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CAPITULO II MARCO TEÓRICO

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CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

El marco teórico en el que se basa esta investigación, se enmarcan las definiciones y conceptos más relevantes sobre esta temática, los cuales proporcionaran una idea más clara de la misma. De igual forma, se presentan una serie de antecedentes, los cuales brindan una base científica a esta investigación.

Por último, se presenta el sistema de variables donde se exponen ampliamente los puntos clave de este proyecto, los cuales ofrecen una idea más amplia y concreta sobre el tema tratado.

1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Todo proyecto de investigación lleva consigo una serie de fundamentos teóricos, que sirven para constatar la información estudiada. De igual manera, observando trabajos que antecedan a esta temática se podrán comparar los resultados de las investigaciones, además de observar los avances que estos proyectos refieren a la sociedad científica.

González, Jaimes y Restrepo (2011) realizaron un proyecto que llevo por título “Sistema de control de dispositivos electrónicos para uso residencial

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manejado por comandos de voz”. El objetivo de esta investigación fue desarrollar un sistema de control de dispositivos electrónicos para uso residencial.

Para el desarrollo de este proyecto se basaron en una investigación de tipo aplicada, descriptiva y de campo. La metodología aplicada fue la planteada por Savant (2000) y Fitzgerald (2002), creando así un híbrido entre ellas con la finalidad de adaptarlas a la investigación, resultando así (7) etapas. Siendo las fases resultantes definir el problema, comprender de manera general el sistema existente, definir los requerimientos del sistema propuesto para formar una imagen global del sistema, con los requerimientos definidos en la fase anterior, diseñar el sistema propuesto de comunicación de datos, construir un prototipo y finalice el diseño.

Además de lo anterior, fue utilizado como instrumento de recolección de datos la observación directa, para conocer las necesidades de los usuarios en cuanto a la automatización de procesos residenciales se refiera. De igual modo, para la creación de este proyecto fue utilizado el VRbot, el cual es un módulo de reconocimiento de voz de fácil manejo, buena tecnología y relativamente económico en comparación con otros.

El resultado de esta investigación fue un prototipo creado capaz de manejar ciertos dispositivos electrónicos en el hogar, a través de comandos de voz, facilitando así algunas funciones tales como el encendido o apagado de luces. Concluyendo que el prototipo es factible, debido a que posee

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mejores ventajas que los sistemas existentes ofreciendo así una mejor alternativa al momento de adquirirlo.

En cuanto a su aporte para esta investigación, se resalta la importancia del público en general de automatizar los procesos cotidianos para facilitar la vida diaria, cambiando los sistemas manuales por sistemas automatizados y de fácil manejo. Asimismo, el aporte científico de algunos autores importantes relacionados con esta temática.

Otra propuesta fue la de Martínez, W. Medina, A. Moncada K. (2006), la cual llevo por título “Interfaz bluetooth para el control de sistemas de seguridad electrónico a través de dispositivos portátiles”. La cual tuvo como objetivo elaborar una interfaz bluetooth para el control de sistemas de seguridad electrónicos a través de dispositivos portátiles.

Asimismo, ellos se basaron en una investigación de tipo factible, descriptiva, de campo y documental. La metodología utilizada estuvo orientada por Savant (1991) en su libro diseño electrónico estructurada en cinco (5) fases: definir el problema, subdividir el problema, crear la documentación, construir el prototipo, finalización del diseño.

Por otra parte, se diseñó una guía de observación y un cuestionario a expertos, el cual constó de (11) preguntas para recabar la información necesaria para llevar a cabo el proceso de investigación. Además, utilizaron los lenguajes de programación J2ME Wireless Toolkit, Carbide.j 1.0, Nokia Connectivity Framework 1.2 y MPLAB IDE v. 7.40.

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En este proyecto se observó que efectivamente se comunica de manera satisfactoria el sistema de seguridad DSC power series 432 con el dispositivo portátil seleccionado. Finalmente, se elaboró el diseño de la interfaz bluetooth compuesto por un microcontrolador PIC 16F877 en conjunto con un grupo de swiches CMOS de estado sólido 4066 y un circuito integrado MAX232. Se concluyó que este proyecto es factible ya que transmite datos a través de la interfaz bluetooth de forma óptima y eficaz. Se recomienda la tecnología bluetooth como medio de comunicación inalámbrico entre dos sistemas ya existentes con la objeción de seguir las especificaciones para obtener buenos resultados.

En cuanto al aporte obtenido, se observa la utilización de un sistema de comunicación como controlador de dispositivos. Brindando además un aporte teórico importante dentro de los autores en cuanto al área de telecomunicaciones e interfaces inalámbricas.

Llevando este mismo orden de ideas, se encuentra el trabajo de grado realizado por Hernández, I. Rojas, R. y Sulbarán, J. (2007) llamado “Control de Vuelo para un Helicóptero a través de Radiofrecuencia”; que tuvo como objetivo diseñar un control de vuelo para un helicóptero operado a través de radio frecuencia.

Esta investigación se clasificó como descriptiva, aplicada y documental.

Siendo aplicada la metodología de OGATA (1998), la cual comprende las siguientes fases: análisis del comportamiento y criterios de desempeño del

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sistema, obtención de los parámetros del sistema, desarrollo de un modelo matemático, diseño del Controlador (PI Óptimo), simulación y pruebas.

De esta forma, fue utilizado para la recolección de los datos la observación directa, a las entrevistas semiestructuradas y a la recolección de información documentada; además, fue utilizado el software Simulink de Matlab para simular la investigación según los datos recolectados.

Los resultados obtenidos en el desarrollo de la investigación se estudiaron en base a las pruebas dadas por la herramienta de software utilizado; en la cual se observo la estabilidad inmediata del helicóptero por medio de la acción del controlador PI Optimo, rechazando cualquier perturbación en 0.9 segundos, cumpliéndose así las teorías que sustentan esta investigación y cumpliendo con el objetivo planteado para el desarrollo de la misma.

Siguiendo el mismo orden de ideas, este trabajo sustenta lo planteado en la justificación de este proyecto. Se observó que mediante la utilización de las radiofrecuencias de los sistemas de comunicación, se obtienen resultados favorables en el control remoto de dispositivos mecánicos, dando así otra solución para la automatización de los procesos.

2. BASES TEORICAS

Los sistemas de telecomunicaciones ocupan un lugar importante dentro de los avances tecnológicos de la sociedad, debido a la gran relevancia que ha tenido en las últimas décadas. Sin embargo, aunque la tecnología avanza

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y se rediseña diariamente, los conceptos y definiciones en los que se basan siguen aplicándose.

A continuación, se muestran los fundamentos básicos en los que se basan esta investigación, así como también se definen algunos conceptos nuevos que se implementan en este proyecto.

2.1. DEFINICION DE SISTEMA

Para los diferentes procesos de las telecomunicaciones es necesaria la intervención de diversos sistemas, como es el caso de sistemas de transmisión o sistemas de almacenamiento e interpretación de señales, es por esto que se debe partir de la definición básica de lo que es un sistema.

Según Latorre Estrada, E (1996, P. 52)

La noción fundamental de un sistema consiste simplemente en que es una totalidad que convierte al todo en algo diferente de las partes individuales consideradas por separado y en algo más que ellas. En general un sistema es una totalidad conformada por elementos interrelacionados que persigue algún objetivo identificable o finalidad. Esta entidad puede ser concreta o abstracta, natural o artificial y pose una cierta dinámica real o imaginada un objetivo o finalidad y está inmersa dentro de una totalidad mayor o entorno (varios autores).

De lo anterior se puede definir un sistema como un conjunto de elementos interrelacionados por diferentes medios en los cuales pueden tener distintas funciones u operaciones trabajando para lograr un objetivo o final común,

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siendo esto último resultado tan importante como la estructura del sistema.

Entre los diversos sistemas que pueden existir es importante para esta investigación el resaltar y describir los siguientes:

Los sistemas de iluminación, los cuales cumplen con una gran diversidad de funciones que van desde el entretenimiento que ofrece un espectáculo de luces, hasta la ambientación los espacios e instalaciones de todo tipo que requieren niveles de luminosidad adecuados a las tareas que se realizan en dichos espacios.

De manera similar los sistemas de aires acondicionados son importantes reguladores de temperatura, la cual juega un papel determinante en el funcionamiento de ciertos equipos electrónicos, manteniéndolos en su temperatura ideal de operación y evitando posibles sobrecalentamientos que podrían averiarlos o reducir su vida útil de manera significativa. Claro está que los equipos electrónicos no son los únicos que prefieren condiciones ambientales frescas para trabajar, es común en el uso de los sistemas de A/A para mantener una temperatura agradable en los espacios para el desarrollo de actividades humanas (estudio, entretenimiento, trabajo, entre otros).

2.2. SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE DATOS

No es posible explicar en qué consiste la transmisión de datos sin antes describir que son los datos, para aclarar este punto se toma una definición de datos según Gil Flores J, (1994, p. 32) “la mayoría de los autores asumen

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que el investigador desempeña un papel activo respecto de los datos: el dato es el resultado de un proceso de elaboración”. En síntesis es común referirse al mensaje o la notación que contiene la información de un proceso como dato.

En términos de telecomunicaciones, un sistema de transmisión es un conjunto de elementos interconectados que se utiliza para transmitir una señal de un lugar a otro. La señal transmitida puede ser eléctrica, óptica o de radiofrecuencia. Por su parte Couch, W (2008) expresa: “Los sistemas de comunicación están diseñados para transmitir información que contiene formas de onda. Existen muchas posibilidades de seleccionar formas de onda para presentar la información” según esto se puede resaltar que el objetivo de un sistema de transmisión en general es transferir información entre un emisor y un receptor mediante el uso de formas de ondas.

.2.2.1.COMPONENTES

Todo sistema está compuesto por dos o más elementos, lo mismo se aplica para los sistemas de transmisión; "independientemente de cuál sea la aplicación en particular, todos los sistemas de comunicación involucran tres subsistemas principales: el transmisor, el canal y el receptor" Couch, W (2008).

FIGURA 1. Un sistema de Comunicación. Fuente: Couch, W (2008).

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2.3. INTERFAZ

En la vida diaria muchos de los elementos usados comúnmente funcionan mediante interfaces que permiten la interpretación de comandos, ordenes o peticiones de información, entre los casos más comunes están los controles remotos, las interfaces graficas de los teléfonos o pantallas táctiles, que facilitan la interacción entre el hombre y los artefactos electrónicos, los cuales se manejan en un lenguaje analógico o digital muy distinto al humano.

Tomando una definición de Bonsiepe (1998, p. 17) quien define una interfaz de la siguiente manera "la interfaz no es un objeto, es un espacio en el cual recae la interacción entre el cuerpo humano, la herramienta y el objeto de acción".

Por otra parte Iglesias Mouteira, R. (2004, p. 52) Editorial expresa: “una interfaz nos permite definir cómo se relacionan los componentes de un sistema, es decir, qué ofrecen a los otros componentes para que puedan comunicarse con ellos”. En conclusión se puede definir una interfaz como la conexión entre dos o más elementos y esta puede realizarse de manera directa o remota, permitiendo la interacción entre distintos medios.

2.4. TELEMANDO

Un telemando puede definirse de forma sencilla como un mando a distancia, es decir, es un sistema que permite transmitir señales desde un lugar hasta otro punto remoto con el fin de controlar o manipular otro dispositivo, que por razones de seguridad, comodidad y eficiencia. El control

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de la alarma de un carro, de un portón eléctrico, equipo de televisión o del DVD son todos ejemplos de distintos dispositivos de telemando con diferentes funciones, pero que se basan en un mismo principio de controlar los elementos desde un punto distante.

Es importante describir en líneas generales el funcionamiento de un telemando, para lograr controlar un dispositivo de manera remota es necesaria la transmisión de información desde el objeto de control hasta el objeto que desea ser manipulado, por lo cual la secuencia de acción será la siguiente; Inicialmente el dispositivo de control capta una señal de entrada la cual transforma en una señal capaz de transportar la información de entrada a través de un medio con el fin de que esta llegue a su destino, también llamado receptor, el receptor toma la señal la decodifica (interpreta) y genera la respuesta deseada.

Debido a que la forma de transmitir la información desde el emisor hasta el receptor puede hacerse bien mediante el uso de cables o de manera inalámbrica, se han desarrollado muchas técnicas comunicación entre los dos elementos, tal es el caso de redes telefónicas, transmisión vía infrarrojo o bluetooth, señales de Radio Frecuencia (RF), entre otras posibles opciones.

Los medios inalámbricos presentan una ventaja con respecto a los cableados en cuanto a movilidad, accesibilidad y comodidad para el usuario de un telemando.

2.5. ZIGBEE

Actualmente existen diversos protocolos y técnicas de transmisión de

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información de forma inalámbricas que proporcionan grandes velocidades de transmisión, como son los casos de Wi-Fi o Bluetooth. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones de control domotico no es necesaria la alta tasa transferencia de información que brindan estas tecnología, sino que también consideran de gran importancia los parámetros de seguridad, confiabilidad, alcance, velocidad de respuesta y costo de producción.

Como respuesta a estas características la Zigbee Alliance trabaja sobre un protocolo de transmisión ideal para tales aplicaciones. Zigbee Alliance (2011) describe así las ventajas del protocolo Zigbee sobre otros sistemas similares:

Como estándar gestionado diseñado para ofrecer robustas características de seguridad, permitir muchos nodos, y soportar interoperabilidad e independencia de los distribuidores, Zigbee tiene muchos puntos a su favor. También incorpora características que permiten un rendimiento sobresaliente con un consumo de energía relativamente bajo. Por ejemplo, el soporte de comunicaciones multihop (multisalto) y la flexibilidad de direccionamiento permiten alargar las distancias de transmisión más allá del rango del estándar de radio IEEE802.15.4, sin tener que incrementarla potencia del transmisor.

Según lo antes exp uesto, se aprecia que Zigbee es conjunto de protocolos de comunicación que permite la transmisión de pequeña de tasa de datos, utilizando un bajo consumo de energía y proporcionando un envío de datos mayor a lo que su estándar de radio permite. Asimismo, se puede destacar que por su bajo consumo de energía, es una tecnología de bajo costo con respecto a los otros conjuntos de protocolos.

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2.6. ESTÁNDAR IEEE.802.15.4

IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN).

En 2007, la actual revisión del estándar se aprobó en2006. El grupo de trabajo IEEE 802.15 es el responsable de su desarrollo.

También es la base sobre la que se define la especificación de Zigbee, cuyo propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre.

El propósito del estándar es definir los niveles de red básicos para dar servicio a un tipo específico de red inalámbrica de área personal (WPAN) centrada en la habilitación de comunicación entre dispositivos ubicuos con bajo coste y velocidad (en contraste con esfuerzos más orientados directamente a los usuarios medios, como WiFi). Se enfatiza el bajo coste de comunicación con nodos cercanos y sin infraestructura o con muy poca, para favorecer aún más el bajo consumo.

En su forma básica se concibe un área de comunicación de 10 metros con una tasa de transferencia de 250 kbps. Se pueden realizar compromisos que favorezcan aproximaciones más radicales a los sistemas con requerimientos de consumo aún menores. Para ello se definen no uno, sino varios niveles

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físicos.

Se definieron inicialmente tasas alternativas de 20 y 40 kbps; la versión actual añade una tasa adicional de 100 kbps. Se pueden lograr tasas aún menores con la consiguiente reducción de consumo de energía. Como se ha indicado, la característica fundamental de 802.15.4 entre las WPAN's es la obtención de costes de fabricación excepcionalmente bajos por medio de la sencillez tecnológica, sin perjuicio de la generalidad o la adaptabilidad.

Entre los aspectos más importantes se encuentra la adecuación de su uso para tiempo real por medio de slots de tiempo garantizados, evitación de colisiones por CSMA/CA y soporte integrado a las comunicaciones seguras.

También se incluyen funciones de control del consumo de energía como calidad del enlace y detección de energía. Un dispositivo que implementa el 802.15.4 puede transmitir en una de tres posibles bandas de frecuencia.

2.6.1. ARQUITECTURA DE LOS PROTOCOLOS

Los dispositivos se relacionan entre sí a través de una red inalámbrica sencilla. La definición de los niveles se basa en el modelo OSI.

Aunque los niveles inferiores se definen en el estándar, se prevé la interacción con el resto de niveles, posiblemente por medio de un subnivel de control de enlace lógico basado en IEEE 802.2, que acceda a MAC a través de un subnivel de convergencia. La implementación puede basarse en dispositivos externos o integrarlo todo en dispositivos autónomos.

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El nivel físico (PHY) provee el servicio de transmisión de datos sobre el medio físico propiamente dicho, así como la interfaz con la entidad de gestión del nivel físico, por medio de la cual se puede acceder a todos los servicios de gestión del nivel y que mantiene una base de datos con información de redes de área personal relacionadas.

De esta forma, PHY controla el transceptor de radiofrecuencia y realiza la selección de canales junto con el control de consumo y de la señal. Opera en una de tres posibles bandas de frecuencia de uso no regulado: 868-868,8 MHz: Europa, permite un canal de comunicación (versión de 2003), extendido a tres en la revisión de 2006: que se extiende entre 902-928 MHz:

Norte América, hasta diez canales (2003) extendidos a treinta (2006) y valores entre los 2400-2483,5 MHz: uso en todo el mundo, hasta dieciséis canales (2003, 2006).

La versión original del estándar, de 2003, especifica dos niveles físicos basados en espectro ensanchado por secuencia directa (direct sequence spread spectrum, DSSS): uno en las bandas de 868/915 MHz con tasas de 20 y 40 kbps; y otra en la banda de 2450 MHz con hasta 250 kbps.

La revisión de 2006 incrementa las tasas de datos máximas de las bandas de 868/915 MHz, que permiten hasta 100 y 250 kbps. Aún más, define cuatro niveles físicos en base al método de modulación usado. Tres de ellas preservan el mecanismo por DSSS: las bandas de 868/915 MHz, que usan modulación en fase binaria o por cuadratura en offset (offset quadrature

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phase shift keying, ésta segunda opcional). En la banda de 2450 MHz se usa esta segunda técnica. Adicionalmente, se define una combinación opcional de modulación binaria y en amplitud para las bandas de menor frecuencia, basadas por lo tanto en una difusión de espectro paralela, no secuencial (PSSS). Si se usan éstas bandas de menor frecuencia, se puede cambiar dinámicamente el nivel físico usado de entre los soportados.

El control de acceso al medio (MAC) transmite tramas MAC usando para ello el canal físico. Además del servicio de datos, ofrece una interfaz de control y regula el acceso al canal físico y al balizado de la red. También controla la validación de las tramas y las asociaciones entre nodos, y garantiza slots de tiempo. Por último, ofrece puntos de enganche para servicios seguros. El estándar no define niveles superiores ni subcapas de interoperabilidad. Existen extensiones, como la especificación de Zigbee, que complementan al estándar en la propuesta de soluciones completas.

2.6.2. MODELO DE RED

El estándar define dos tipos de nodo en la red. El primero es el dispositivo de funcionalidad completa (full-function device, FFD). Puede funcionar como coordinador de una red de área personal (PAN) o como un nodo normal.

Implementa un modelo general de comunicación que le permite establecer un intercambio con cualquier otro dispositivo. Puede, además, encaminar mensajes, en cuyo caso se le denomina coordinador (coordinador de la PAN

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si es el responsable de toda la red y no sólo de su entorno).

Contrapuestos a éstos están los dispositivos de funcionalidad reducida (reduced-function device, RFD). Se plantean como dispositivos muy sencillos con recursos y necesidades de comunicación muy limitadas. Por ello, sólo pueden comunicarse con FFD's y nunca pueden ser coordinadores.

Las redes de nodos pueden construirse como redes punto a punto o en estrella. En cualquier caso, toda red necesita al menos un FFD que actúe como su coordinador. Las redes están compuestas por grupos de dispositivos separados por distancias suficientemente reducidas; cada dispositivo posee un identificador único de 64 bits, aunque si se dan ciertas condiciones de entorno en éste pueden utilizarse identificadores cortos de 16 bits. Probablemente éstos se utilizarán dentro del dominio de cada PAN separada.

Las redes punto a punto pueden formar patrones arbitrarios de conexionado, y su extensión está limitada únicamente por la distancia existente entre cada par de nodos. Forman la base de redes ad hoc auto organizativas. El estándar no define un nivel de red, por lo que no se soportan funciones de ruteo de forma directa, aunque si dicho nivel se añade pueden realizarse comunicaciones en varios saltos.

Pueden imponerse otras restricciones topológicas; en concreto, el estándar menciona el árbol de clusters como una estructura que aprovecha que los RFD's sólo pueden conectarse con un FFD al tiempo para formar

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redes en las que los RFD's son siempre hojas del árbol, y donde la mayoría de los nodos son FFD's. Puede relajarse la estructura para formar redes en alla genéricas, cuyos nodos sean árboles de clusters con un coordinador local para cada cluster, junto con un coordinador global.

También pueden formarse redes en estrella, en las que el coordinador va a ser siempre el nodo central. Una red así se forma cuando un FFD decide crear su PAN y se nombra a sí mismo coordinador, tras elegir un identificador de PAN único. Tras ello, otros dispositivos pueden unirse a una red totalmente independiente del resto de redes en estrella.

2.6.3. SEGURIDAD

En lo que respecta a seguridad en las comunicaciones, el subnivel MAC ofrece funcionalidades que los niveles superiores pueden utilizar para lograr alcanzar el nivel de seguridad deseado. Estos niveles pueden especificar claves simétricas para proteger los datos y restringir éstos a un grupo de dispositivos o a un enlace punto a punto.

Estos grupos se especifican en listas de control de acceso. Además, MAC realiza comprobaciones de frescura (freshness check) entre recepciones sucesivas para asegurar que las tramas viejas, cuyo contenido no se considera útil o válido ya, no trascienden a los niveles superiores.

Adicionalmente, existe un modo MAC inseguro que permite el uso de listas de control de acceso únicamente como mecanismo de decisión de

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aceptación de tramas en base a su (supuesto) origen.

2.6.4. UTILIDAD

Mientras que Bluetooth se usa para aplicaciones como los teléfonos móviles y la informática casera, la velocidad del Zigbee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como la Domótica, los productos dependientes de la batería, los sensores médicos, alarmas y en artículos de juguetería, en los cuales la transferencia de datos es menor.

3. SISTEMA DE VARIABLES

Las variables planteadas para esta investigación se definen conceptual y operacionalmente como se muestran a continuación:

3.1. DEFINICIÓN NOMINAL

INTERFAZ ZIGBEE

3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL

Bonsiepe (1998, p. 17) dice que "la interfaz no es un objeto, es un espacio en el cual recae la interacción entre el cuerpo humano, la herramienta y el objeto de acción"

A su vez Zigbee “Es una serie de protocolos apoyados en el estándar

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IEEE.802.15.4 -2003 para la comunicación entre dispositivos cercanos, es decir, el acceso al medio y el intercambio de mensajes por éste”, así lo define Caprile, S. (2009, p. 3)

3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL

La interfaz refiere al medio en el cual se relacionan e interactúan los sistemas de iluminación y aire acondicionado con el telemando implementado con tecnología Zigbee.

En cuanto a Zigbee, representa una herramienta de bajo consumo de energía pero de alto rendimiento, la cual indica ser la más adecuada para el diseño de una interfaz inalámbrica para el control de encendido y apagado de los sistemas de iluminación y aire acondicionado.

Referencias

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