas que no lo necesiten. 5.1.3. Servicios para el administrador. Estos van a ser un grupo de servicios remotos entre los cuales están el de supervisión del sistema. El controlador del sistema al detectar una falla del sistema y al no poder solucionarla la reporta a un servidor central. El administrador encargado del servidor 31.

(43) central al recibir esta información la envía a un usuario instalador para seguir un procedimiento de mantenimiento en la instalación del usuario final para revisar y reparar el problema detectado. También está el servicio de comunicación con el usuario final. Se busca prestar servicios de seguridad como por ejemplo que en el momento que el usuario presione un botón de emergencia se envié un mensaje al servidor central y haga que se llame a la policía. O como el de monitoreo remoto por medio de cámara. Otro servicio sería el de llamar a los bomberos en el momento en el que haya una detección de humo.. 5.2 Red de Sensores y Actuadores Esta red puede ser implementada de muchas maneras. Como se vio anteriormente hay una gran cantidad de protocolos usados en domótica y no es fácil escoger cual es el que mejor satisface los requerimientos de este proyecto. La selección de la tecnología que usara esta red, se basa en la comparación que se muestra a continuación:. 5.3 Protocolo y medio de trasmisión utilizado Las implementaciones de redes en domóticas mas usadas son Profibus, Modbus, X10, OpenWebNet, KNX, y LonWorks. Estas en general tienen las siguientes desventajas: 1. Su costo es bastante elevado 2. Chips dedicados tipo modem deben ser usados, disparando el costo general del nodo de red. 3. Los protocolos de red puede ser complicados, y a menudo requieren microcontroladores más caros. 4. La red puede emitir ruido electromagnético en un amplio rango de frecuencias, lo cual puede causar problemas de compatibilidad electromagnética y por lo tanto se aumenta el costo para disminuir el ruido o sus efectos. 5. Ninguno ofrece control de dispositivos a nivel de estación.. Teniendo en cuenta los análisis comparativos de protocolos de comunicación (sección 2.2), en la arquitectura propuesta se considera una red de sensores/actuadores con las siguientes ventajas: 1. Las señales deben estar seguras ante el ruido electromagnético.. 32.

(44) 2. Los nodos y el host no usan chips para líneas o módems dedicados o propietarios, disminuyendo el costo de la red de sensores considerablemente. 3. La red ofrece control de dispositivos a nivel de estación, mejorando escalabilidad y flexibilidad. 4. Cualquier PSoC puede ser usado como un nodo de control en la red, lo cual aumenta la flexibilidad de diseño. 5. Fácil instalación, si es cableado que sea fácil de ramificar desde cualquier punto.. La estructura del protocolo definido es la siguiente:. Mensaje SOLICITUD | RESPUESTA SOLICITUD HOST_NODO_PIN_COMANDO_FIN RESPUESTA 1_VALOR_FIN HOST [numero] NODO [numero] PIN [numero] COMANDO [numero] VALOR [numero] FIN [*] SOLICITUD: Mensaje que envía el controlador de red hacia los nodos. RESPUESTA: Mensaje que se envía desde un nodo hacia el controlador de red. HOST: Es el valor numérico del identificador del host que tiene dentro de sus nodos el nodo hacia el cual va el comando. NODO: Es el valor numérico del identificador del nodo en el cual está el dispositivo que va a ejecutar el comando. PIN: Es valor numérico del pin del PSoC, en el cual esta conectado el dispositivo que va a ejecutar el comando. COMANDO: Es valor numérico del comando que se va a ejecutar sobre el dispositivo, ya sea un sensor o un actuador. VALOR: Es un numero que indica algún valor solicitado o si una acción se llevo o no a cabo correctamente. 33.

(45) FIN: Carácter que indica el fin de mensaje. Un caso especial es el de broadcast, que es cuando se desea enviar un mensaje a todos los nodos. Para enviar una solicitud de este tipo, el valor de HOST y de NODO es 0. El medio de trasmisión escogido teniendo en cuenta la comparación de medios de trasmisión hecha en Tabla 2 se ha escogido el par trenzado, ya que su velocidad de trasmisión permite tener un sistema veloz y eficaz y porque para el caso de una casa común la distancia máxima la definen los puntos más separados . Esta red consta de varias subredes maestro-esclavo. En cada subred hay un host y una cantidad necesaria de nodos esclavos. La topología de red es de bus común, es decir que los datos se envían y reciben por la misma línea de trasmisión, lo cual permite el uso de par trenzado como medio de transmisión. Cada uno de los componentes de la red se describe a continuación. 5.3.1. Host:. El host soporta el protocolo en la capa de enlace y controla los parámetros de la capa física. Este también ayuda al intercambio de datos entre los nodos y el controlador de red. Cada host estará conectado a una red multipunto, esperando recibir los mensajes del controlador de red, procesarlos y luego enviarlos al nodo correspondiente. Su lógica de funcionamiento esta descrita por la máquina de estados que se muestra en la Figura 18.. Figura 18. Máquina de estados del host.. 34.

(46) 5.3.2. Nodos:. Los nodos ejecutan funciones específicas y van a ser el gran diferenciador de este proyecto. En las referencias investigadas vemos que cada vez que se quiere agregar un sensor o un actuador al sistema se debe agregar un nodo al sistema. Un aporte importante de este proyecto es que los nodos mane manejen jen varios sensores y varios actuadores (Figura 19), aproximadamente 10 sensores y 10 actuadores, de manera que la extensión de sensores y/o actuadores se hace a través de un nodo existente existente,, de manera que solo se necesita la conexión física al nodo y que se reconfigure de maneraa sencilla en el sistema de información. Por ejemplo en el caso de los sensores se busca la posibilidad de usar sensores genéricos, configurando así los parámetros de su curva característica de calibración suponiendo que es lineal ineal o que ha sido linealizado.. Figura 19. Estructura del nodo inteligente.. Al igual que el host, el nodo también implementa una máquina de estados (Figura 20). Esta máquina es mucho más sencilla, pero las tareas que elabora en cada estado son más complejas.. 35.

(47) Figura 20. Máquina de estados del nodo. 5.3.3. Controlador de red:. El controlador de red permite conectar múltiples hosts y controla los recursos de la red. El controlador de red puede ser un PC o algún dispositivo con capacidad de IO. En el primer prototipo desarrollado se cuenta con un único un host y el controlador de red se implementó en el PC, pero en un prototipo más elaborado el controlador de red se puede implementar en un microcontrolador. Este se encarga de recibir las peticiones que haga el controlador de la aplicación, enviarlas al host correspondiente y recibir los datos que envíen los nodos.. 5.4 Dispositivo de interfaz El dispositivo de interfaz puede ser un PC o un dispositivo móvil con capacidad de navegación en internet. Se tomó esta decisión ya que en el mercado hay bastantes soluciones comerciales que ofrecen interfaz con pantallas táctiles no-móviles y móviles, pero su costo es bastante elevado. Hoy en día existe una gran cantidad de dispositivos móviles de interfaz táctil con browser fabricados en masa, lo cual hacen que su costo sea suficientemente bajo para ser adquiridos por un gran número de personas. Lo anterior nos permite cumplir los objetivos de tener una interfaz más natural para el usuario y generar un sistema de bajo costo.. 5.5 Interfaz Humano Sistema Informático A continuación se presentan varias de las innovaciones de este proyecto a nivel de interfaz y facilidad de uso. 36.