Sistema de control de una casa inteligente

Texto completo

(1)

(2) INSTITUTO T E C N O L Ó G I C O Y D E ESTUDIOS SUPERIORES D E MONTERREY CAMPUS MONTERREY. P R O G R A M A D E GRADUADOS E N INGENIERÍA. SISTEMA D E C O N T R O L D E U N A C A S A INTELIGENTE. TESIS. PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN CIENCIAS ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA. R A Ú L CRESPO SAUCEDO. M A Y O DE 1994.

(3)

(4) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY. DIVISIÓN D E GRADUADOS E INVESTIGACIÓN P R O G R A M A D E GRADUADOS E N INGENIERÍA. Los miembros del comité de tesis recomendamos que la presente tesis del Ing. Raúl Crespo Saucedo sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado académico de Maestro en Ciencias especialidad en:. INGENIERÍA ELECTRÓNICA. Comité de tesis:. M.C Sergio Omar Martínez C. ASESOR. ,Ph.D. Graciano Dieck A. SINODAL. ,M.C. JuanHinojosaO. SINODAL. APROBADO. FedericoViramontesB. Director del Programa de Graduados en Ingeniería. Mayo de 1994.

(5)

(6) DEDICATORIA. L a presente T E S I S la dedico a:. D l O S , porque me ha dado las fuerzas, sabiduría y tranquilidad para actuar en momentos difíciles de mi vida.. Mis P A D R E S , el Sr. Heraclio Crespo Sejas y la Sra. Delia de Crespo, por el gran apoyo que siempre he recibido de ellos y que siempre creyeron en mí.. Mis H E R M A N O S David, Maribel y Lisandro por su amistad y cariño.. GRACIAS.. V.

(7)

(8) AGRADECIMIENTOS. Mis sinceros agradecimientos a todas aquellas personas que intervinieron en la elaboración de la presente Tesis:. •. A mi asesor, el Ing. Sergio Omar Martínez, por enseñarme a expresar gran parte de mi potencial interior desarrollando nuevas ideas.. •. A mis compañeros Asistentes de Docencia con los que compartí buenas horas de mi vida.. •. A mis grandes amigos, de los que siempre tuve palabras de aliento y entusiasmo: Danny, Sergio, Víctor, Toño, Juan.. •. A una amiga, simplemente maravillosa, con la que compartí momentos agradables y fue mi fuente de inspiración. Gracias Laura Contreras.. A todos ellos, M I L G R A C I A S .. vii.

(9)

(10) EXTRACTO. PROBLEMA A RESOLVER A medida que la tecnología va avanzando, la forma de vida de las personas va cambiando también. Los tiempos modernos hacen que tanto el hombre como la mujer tengan que trabajar. En países desarrollados como Estados Unidos y Japón, por ejemplo, las personas generalmente salen temprano de la casa al trabajo y no regresan hasta la noche. Nadie administra los recursos domésticos durante el día. Nadie prende las luces de la casa cuando empieza a anochecer, nadie regula el aire acondicionado a consumos bajos de energía cuando no hay nadie en casa. Si los ladrones penetran en la casa, nadie se percata del hecho. Todas estas situaciones, nos presentan el problema ¿Como hacerle para que estando fuera de casa se puedan controlar los sistemas de iluminación, los sistemas de seguridad, sistemas de aire acondicionado y otros automáticamente? E l tener sistemas aislados, un sistema de seguridad por ejemplo, solo permiten funciones limitadas. ¿Como hacerle para que el sistema de seguridad puede interactuar con los sistemas de iluminación o con el sistema de teléfono, en caso de que haya una intromisión a la casa, de tal forma que si se detecta presencia ajena las luces empiecen a parpadear o bien el sistema pueda hacer una llamada de emergencia al trabajo del dueño de la casa indicando emergencia? Además, ¿Cuál seria la mejor forma de monitorear presencia, temperatura interna, externa, etc, que sirvan como retroalimentación para decidir acciones dadas en eventos domésticos? Viendo los estándares que se están perfilando en la automatización de casas, ¿ cuál sería el m á s adecuado de acuerdo a costo, instalación y operación?. Para tener un control adecuado, ¿habrá que hacer modificaciones a estos sistemas?, en fin, estos son los problemas que se pretenden solucionar en esta Tesis.. OBJETIVOS Uno de los objetivos del proyecto de Tesis es proporcionar una visión del estado del arte de la automatización de casas, analizando los diferentes estándares que empiezan a tomar rienda del mercado señalando sus ventajas y desventajas, sus beneficios y usos. Se pretende visualizar las diferentes tecnologías y filosofías que toman efecto, asi como la elección de la más adecuada de acuerdo a necesidades de ahorro de energía, seguridad y comodidad. El segundo objetivo es llevar a la práctica la aplicación del estándar X - 1 0 en la automatización de una casa por ser viable en costo y por su facilidad de adquisición de los componentes en el mercado. Se pretende integrar los sistemas de seguridad, control de iluminación y aparatos eléctricos a través de un Controlador X - 1 0 con el fin de obtener beneficios en cuanto a seguridad, administración doméstica, administración de energía y conveniencia. También se discutirán algunas opciones de control como ser video y audio,. ix.

(11) aire acondicionado, calentadores de agua, control de regaderas, control de puertas de garaje, etc con el fin antes mencionado. El tercer objetivo involucra el diseño de módulos de control inteligentes compatibles X-10 que puedan comunicarse en dos vias para tener un control de lazo cerrado debido a que los módulos X-10 comerciales fueron diseñados para trabajar en lazo abierto.. JUSTIFICACIÓN E l presente proyecto se justifica por los siguientes puntos que se señalan a continuación: •. Necesidad de integración de los sistemas aislados (seguridad, aire acondicionado, iluminación, aparatos eléctricos, etc) por medio de un controlador central con el fin de dotar "inteligencia" a estos sistemas para tener un mejor desempeño de los mismos y sacarles un mejor provecho en cuanto a administración de recursos domésticos.. •. E l constante aumento en costo de la energía eléctrica, hace que empecemos a adoptar sistemas automatizados que nos ayuden en el ahorro de energía. ¿Qué pasaría si el aire acondicionado estaría apagado cuando se estuviera fuera y no se lo estuviera utilizando? ¿Qué pasaría cuando el calentador de agua solo calentara cuando realmente se necesitara? ¿Qué pasaría cuando la iluminación se apagara cada vez que uno abandonara un cuarto? Pues bien, para empezar, las cuentas por los servicios de agua y electricidad disminuirían. Sin mencionar, que la carga para el generador de estos servicios disminuiría. Esto nos ahorraría dinero, y quizás el dinero de otros si suficiente gente adoptara estos sistemas. Por ejemplo, en los Estados Unidos, las pruebas indican que algunos productos utilizados en la automatización de casas pueden ser pagados por ellos mismos después del primer mes de su utilización. Después de ese tiempo, lo demás es ahorro de dinero.. A C E R C A D E L A TESIS El trabajo se divide en tres partes: la primera, que abarca desde el capítulo 1 al 4, trata a grandes rasgos la teoría involucrada en la automatización de casas, la segunda que abarca del capítulo 5 al 10, tiene un enfoque práctico al aplicar el estándard X-10 en la automatización de una casa y la tercera que abarca del capítulo 11 al 14 tiene que ver con la teoría y diseño de módulos inteligentes X-10 para ser utilizados en control de lazo cerrado. E l capítulo 15 presenta las conclusiones del proyecto de tesis, los resultados y evaluaciones de los dispositivos diseñados. El capítulo 1 trata principalmente sobre los conceptos de automatización de casas, las diferentes configuraciones de automatización propuestas, beneficios y usos que se pueden lograr con ellas..

(12) E l capítulo 2 introduce los grupos y estándares más fuertes en el mercado de la automatización de casas, analizando ventajas y desventas de los mismos. El capitulo 3 muestra las dos filosofías que generalmente se adoptan en una automatización, se cuestionan sus pros y contras. El capítulo 4 pretende mostrar rápidamente las tecnologías que en general se están utilizando en una automatización de casas y como se integran a ella. El capitulo 5 empieza mostrando los componentes que un sistema automatizado debe tener, abarcando controladores, sensores e interfase. El capítulo 6 hace una descripción del funcionamiento y programación del Controlador HomeBase utilizado en el control de dispositivos en la casa. E l capitulo 7 versa sobre el sistema de seguridad y sus características, asi como los elementos que lo integran. E l capítulo 8 describe los dispositivos y módulos de control para la iluminación y aparatos eléctricos, asi como la forma de controlarlos. E l capitulo 9 describe opciones de control de ítems tales como aire acondicionado, sistemas de riego, calentadores de agua, puertas de garaje utilizando la tecnología X-10. E l capítulo 10 también describe opciones de control de los sistemas de audio y video y la utilización de cable coaxial y bajo voltaje para su comunicación. El capítulo 11 presenta los principios teóricos y manejo del TW523. E l capítulo 12 tiene que ver con el uso del circuito integrado PLIX-10. E l capítulo 13 describe el diseño de hardware y software de un módulo inteligente compatible X-10 para ser usado en lazo cerrado. E l capítulo 14 describe el diseño de hardware y software del controlador que maneja los módulos inteligentes del capítulo 13. El capítulo 15 nos presenta las conclusiones generales a las que se llegaron en la Tesis y la evaluación y resultados que se obtuvieron en el diseño de los dispositivos inteligentes.. xi.

(13)

(14) RESUMEN L a automatización de casas se refiere a sistemas o métodos donde los eventos pueden ser ejecutados o controlados sin pensamiento consciente. Estos eventos pueden ser: activar o desactivar aparatos eléctricos en tiempos programados, controlar la intensidad de iluminación y prenderlos o apagarlos automáticamente, tomar decisiones al violarse sistemas de seguridad (llamar automáticamente a la policía, activar alarmas sonoras, etc), controlar la temperatura del interior de la casa y muchas otras tareas que podrían ser adaptadas a las necesidades de cada persona. En el reciente mercado de la automatización de casas, se empiezan a perfilar varios grupos y estándares que proponen formas de controlar los dispositivos de la casa. Se tiene el grupo más grande, el X-10, que transmite y recibe señales a través de la línea de potencia de A C que ya está cableada en toda casa. Todo aparato que esté conectado a la línea de potencia puede ser controlado utilizando este medio. Hay otros grupos como el Smart House que propone cablear sus propios buses hogareños mediante cable coaxial para conectar a la misma los dispositivos a controlar. Otras presentan tecnologías de Radio frecuencia, Infrarrojo, fibras ópticas o una mezcla de ellas. Cada grupo o estándar tiene sus ventajas y desventajas, las cuales deben ser analizadas por el usuario para saber que tanta automatización le puede meter a su casa. Algunos sistemas son muy caros pero sofisticados, otros son más baratos pero más limitados. Después de hacer un estudio de factibilidad económica en un hogar promedio y de acuerdo a que tanta automatización realmente podría quererse, se escogió el sistema propuesto por X-10 para realizar una implementación en una casa estándar (mi casa). E l sistema controla la casa a través de un controlador inteligente programable a través de la computadora y es desactivada de la misma una vez programado para que funcione independientemente. E l controlador envía y recibe los comandos por medio de la linea de potencia. Los dispositivos controlados están conectados a módulos decodifícadores de señales X-10. Estos módulos pueden reemplazar los actuales toma-corrientes o switches estándares de una casa o bien ser enchufados a cualquier toma-corrientes. Debido a la configuración de lazo abierto del sistema X-10, se hizo el diseño de módulos X-10 inteligentes que puedan ser utilizados en configuración de lazo cerrado. Se utilizan los códigos propuestos en el protocolo X-10 para realizar esta tarea. Los módulos están basados en sistemas de microcontroladores.. xiii.

(15)

(16) Contenido página. DEDICATORIA.. v. AGRADECIMIENTOS.. vii. EXTRACTO.. ix. RESUMEN.. xiii. CONTENIDO.. xv. INTRODUCCION. I PARTE.. xix. TEORIA SOBRE AUTOMATIZACION DE CASAS.. 1. AUTOMATIZACION DE CASAS. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5. 2. Definición de Automatización de Casas. Configuraciones de Automatización de Residencias. Beneficios. Usos. Referencias Bibliográficas.. 2. GRUPOS Y ESTANDARES DE AUTOMATIZACION DE CASAS. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5. X-10. Smart House. CEBus. Echelon. Home Bus System. 2.5.1 Por qué Automatizar una Casa con HBS. 2.5.2 Características del HBS. 2.5.3 Sistema Home Bus propuesto. 2.5.4 Banda Base. 2.5.5 Broad-Banda (Sub-bandaybandaFM.TV). 2.5.6 Ejemplo de Aplicación del HBS. 2.5.7 Organismos y Empresas Participantes. 2.6 Ventajas y Desventajas de estos Estándares. 2.7 Referencias Bibliográficas.. 3. FILOSOFIAS DE AUTOMATIZACION D E CASAS. 3.1 3.2 3.3 3.4. 1. Inteligencia Centralizada. Inteligencia Distribuida. Inteligencia Centralizada vs. Inteligencia Distribuida. Referencias Bibliográficas.. 4. TECNOLOGIAS E N UNA AUTOMATIZACION DE CASAS. 4.1 Portadora de Línea de Potencio (Power Line Carrier).. xv. 3 4 10 11 13. 14 14 15 16 16 17 18 20 20 21 23 24 25 25 28. 30 30 30 31 34. 36 36.

(17) 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7. 4.1.1 Problemas de la Portadora de Línea de Potencia. 4.1.2 Principio teórico. Coaxial. Bajo Voltaje. Radio Frecuencia. Infrarrojo. Fibras Opticas. Referencias Bibliográficas.. II PARTE.. APLICACION DE L A TECNOLOGIA X-10 E N E L CONTROL DE UNA CASA INTELIGENTE.. 5. COMPONENTES DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DEL HOGAR. 5.1 5.2 5.3 5.4. Controladores. 5.1.1 Control por medio de una Computadora Personal. Núcleo del Sistema. Dispositivos Controlados. Referencias Bibliográficas.. 6. E L CONTROLADOR HomeBase. 6.1 6.2 6.3. 6.4. 6.5 6.6. 7.2 7.3. 7.4. 46 48 48 30 51 51 53. 54. Características del HomeBase. Sistema HomeBase. Especificaciones del HomeBase. 6.3.1 Panel Frontal. 6.3.2 Dispositivos Internos. 6.3.3 Especificaciones Eléctricas y Físicas. Software Event Manager. 6.4.1 Como funciona el Event Manager. 6.4.2 Base de Datos de Dispositivos. 6.4.3 Eventos. 6.4.3.1 Tipos de Eventos. 6.4.3.2 Tipos Lógicos. 6.4.3.3 Anidamiento. 6.4.4 Procesamiento de un Evento. Falla en la Energía Eléctrica. Referencias Bibliográficas.. 54 55 56 56 56 56 57 57 58 58 59 60 63 64 65 67. 7. SISTEMA DE SEGURIDAD DEL HOGAR. 7.1. 36 37 38 40 41 42 43 44. Componentes de un Sistema de Seguridad. 7.1.1 Sensores. 7.1.2 Controlador de Seguridad. 7.1.2.1 Niveles de Controladores de Seguridad. 7.1.3 Dispositivos de Alerta. Zonas de Seguridad. Equipo Utilizado en el Sistema de Seguridad. 7.3.1 Consola Discadora de Seguridad Supervisada. 7.3.1.1 Discador de Teléfonos de la Consola de Seguridad. 7.3.2 Integración del Sistema de Seguridad de la Casa. 7.3.2.1 Asignación de Zonas de Seguridad. 7.3.2.2 Sensores de Puertas/Ventanas. 7.3.2.3 Detectores de Movimiento Infrarrojo. 7.3.2.4 Otros Accesorios Compatibles con el Sistema de Seguridad. Referencias Bibliográficas.. xvi. 68 68 69 70 72 73 73 76 77 79 80 80 81 82 83 84.

(18) 8. CONTROL DE ILUMINACION Y APARATOS ELECTRICOS. 8.1 8.2 8.3. 8.4. 8.5. 8.6 8.7 8.8 8.9. Beneficios. Portes del Sistema. Tipo de Códigos de Identificación. 8.3.1 Código de Casa. 8.3.2 Código de Unidad. Módulos Utilizados en la Iluminación. 8.4.1 Módulo de Lámpara (Lamp Module). 8.4.2 Módulo de Swilch de Pared (Wall Switch Module). Módulos Utilizados en el Control de Aparatos Eléctricos. 8.5.1 Módulo de Aparato Eléctrico (Appliance Module). 8.5.2 Módulo de Toma-corriente de pared (Wall Outlet Module). Otros Módulos para el Control de Dispositivos Eléctricos. Dispositivos de Control de los Módulos. 8.7.1 Mini-controller. Interacción de los Conlroladores. Referencias Bibliográficas.. 9. SISTEMA DE CONTROL DEL MEDIO AMBIENTE. 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6. Ventajas. Sistema de Calentamiento y Aire Acondicionado. 9.2.1 Controles Electrónicos de HVAC. Calentadores de Agua. Sistemas de Riego. Control de lo Puerta del Garaje. Referencias Bibliográficas.. 10. CONTROL DE LOS SISTEMAS DE AUDIO Y VIDEO. 10.1 10.2. 10.3 10.4 10.5. Conceptos Previos. Sistema de Cable Coaxial. 10.2.1 Sistema Coaxial Dual. 10.2.2 Consideraciones en la Instalación de un Sistema Coaxial. 10.2.3 Configuración Estrella vs. Daisy Chain. Sistema de Bajo Voltaje. Control del Volumen de Bocinas usando X-10. Referencias Bibliográficas.. III PARTE.. DISEÑO DE DISPOSITIVOS DE CONTROL INTELIGENTES.. 11. MODULOS DE INTERFASE DE L A LINEA DE POTENCIA. 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5. 11.6 11.7. PL513/TW523 Power Line Interfaces. Transmisión de Códigos X-10 con el PL513/TW523. Recepción de Códigos X-10 con el TW523. Adiciones al Protocolo X-10. Entradas y Salidas Opto-ocopladas del PL513/TW523. 11.5.1 Salida de Referencia de 60 Hz Opto-acoplada (del PL513/TW523). 11.5.2 Entrada de la Señal Opto-acoplada (al PL513/TW523). 11.5.3 Salida de la Señal Opto-acoplada (del TW523). Diagrama a Bloques del TW523. Referencias Bibliográficas.. 12. CHIP PLIX-10. 12.1. 86 86 87 88 88 88 89 89 90 90 90 91 92 93 93 94 95. 96 96 97 97 99 101 103 108. 110 110 111 111 113 114 115 116 121. 122 124 124 125 128 129 130 131 131 131 132 135. 136. Descripción del Pinout del PLIX-10.. 136. xvii.

(19) 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6. Ciclo de Escritura al PLIX. 121.1 Sincronización del Ciclo de Escritura. Ciclo de Lectura del PLIX. Detección de Falla de la Línea de AC. Conexión al TW523. Referencias Bibliográficas.. 13. M O D U L O INTELIGENTE C O M P A T I B L E X-10. 13.1 13.2 13.3 13.4. 13.5 13.6. De Módulo Tonto a Módulo Inteligente. Características del Módulo Inteligente. Descripción del Módulo Inteligente. Diseño del Hardware. 13.4.1 Sistema Transmisor/Receptor de Códigos X-10. 13.4.2 Sistema de Control. 13.4.3 Sistema de Disparo. 13.4.4 Sistema de Detección de Status. 13.4.5 Sistema de Filtraje de Ruido y Supresión de Picos. Diseño del Software de Control. 13.5.1 Subrutinas de Lectura y Escritura. Referencias Bibliográficas.. 14. CONTROLADOR BI-DIRECCIONAL X-10. 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5. Características del Sistema. Descripción del Sistema. Hardware. Software. Referencias Bibliográficas.. 138 140 141 142 142 144. 146 146 147 149 150 150 152 153 154 155 155 160 161. 162 162 163 164 167 170. 15. CONCLUSIONES.. 172. APENDICE I. Codificación y Estructura de la señal X-10.. 176. APENDICE II. Ejemplos de Programas para el HomeBase.. 180. APENDICE III.. Referencia de Localización de Averías en una Automatización de Casas con X-10.. 186. APENDICE IV. Mercado de Controladores de Casas Compatible X-10.. 190. APENDICE V . Dispositivos X-10 en el Mercado.. 198. APENDICE VI. Codificación del Programa del Módulo Inteligente.. 208. APENDICE VII. Codificación del Programa del Controlador Bi-direccional. BIBLIOGRAFIA G E N E R A L .. 218 224. VITA.. 228. xviii.

(20) INTRODUCCIÓN. Desde pequeño siempre me han fascinado las películas de Ciencia Ficción, en la que se ven sistemas automáticos que controlan casi todo. Desde puertas electrónicas, manejo automático de naves espaciales, robots que hacen un sin-número de tareas, etc. Esta Ciencia Ficción cada vez se va convirtiendo más en realidad. L o que antes parecía increíble ahora se está haciendo normal, de uso cotidiano. Es así, que poco a poco podemos percatarnos que la automatización está entrando a nuestras casas. Cada vez, vamos comprando aparatos con características de mayor programación y con un surtido amplio de funciones. La Tesis que está en sus manos pretende presentarles un panorama del estado del arte de la automatización de casas. Existen varios estándares que seguramente alguno de ellos será de interés para el lector. Se exploran las características, ventajas y desventajas de las mismas. Es un buen inicio para aquellos que están interesados en la automatización de casas. Por otra parte, el trabajo descubre formas de automatizar algunos sistemas de la casa como por ejemplo la iluminación, el aire acondicionado, los sistemas de riego, utilizando uno de los estándares, el X - 1 0 , que debido a su facilidad de instalación y su permanencia en el mercado desde hace varios años ha adquirido un gran número de adeptos especialmente en los Estados Unidos. Con el fin de obtener mejores resultados en la automatización con X - 1 0 , en la Tesis se presenta el diseño de módulos inteligentes que son compatibles con aquellos comerciales. L a característica principal de los mismos es que pueden ser utilizados en control de lazo cerrado. De esta manera, se pueden adquirir datos como retroalimentación para llevar a cabo un mejor control de eventos domésticos. Como complemento, se insertan algunos apéndices que podrían ser de mucha utilidad al lector interesado en automatización con X - 1 0 . Se presentan varios productos comerciales, tanto módulos como controladores que son utilizados con este estándar. Esta Tesis está destinado a todos aquellos que estén interesados en la automatización de casas o edificios. Y espero que les sea de mucha utilidad.. xix.

(21)

(22) I. PARTE. TEORIA SOBRE AUTOMATIZACION DE CASAS.

(23) 1 AUTOMATIZACIÓN DE CASAS. ¿Puede visualizar una casa con varios monitores de televisión, varias computadoras personales, una central de control, sistemas de comunicación, sistemas de seguridad y su propia red de área local? ¿Se imagina una casa que obtiene su calor desde 400 pies bajo tierra, que tiene paredes y pisos que almacenan el calor radiante durante el día y lo liberan en la noche, con ventanas que permiten que entre más calor de la que escapa? Tales casas existen. Hoy en día, se puede cambiar una casa ordinaria a un juguete complejo para adultos que responda a su dueño en casi todo. Para hacerlo más que un simple cuarto, esto podría tomar algo de presupuesto. Esto es posible sin ser necesariamente un genio tecnológico, porque los productos y sistemas que pueden hacer que esto sea viable están disponibles comerciaimente, y lo más importante es que están disponibles cada vez más al alcance de nuestros bolsillos. En las casas High-Tech [1] de hoy en día, uno podría encontrar por ejemplo: •. Bañeras con teléfonos incorporados y paneles de control a prueba de agua para seleccionar un masaje de hombros o música estéreo.. •. Camas programables activadas por voz con sistemas de audio y video incorporados y una cámara de vidrio para una ducha, jacuzzi y sauna.. •. Aparatos de ejercicio computarizados que despliegan el desempeño actual del usuario y las calorías quemadas y las comparan con los desempeños pasados. Pero hoy en día, hay sistemas más usuales como:. •. Refrigeradores con auto-monitoreo, auto-diagnóstico y descongelamiento según la demanda. Lavaplatos programables que pueden ser programados para lavar platos tarde en la noche para tomar ventaja de la electricidad.. •. Monitoreo de la respiración y latidos del corazón de los bebés que activan alarmas si alguno de ellos tiene problemas.. •. Sistemas de videodisco interactivo que usan una computadora personal y un monitor para proveer acceso página por página a programación educacional.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 2.

(24) Capitulo 1. Automatización de Casas. Obviamente, esta alta tecnología no es para toda casa, pero representa una tendencia que está empezando a infiltrarse en las casas típicas de los países económicamente desarrollados.. 1.1 DEFINICION D E A U T O M A T I Z A C I O N D E CASAS Por definición, automatización se refiere a un sistema o método donde ¡os eventos. pueden ser ejecutados o controlados sin pensamiento consciente [2]. Las industrias comerciales han usado esta técnica por algún tiempo, creando productos superiores, más rápidos y más eficientes. L a automatización del hogar está diseñada para proveer de estos beneficios a una casa. La mayoría de nosotros ha tenido algo de automatización en nuestras casas por algún tiempo. E l termóstato prende el calentador o el aire acondicionado cuando la temperatura llega a un cierto punto. L a máquina constestadora de teléfono graba una llamada cuando estamos fuera. Los VCRs están programados para grabar un show de televisión mientras estamos fuera. Y el reloj despertador nos despierta en la mañana. Estas son algunas formas de automatización del hogar. Bueno, y luego ¿que más podemos hacer? Imagine regresando a la casa del trabajo tarde en la noche. Durante el trayecto hacia su hogar, llama a su casa por teléfono. Esta responde y le pregunta que le gustaría hacer. Usted toca un par de botones en su teléfono y el calentador se activa y empieza a calentar su casa. Un par de botones más, y su bañera se activa ajustándose a la temperatura que le agrada. Algunos botones más y la cena empieza a calentarse mientras la casa le hace oír las llamadas que tuvo en el día. Cuando va entrando el coche a su casa, las luces del porche se prenden. Presiona algunos botones y su sistema de seguridad se desarma. A medida que camina dentro de la casa, las luces se prenden en cada cuarto que usted ingresa. L a casa lo saluda y le pregunta por la orden de algún comando. Usted dice, "Música", y su sistema estéreo sintoniza su canción preferida del momento. Después de la cena, se dirige a su estudio donde el sistema de entretenimiento de la casa comienza a proyectar una película con sonido de alta fidelidad. Cuando ya tenga sueño y se dirija a la cama, usted dice, "Buenas Noches", y todas las luces dentro de la casa se apagan, la puerta del garaje se cierra, el termóstato se ajusta suavemente a una temperatura agradable y su sistema de seguridad se arma. Cuando el sistema estéreo lo despierta en la mañana con su música favorita, la bañera ya está lista y su café preparado. La mayoría de nosotros estamos enterados que esta es la realidad de alguna gente hoy en día. Vemos que mucha gente rica vive de esa manera pero la mayoría de nosotros debe esperar. Pues bien, el tiempo ha llegado, y no necesitamos esperar más. Con la tecnología disponible hoy en día, ahora podemos vivir como reyes. Los costos están dentro de nuestro presupuesto y, lo que necesitamos ahora es un poco de imaginación creativa.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 3.

(25) Capitulo 1. Automatización de Casas Aparte, el tener sistemas automatizados de este tipo, ayudan en el ahorro de energía [4]. ¿Qué pasaría si el aire acondicionado estaría apagado cuando se estuviera fuera y no se lo estuviera utilizando? ¿Qué pasaría cuando el calentador de agua solo calentara cuando realmente se necesitara? ¿Qué pasaría cuando la iluminación se apagara cada vez que uno abandonara un cuarto? Pues bien, para empezar, las cuentas por los servicios de agua y electricidad disminuirían. Sin mencionar, que la carga para el generador de estos servicios disminuiría. Esto nos ahorraría dinero, y quizás el dinero de otros si suficiente gente adoptara estos sistemas. Por ejemplo, en los Estados Unidos, las pruebas indican que algunos productos utilizados en la automatización de casas pueden ser pagados por ellos mismos después del primer mes de su utilización. Después de ese tiempo, lo demás es ahorro de dinero.. 1.2 CONFIGURACIONES D E A U T O M A T I Z A C I O N D E RESIDENCIAS Hay muchas formas de llevar a cabo una automatización y el naciente negocio en este ramo propone muchos conceptos que tienen ventajas y desventajas. Dentro de la industria de la automatización, las expectativas se reducen a dos preguntas: ¿Cómo instalar y operar equipo de la manera más efectiva? y ¿Cómo debería ser usado este equipo para controlar los diversos medios ambientes?. Generalmente, toda casa tiene el diagrama de cableado estándar como se muestra en la figura 1.1 [2]. Cada aparato o equipo, como una lámpara por ejemplo, debe ser conectado sobre un lazo de circuito cerrado con los switches en el mismo lazo para su control externo. L a automatización está limitada a la posición en que los controladores remotos son acomodados. Si un switch no está en el lazo, se limita los controles de operación sobre el equipo mismo. Los equipos de audio/video solo funcionan con los televisores a los cuales están conectados. E l V C R solo funciona con el televisor al que está conectado, lo mismo sucede con las cámaras de video. E l cableado de bajo voltaje es usado principalmente para alimentar al equipo telefónico. Tales dispositivos como controladores de termóstatos, equipo computacional, sistemas de seguridad, etc, usan sus propias lineas de cableado dedicado de bajo voltaje. La figura 1.2 [2] muestra la configuración propuesta para instalaciones de algunos estándares como CEBus y Echelon. Se tienen tres componentes en el cableado de una configuración CEBus: Líneas de Potencia (PLBus), Twisted Paire (TPBus) y Coaxial (CXbus). Las líneas de potencia son los cables que se tienen en las paredes de toda casa y proveen la energía eléctrica de 60 Hz para la mayoría del equipo estándar. Los twisted pairs son las lineas telefónicas de bajo voltaje, el cableado de termóstatos, sistemas de seguridad y otros. E l coaxial es usado en cables de televisión. Este concepto no depende de los lazos de cableado. Un switch localizado en cualquier parte del cableado puede controlar las operaciones de un equipo localizado en cualquier otra parte. También usa "puentes" electrónicos para hacer la conexión de los tres tipos de cableado. Esto permite que el equipo presente en un tipo de cableado pueda comunicarse con otro presente en otro tipo de cableado.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 4.

(26) DE LA COMPAÑIA DE TELEFONOS MEDIDOR ELECTRICO. SISTEMA DE CABLE/ANTENA ENTRADA DE SERVICIO. CAMARA. 0. VCR TV. PANEL DE SEGURIDAD. TELEFONOS. TERMOSTATO. MAQUINA CONTESTADORA. LAMPARA. CALENTADOR DE AGUA. na. LAVADORA. AUTO DIALER. INTERCOMS. IMPRESORA DETECTOR DE HUMO PANEL DE SEGURID.. FIGURA. SWITCH. 1-1 Diagrama de cableado eléctrico estándar de una casa. o o. a a a.

(27)

(28) Capitulo 1. Automatización de Casas. Con este concepto, un termóstato remoto puede controlar el calentador, la ventilación y el aire acondicionado, los sensores pueden comunicarse con los sistemas de seguridad, las impresoras pueden ser conectadas remotamente a las computadoras, todo a través del mismo cableado de bajo voltaje. Los switches de luz no necesariamente tienen que estar en el mismo circuito con una lámpara para operarla, y además, pueden ser utilizados para operar otros equipos en el sistema. Otra diferencia importante es el uso de cableado coaxial dual. Uno de estos cableados provee de señales externas a equipos que lo usan como la T V por cable. El otro cableado sirve para distribuir las propias señales alrededor de la casa. Con este cableado, la cámara de monitoreo o el V C R puede ser visto en cualquier T V de la casa. Además, provee la capacidad de conectar bocinas y obtener el audio de salida desde cualquier localización en la que se tiene este cableado mientras se use un simple receptor en el cuarto. Los conceptos CEBus y Echelon usan microprocesadores y electrónica adicional dentro de switches, lámparas, aparatos y equipo. Esta electrónica adicional sirve para que los aparatos puedan comunicarse unos con otros. Otra configuración típica se muestra en la figura 1-3 [2]. Ésta utiliza equipo compatible con otro estándar denominado X-10. Mucho del cableado es similar a la de CEBus y Echelon. L a diferencia más significativa es que se añaden módulos X-10 en el cableado de la mayoría de los equipos. Estos módulos proveen las mismas funciones que la electrónica interna de CEBus y Echelon. L a principal diferencia es que estos módulos nos permiten usar el equipo y dispositivos que se tienen en forma limitada. Sólo se pueden prender y apagar aparatos y aumentar o disminuir la intensidad de luz de focos. La figura 1-4 [2] muestra la configuración propuesta por otro estándar denominado Smart House. E l cableado de bajo voltaje se extiende a cada pieza de equipo en el sistema a través de receptáculos a los cuales están conectados. Esto incluye a equipo que no requiere conexión a cableado de bajo voltaje. Muchos dispositivos pequeños requieren bajo voltaje para funcionar. Estos incluyen switches, sensores, teléfonos, intercoms, relojes, termóstatos, detectores de movimiento y otros. A medida que avanza la tecnología, la cantidad de energía requerida para que funcionen estos dispositivos se ha reducido y va a continuar disminuyendo. Este sistema también utiliza el cableado coaxial dual para distribuir señales de alta frecuencia a través de la casa.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 7.

(29) DE LA COMPAÑIA DE TELEFONOS MEDIDOR ELECTRICO DE CABLE/ANTENA. O. O. EÑTRJEA-BT SERV] CIO. VCR. 01 CONTRO .ADOR. PANEL DE SEGURIDAD. SISTEMA DE AUDIO. o. O •ancz •••i_j. CAMARA D. TV. ra. I. UPSTREAM COAX. DOWNSTREAM COAX. ACOPLADOR DE FASE. TELEFONOS. MAQUINA CONTESTADORA. TERMOSTATO. DETECTOR DE MOVIMIENTO. SENSOR. El AIRE ACONDICIONADO. =. CALENTADOR DE AGUA. SWITCHES. LAVADORA. •. L°] le). EHD-01 DETECTOR DE HUMO. FIGURA 1 -3 Configuración propuesta para el estándar X-10. SWITCH. LAMPARA. 0. INTERCOMS. Ql [O I. CONTROLADOR. aaaa I pana \. a D •.

(30) DE LA COMPAÑIA DE TELEFONOS MEDIDOR ELECTRICO DE CABLE/ANTENA. O. SISTEMA DE AUDIO. O. O. Oh. SERV: CIO. CONTROL DE PUEN PANEL DE SEGURIDAD. 0. TOFT. I. CAMARA. VCR. OQOl_J. a. i en. t>0. 0. UPSTREAM COAX. DOWNSTREAM COAX. TEiE FONOS. MAQUINA CONTESTADORA. KEYPAD. DETECTOR DE MOVIMIENTO. SENSOR. CALENTADOR DE AGUA AIRE ACONDICIONADO. nn. TERMOSTATO. INTERCOMS LAVADORA. JZL. FIGURA 1.4 Configuración propuesta para el estándar Smart House. O o.

(31) Capitulo 1. Automatización de Casas 1.3 BENEFICIOS [3]. SPGURIDAD. • • • • • • • •. Hacer que la casa se vea y suene como si estuviera viva, incluso si no se está en ella. Nunca regresar a una casa a oscuras de nuevo. La iluminación y los aparatos se prenden a tiempos diferentes cada día en MODO DE SEGURIDAD. Características de "Seguridad en la puerta del garaje". Iluminar completamente la casa con el toque de un botón en caso de oír ruidos sospechosos en la noche. Interfase a sistemas de alarma existentes y parpadeo de las luces si alguna de las alarmas de puertas o ventanas es activada. Control de la intensidad luminosa en escaleras y corredores. Alerta automática en caso de introducirse en el perímetro de la casa.. AHORRO DE ENERGIA • • • • • • • •. Ahorrar hasta el 40% de utilidad en las cuentas de servicios. Enfriar o calentar la casa solamente cuando se lo requiera. Control de la iluminación interna y externa automáticamente. Fijar la intensidad de luz de focos incandescentes. Control de calentadoras y frazadas eléctricas portables. Control de humidifícadores y desliumidificadores cuando se lo requiera. Control de abanicos de techo. Control independiente del aire acondicionado en cada cuarto.. EFECTIVIDAD E N COSTO • •. • • •. Control de la iluminación de escaleras o corredores desde otros puntos de control sin necesidad de cableado complicado. Se elimina la necesidad de sistemas de tiempo tales como timers para filtros de piscinas, timers para las luces del patio, timers para rociadoras, etc. Ahorro en gastos de cableado para iluminación externa de patios controlándolos desde localizaciones convenientes dentro de la casa. Control remoto de abanicos de ático sin necesidad de cableado especial. Organización de horarios automáticos para la iluminación, temperatura y humedad en casas de campo sin necesidad de timers ni cableado especial.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 10.

(32) Capitulo 1. Automatización de Casas. 1.4. USOS. PIARIQ • •. •. • • • • • • •. Control de luces y aparatos en garajes independientes o construcciones lejanas desde la casa. Adecuar la iluminación de cuartos mediante la variación de intensidad luminosa o apagar algunos de ellos con el fin de ver confortablemente la TV. Hacer señales a una persona en otro cuarto mediante el parpadeo de las luces de los respectivos cuartos (aplicable a gente con problemas de sordera). Apagar luces de sol después de un tiempofijadopara prevenir sobreexposiciones de piel. Control de foquitos navideños. Apagar equipo de oficina en la noche (computadoras, máquinas de escribir.etc). Control de iluminación de plantas. Control de fuentes de agua para interiores y exteriores. Control de iluminación y calor enjaulas de mascotas. Programar las luces para recordar a uno tomar algún medicamento.. VESPERTINO • • • • • • • •. Tener a la tostadora u homo microondas preparando la cena cuando uno llegue del trabajo a la casa. Control de la iluminación de recreación y patio trasero. Control de mata-bichos eléctricos. Prendido automático de iluminación melancólica y de imagen. Avisar a los niños que la cena está lista prendiendo luces fuera de la casa. Prender la iluminación de corredores desde dentro de la casa cuando los invitados lleguen o salgan. Prendido automático de las luces cuando uno entre a un cuarto. Calentamiento automático de la cama de agua antes de ir a dormirse.. A L DESPERTAR • • • • •. Despertar con la música o canal de TV preferido. Abrir cortinas y persianas. Empezar a preparar el café. Prender el sistema central de aire acondicionado. Prender el calentador de agua.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 11.

(33) Capitulo 1, Automatización de Casas. EN LA NOCHE • • • • • • •. Bajar el trabajo de la central de aire acondicionado o calentador mientras se duerme. Apagado automático de aparatos de música o televisores cuando a uno le da sueño. Apagado automático de calentadores y frazadas eléctricas tarde en la noche. Controlar la intensidad de luces o apagarlas, automáticamente. Hacer funcionar limpiadores de lentes de contacto eléctricos por tiempos dados. Activar el monitoreo de niños pequeños en la noche y apagarlas en la mañana. Apagar algunos items en la casa en tiempos especificados en caso de dejarlos prendidos accidentalmente.. MISCELANEOS • • • • • • • • • • •. Control de iluminación fluorescente e incandescente. Control de la iluminación de acuarios. Control de cortinas y persianas. Control de la bomba y el filtro de piscinas. Control eléctrico de puertas electrónicas. Control de sistemas de riego. Cierre remoto de puertas. Control automático de puertas de garajes desde cualquier cuarto. Control de ventanas y puertas que funcionan con motor. Control de la temperatura interna de la casa. Etc.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 12.

(34) Capitulo 1. Automatización de Casas. 1.5 R E F E R E N C I A S BIBLIOGRAFICAS [1]. Jurgen and T.S. Perry, "The High-Tech Home", IEEE Spectrum, May 1985, pp. 3540.. [2]. Gaddis D., Understanding & Installing Home Systems, second edition, 1991, Printed in Oklahoma City, Oklahoma.. [3]. Home Control Concepts, Home Automation Hacker's Bible, Book I, 1993, San Diego, CA.. [4]. Bruggeman and I. Sanders, " A Multifiinction Home Control System", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-29, No 1, February 1983, pp. 1-9.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 13.

(35) 2 GRUPOS Y ESTANDARES DE AUTOMATIZACION DE CASAS. Antes de empezar a ver las posibilidades y requerimientos para la automatización de una casa, debemos examinar la industria misma. Hay un interés grande y creciente en el campo de la automatización de casas. Los interesados vienen de todas las áreas, desde fabricantes a comerciantes al por menor, instaladores, proveedores de servicios, agencias, constructoras, remodeladoras y usuarios de casas. Cada quien tiene sus propias razones para estar involucrado y muchos pueden estar principalmente interesados en el desarrollo de sistemas y estándares que respalden sus propios intereses. Dentro de la industria de automatización de casas, se han formado muchos grupos que respaldan sistemas específicos y estándares. E l término "estándar" describe las prácticas y condiciones que son usados comúnmente dentro de la industria. En otras palabras, si los productos y el equipo dentro de una casa van a ser capaces de comunicarse, lo harían adecuadamente si hablaran el mismo lenguaje. Hay dos vías en las que se desarrollan los estándares. Los estándares planeados son desarrollados mediante un acuerdo conjunto de entidades participantes. Los estándares defacto son desarrollados a través del gusto del consumidor y ellos votan sobre esos estándares comprando los productos que prefieren [1]. Algunos sistemas y estándares pueden proveer compatibilidad unos con otros, mientras algunos otros no. Como la industria por sí misma está en tempranas etapas de desarrollo, los estándares defacto o emergentes no pueden ser identificados en este momento. Esto quiere decir que no vamos a saber que estándares usa y respalda la mayoría de la gente hasta que realmente suceda. Por otra parte, se pueden identificar características y condiciones que son comunes a todos, y también se pueden definir las mejores vías disponibles para llevar a cabo un objetivo particular en este momento. A continuación se describen algunos grupos y estándares de automatización de casas que han tenido los más fuertes partidarios.. 2.1 X-10 Este estándar está basado en los productos de un fabricante del mismo nombre, X 10. E l estándar X-10 se ha expandido considerablemente desde su introducción en 1978. Muchos otros fabricantes y grupos producen o venden productos compatibles con X-10, incluyendo Sears, Radio Shack, Stanley, Levitón, Advanced Control Technologies, Reflex, NuTone y Enerlogic por nombrar algunos. Sistema de Control de una Casa Inteligente 14.

(36) Capítulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas Los productos X - 1 0 utilizan el concepto de Portadora de Linea de Potencia (Power Line Carrier) [2] y actualmente están enfocados como dispositivos modulares del tipo plug-in, los cuales prenden/apagan y controlan otros productos a los cuales están conectados. L a mayoría de éstos están diseñados para proveer funciones de prendido/apagado y control de intensidad de iluminación. N o proveen algunas de las otras características de un sistema completo, tales como cambiar canales y controlar el volumen de un equipo de audio/video o la distribución de señales de audio/video por toda la casa. El X - 1 0 también tiene algunas limitaciones de comunicación. Los módulos X - 1 0 son susceptibles a la interferencia o "ruido" en el cableado eléctrico de la casa y la mayoría de los productos X - 1 0 no se comunican en dos vías como las otras alternativas lo hacen. Este grupo tiene la distinción de ser el más viejo, el más común y el grupo estándard mejor establecido. Podría ser también, el más efectivo en costo, especialmente en condiciones de ajuste, puesto que los productos son generalmente bajos en costo, simples en diseño y funcionalidad; y no necesitan requerimientos de cableado o instalación especiales asociados con otros estándares. Además, hay mucho más productos disponibles en el mercado que utilizan este estándar hoy en día. Este grupo propone compatibilidad con otros estándares emergentes en el futuro. Los productos actuales no tienen todas las características a desear pero definitivamente tienen un punto de inicio.. 2.2 S M A R T H O U S E Este estándar está bajo el desarrollo de Smart House Limited Partnership. E l grupo SHLP, desarrollado como una sucesión de la National Association of Home Builders (NAHB) está principalmente respaldado por la inversión de numerosas constructoras de casas como también por las cuotas de compañías y fabricantes participantes de las utilidades. E l SHLP tiene la distinción de ser el segundo estándar de automatización de casas en llegar al mercado con sus productos. El estándar Smart House está propuesto a ser compatible con el CEBus u otros estándares en el futuro, pero actualmente presenta diferencias significativas. Este estándar utiliza el concepto de producto bajo licencia, con cableado especial, accesorios y equipo necesario para su instalación y su servicio. También requiere instaladores especialmente entrenados y proveedores de servicio para respaldarlo. E l estándar Smart House tiene algunas características fuertes. Con un equipo de constructores de casas, fabricantes y compañías detrás de él, podría tener el más fuerte respaldo. Incluso el gigante comercio Sears se ha unido al grupo Smart House. L a cantidad de investigación y desarrollo que ha involucrado este estándar está sorprendiendo y la línea de productos actuales es de primera clase. Quizás el punto más significativo es el enfoque de integración de sistema, con inteligencia construida dentro de la casa. Esto difiere de otros desabolladores de estándares que están enfocados principalmente en productos especializados y subsistemas que pueden ser añadidos a la casa. En comparación, podría ser similar a que alguien más esté tratando de crear un nuevo tipo de Sistema de Control de una Casa Inteligente 15.

(37) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. aparato fantástico de aire acondicionado de ventana mientras que Smart House está tratando de crear un aire acondicionado central. Por supuesto que ambos refrescarán la sala, pero si las características de unidad central no son importantes para uno, las unidades de ventana son más baratas de instalar. Como se mostró en este ejemplo, el estándar Smart House no es barato y está muy enfocado para nuevas casas. Podría ser caro adaptarlo a una casa ya existente. E l Smart House indica que una solución de ajuste efectivo en costo está bajo desarrollo y podría estar disponible comercialmente en 1995. Si se está construyendo una nueva casa y se tiene algo de dinero extra para gastar en lo mejor, el Smart House merece una atención cuidadosa. Pero, si se está tratando de automatizar una casa que fue construida tiempos atrás, se necesitaría esperar un tiempo si se quiere utilizar el estándar Smart House.. 2.3 CEBus Este estándar está bajo el desarrollo de un grupo de fabricantes de equipo eléctrico y electrónico que buscan establecer un estándar Norteamericano. Este grupo fue formado y respaldado por la Electronic Industries Association (EIA), que incluye muchos de los fabricantes más grandes de equipo y dispositivos electrónicos. E l estándar propuesto por este grupo está enfocado principalmente en el concepto de "Portadora de Línea de Potencia", donde el control de la automatización está respaldado por el cableado eléctrico existente en la mayoría de las casas de hoy en día. E l grupo intenta también desarrollar y definir estándares para otros conceptos y tecnologías que están naciendo, tales como fibras ópticas en casas y comunicaciones múltiples a través de simples cables, alambres o fibras. Una condición que es particularmente favorable en este grupo es el desarrollo del CEBus como un estándar abierto. Esto quiere decir que cualquier fabricante de aparatos eléctricos y electrónicos podría fabricar productos compatibles de su propia pertenencia. Esto difiere de los estándares con productos bajo licencia, que están definidos como pertenecientes al originador; y que si se quieren desarrollar productos bajo esta licencia se tiene que pagar una cuota por los derechos de autor al originador del estándar. Quizás, las ventajas más significativas que este grupo tiene que ofrecer son el bajo costo potencial y las características de adaptabilidad en medios ambientes ajustables. Puesto que este estándar se está desarrollando para ser usado con el cableado ya existente en las casas, los bajos costos de instalación podrían estimular al consumidor a adoptarlo.. 2.4 E C H E L O N Este grupo, formado en 1988, ha diseñado ciertos productos bajo licencia que pueden respaldar a un sistema de automatización de casas. E l enfoque de Echelon en la industria, involucra la producción de algunos computer-on-chips especializados que ellos llaman chips L O N . E l estándar Echelon promociona el uso de sus chips L O N en los productos de otros fabricantes. E l enfoque L O N permite que múltiples dispositivos se M. M. Sistema de Control de una Casa Inteligente 16.

(38) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. comuniquen a través de cualquier medio. Muchas de las características de diseño, capacidades, requerimientos y condiciones son paralelas a aquellas bajo desarrollo por la EIA y el CEBus. Las diferencias principales tienen que ver con el lenguaje y el protocolo de comunicación, así como ser producto bajo licencia. Los estándares Echelon son tecnológicamente superiores al X-10 en áreas importantes tales como comunicaciones. Como es un grupo bajo licencia, Echelon no está restringido por muchas de las condiciones que toman efecto en otros y está libre de hacer progresos consistentes. Esto quiere decir que muchos productos especializados podrían estar sólidamente disponibles antes que aquellos que utilicen CEBus u otros estándares, y Echelon podría ganar respaldo significante por esos tiempos. Además, los fabricantes que adopten este estándar tendrían que suscribirse a un concepto cerrado y bajo licencia lo que podría restringir la compatibilidad de sus productos con otros estándares. Además de los estándares señalados, muchos otros fabricantes y grupos extranjeros están intentando desarrollar estándares particulares. Los grupos más importantes son los de D2B, respaldados por los europeos y los británicos, y los de JEIDA (Japanese Electronic Industry Development Association), un grupo japonés. Como el grupo japonés es el más fuerte en el mundo de la electrónica, se presenta a continuación el estándar que proponen más a detalle.. 2.5 H O M E BUS S Y S T E M (HBS) El H B S , una modificación del sistema ordinario de C A T V , es un sistema multiplexado por división de frecuencia que utiliza cableado coaxial simple. E l sistema incluye las siguientes dos bandas: la banda base, destinada para señales de control y la broad-band, destinada para señales de información a alta velocidad y para información visual [3]. Con el rápido avance de la microelectrónica en años recientes, ha proliferado el número de aparatos eléctricos inteligentes para casa que usan microprocesadores. E l deseo por el control efectivo y monitoreo de este equipo mediante computadoras personales y similares ha ido creciendo a pesar de que existe incompatibilidad entre las funciones de control para equipos de diferentes fabricantes que están promocionando la automatización de casas. Este hecho ha sido el cuello de botella en la promoción de Automatización de Casas e intenta estandarizar la interfase de varios aparatos eléctricos que se usan en la casa. Por eso, muchos fabricantes de electrónica de consumo, conducidos por un equipo de tres universidades japonesas han llegado a un acuerdo en el plan de estandarización después de dos años de elaboración. Basados en este plan de estandarización, si la interfase es diseñada con LSI (Large Scale Integration) y el costo se reduce de tal forma que se puedan instalar en varios equipos eléctricos del hogar, se instalarían tomas de corriente de información en las paredes cuando la casa sea construida. Así, los residentes podrían lograr el H A (Home Automation) ideal con tan solo adquirir el equipo necesario que sería enchufado a los toma-corrientes de información. Tal equipo podría incluir VCRs, computadoras Sistema de Control de una Casa Inteligente. 17.

(39) Capítulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. personales, equipo audio-visual, procesador de palabras, aire acondicionado, equipo de seguridad, etc. Este plan de estandarización es apoyado por dieciseis compañías y tres universidades, y su efectividad ha sido probado por experimentos en las casas modelos. 2.5.1. POR QUE AUTOMATIZAR UNA CASA C O N HBS. La figura 2.1 muestra un sistema de información del hogar donde el equipo eléctrico y electrónico es conectado con los requerimientos básicos para tener una vida hogareña más confortable, más segura, más económica, más conveniente y más satisfactoria.. REQUERIMIENTOS BASICOS. SISTEMA FUNCIONAL. MAS CONFORTABLE. SEGURIDAD DE LA CASA. MAS SEGURO. AHORRO DE ENERGIA. MAS ECONOMICO. CONTROL DE LA CASA. MAS CONVENIENTE. MAS SATISFACTORIO. F1G. 2.1. ADMINIST. DOMESTICA. PASATIEMPOS (EDUCACION SALUD, RECREACION). RELACION ENTRE LOS REQUERIMIENTOS BASICOS DE LA VIDA EN EL HOGAR Y EL SISTEMA FUNCIONAL. E l Grupo de Estudio del HBS clasificó los sistemas de aplicación en los siguientes cuatro sistemas y aún está haciendo estudios en campos relacionados con cada sistema [4]. 1) 2) 3) 4). Sistema de Información de la Casa. Sistema de Manejo de la Casa. Sistema Audio Visual. Sistema de Seguridad.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 18.

(40) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. A fin de realizar la Automatización de Casas, el grupo investigó los medios para estandarizar la interfase LSI [3] y construir el sistema efectivamente. Se ha concluido que el "Home Bus System" es el medio que mejor se ajusta. Muchos experimentos han confirmado su utilidad bajo la configuración que se muestra en la figura 2.2.. Información de la casa. Audio/Video. Home Computer — l/F Personal Computer Videotexto. l/F —. :3¡¡h. I/F l/F. etc.. H O M E. l/F. Zontrolad.de Energía. l/F. VTR Video Disco. etc. Seguridad. B Administración de la casa. TV. U S. l/F. Cerraduras Electron.. l/F. Alarmas. Aire Acondicionado — I/F l/F —{Detector humo/fuego Calent. de Agua Iluminación. l/F — l/F. l/F M Lr l/F —. Cámara Inter-phone. etc. etc. Outlets de información. • FIGURA 2.2. Interfase LSls. CONSTRUCCION DEL HBS. Esta proposición apunta a estandarizar la parte central del sistema home bus e instalar la interfase LSI en equipo eléctrico y electrónico usado en toda casa, de tal forma que lo adopten muchos fabricantes.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 19.

(41) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. 2.5.2 C A R A C T E R I S T I C A S D E L H B S 1. Puesto que el sistema utiliza solamente un único cable coaxial para la transmisión, el costo de instalación es bajo comparado con aquellos propuestos por otros. 2. Con la existencia de líneas de cable coaxial en la casa, se puede incorporar el sistema con pocas modificaciones. 3. E l sistema permite a los usuarios seleccionar una (o algunas) de las dos bandas del H B S para su uso particular. Así, se puede construir un sistema de bajo costo si se desarrolla un módulo dedicado para usos particulares tales como 'solo para control', 'solo para control de aire acondicionado y ventilación', etc. 4. L a estandarización del HBS permitirá que equipos de una gran variedad de fabricantes puedan ser conectados al bus del sistema para su uso eficiente, de tal forma que se mejore el funcionamiento en costo de todo el sistema. 5. Este sistema es fácilmente conectado a computadoras personales, tele-texto, sistemas de video interactivo, sistemas de redes de información para telefonía digital, etc. cuyos usos extensivos se anticipan en el futuro. 6. Este sistema es un sistema total que incluye no solamente el control de aire acondicionado y ventilación en la casa, sino también, sistemas de control prendido/apagado, sistemas de control de iluminación, sistemas de seguridad, etc. Incluye todas las funciones de otros sistemas propuestos hasta la fecha. 7. E l sistema es suficientemente flexible y adaptable para nuevo equipo que aparecerá en el futuro debido a la expandibilidad de sus terminales. 2.5.3 S I S T E M A H O M E B U S P R O P U E S T O El H B S ofrece un sistema de transmisión de información en las casas. Este sistema incluye las siguientes dos bandas: 1. Banda-base (principalmente para señales de control). 2. Broad-band (principalmente para señales de información de alta velocidad e información visual). Aunque el H B S consiste principalmente de líneas coaxiales en la casa, también puede incorporar fibras ópticas. L a asignación de la banda, una modificación del sistema ordinario de C A T V , se muestra en la figura 2.3. Este plan de asignación está basado en las asignaciones de frecuencias estándares en Japón. En áreas extranjeras como Estados Unidos o Europa, el H B S es aún aplicable sin ninguna modificación para la banda-base y con algunas modificaciones para las dos últimas bandas, la sub-banda y la banda de FM.TV.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 20.

(42) Capítulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. BROAD-BAND BANDA-BASE. 9.6K FIGURA 2-3. SUB-BANDA. 10M. BANDA FM-TV. 75M. 76M. Frecuencia (Hz). Asignación de Bandas (en Japón). 2.5.4 BANDA BASE En el H B S , la banda base es usada como un canal de transmisión de dos vías para información digital. E l sistema es construido de acuerdo a las siguientes especificaciones, de tal forma que, cada terminal debería tener la misma función [4]. 1) Medio de Transmisión: 2) Máximo número de terminales: 3) Max. longitud de cable: 4) Topología de Red: 5) Datarate: 6) Formato de Transmisión: 7) Sincronización. 8) Nivel de la línea: 9) Lógica de transmisión: 10) Onda de propagación: 11) Paridad: 12) Estructura de byte:. 5V. LSB. Cable coaxial (e.g., T V E F C X : 4 C - T V ) . 255 (expandible). 200 metros (para líneas coaxiales ya presentes en una casa). Bus. 9600 Bit/seg. Serial banda-base. Asincrona. 0 a 5 volts. Positiva. NRZ. Paridad par.. MSB. '1'lógico. DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 0V bit de inicio. 13) Acceso.. ^ '0'lógico stop bit vacancia C S M A / C D (Carrier Sense Múltiple Access with Colusión Detection). Sistema de Control de una Casa Inteligente. 21.

(43) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. 14) Característica de Transmisión: 15) Estructura del paquete:. Paquete, dos vías. Dos tipos.. 1. Data-packet: cuando el bit 4 de C W es T .. r. DATA :. SA DACW 3C. CC. SA: dirección de la fuente (SA=01 a FF) expandióle a 2 bytes cuando SA=3F, 7F, B F ó FF. DA: dirección de destino (DA=00: broadcast). expandible a 2 bytes cuando DA=3F, 7F, B F ó FF. CW: palabra de control. expandible a 2 bytes cuando el bit 7 de C W es T .. DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 I •' 0: CW no expandible 1: CW expandible No Reservado 0: Sin encabezamiento 1: Con encabezamiento Versión Up No. 0: Sin ACK/NAK 1:ConACK/NAK. B C : contador de byte, 1 byte. Data: 1 a 255 bytes. FCC: código de chequeo de trama (check sum), 1 byte.. 2. Command-packet: cuando el bit 4 de C W es'0'.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 22.

(44) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. DATA. /. \. •—S—i CMC. CMC. SA DA DW BC HD 1 OP1. n —. El primero. t. t. OPn FCC. —. El n-th. C M D : comando. OP: operando. SA, DA, CW, B C , FCC: igual que para el data-packet. Data: E l primer byte es el encabezado. De ahí, es posible el control de una secuencia continua de hasta un máximo de 255 bytes con comando y operación no pareada o con comando solamente. Dependiendo del tipo de encabezado, se puede usar un comando perteneciente al fabricante. 16) Detección de error: 17) Prioridad de paquete: 18) Detección de colisión.. Paridad y FCC. 4 niveles. Verificación de bit para cada periodo de bit.. 2.5.5 BROAD-BANDA (SUB-BANDA Y BANDA FM.TV) Esta banda es usada para transmisión de dos vías de señales análogas y digitales de alta velocidad, y también incluye señales de video [5]. 1) Medio de transmisión: 2) Impedancia del cable: 3) Número de terminales: 4) Max. longitud del cable: 5) Alambrado: 6) Control de Canal:. Cable coaxial (e.g., T V E F C X : 4 C - T V ) . 75 ohms. Max. 16 (sujetos al número de splitters o distribuidores). 200 metros. Usa splitters y distribuidores como el sistema de C A T V ordinario. Por control de banda-base.. L a asignación de estas bandas se muestra en la figura 2.4.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 23.

(45) Capítulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. Frecuencia (Hz) Or— Banda-Base 9.6K 10M 11M 19M 30M 36M Sub-Banda. R. 42M 48M 60M 66M. Inter-phone Audio Data de audio digital a alta velocidad Canal SB1 VTR Canal SB2 Canal SB3 Video Disco Audio. n. 75M. Canal SB4 Cámara N Audio. Banda-FM V. 90M VHF canales 1 a 3, 4 a 12 UHF canales 13 a 62. " Á Banda-TV 1. 770M —. V FIG. 2.4. ASIGNACION DE FRECUENCIAS EN JAPON. 2.5.6 EJEMPLO DE APLICACION DEL H B S [6] Asumiendo una casa de dos pisos que incluye sala de star, living, cocina y cuatro dormitorios, el grupo del H B S diseñó un prototipo experimental de H B S para acomodar una variedad de aplicaciones, y varios puntos básicos del sistema que han sido reunidos para la investigación. Se han desarrollado a través de experimentos, interfases de L S I estandarizados para el control de banda-base y toma-corrientes para piezas separadas de información provistas en la broad-band. Las señales para/desde cada sistema son transmitidos a través de la línea coaxial instalada en la casa. E l grupo del HBS construyó un prototipo para el módulo de interfase de la línea coaxial que transmite/recibe señales digitales, confirmándose su versatilidad. L a figura 2.5 ejemplifica la construcción del HBS. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 24.

(46) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. 2.5.7 ORGANISMOS Y EMPRESAS PARTICIPANTES E l estándar H B S propuesto, fue realizado por el Grupo de Estudio del H B S . E l grupo fue organizado por el Centro de Desarrollo de Industrias Electrónicas Kansai (K.E.C) con la participación y la cooperación de las siguientes compañías e instituciones: Sanyo Electric Co. Ltd., Sharp Corporation, D X Antenna Co. Ltd., Nippon Gakki Co. Ltd., Matsushita Electric Industrial Co. Ltd., Matsushita Electric Works Ltd., Mitsubishi Electric Corporation, Namekawa Laboratory en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Osaka y el Instituto de Tecnología Fukuoka [7].. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 25.

(47) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. 2.6 V E N T A J A S Y D E S V E N T A J A S D E ESTOS E S T A N D A R E S. X-10 DESVENTAJAS. VENTAJAS. • • • • • • • •. Utiliza el cableado eléctrico de la casa. No requiere cableado o instalaciones especiales. Es el más efectivo en costo. Simple en diseño y funcionalidad. Mayor cantidad de productos en el mercado. Considerado el estándar "defacto". Se instala en casas viejas y nuevas. Futura compatibilidad con otros estándares.. • • • • •. Susceptible a interferencias o ruidos en el cableado eléctrico de la casa. La mayoría de los productos no se comunican en dos vias. No provee características de distribución de señales de audio/video. Limitaciones de comunicación. Se limita a funciones de prendido/apagado y control de intensidad luminosa.. SMART HOUSE VENTAJAS • • • •. DESVENTAJAS. Utiliza el enfoque de Integración de Sistema. Inteligencia construida dentro de la casa. Linea de productos de primera clase. Gran cantidad de investigación y desarrollo.. • • • • •. Producto bajo licencia. Requiere cableado especial, accesorios y equipo necesario para su instalación y servicio. Se requieren instaladores y proveedores de servicios especializados. Orientado a nuevas construcciones. Caro.. CEBus VENTAJAS • • • • • •. Respaldado por los fabricantes más grandes • de equipo y dispositivos electrónicos. Utiliza el concepto de "Portadora de Linea de • Potencia" (con el uso de cableado eléctrico • existente en toda casa). Pretende utilizar tecnología de fibras ópticas y comunicaciones múltiples. Es Estándar Abierto. Bajo costo. Características de adaptabilidad.. DESVENTAJAS Aún no se termina de fijar completamente el estándar por ser un estándar nuevo. Productos aún no disponibles en el mercado. Es el menos conocido por el consumidor.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 26.

(48) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. ECHELON VENTAJAS • • • •. DESVENTAJAS. Utiliza computer-on-chips especializados en los aparatos y dispositivos electrónicos (llamados LONs). Permite la comunicación de múltiples dispositivos a través de cualquier medio. Características, capacidades y requerimientos similares a las de CEBus. Estándar superior a X-10 en el área de comunicaciones.. • • • •. Productos bajo licencia. Estándar en recientes inicios. Pocos productos disponibles en el mercado. Limita la compatibilidad de sus productos con otros estándares.. HOME BUS SYSTEM VENTAJAS • • • • •. DESVENTAJAS. Es un sistema multiplexado en frecuencia que • Requiere la conexión de cable coaxial usa cable coaxial simple. alrededor de toda la casa. Especializado en comunicación de • Relativamente caro. información y señales de audio/video. • Requiere la instalación de interfases con el bus en el equipo eléctrico y electrónico a Respaldado por las empresas japonesas más controlar. conocidas en el ramo de la electrónica. Incluye todas las funciones de otros sistemas propuestos hasta la fecha. Facilidad de conexión a computadoras personales, tele-texto, sistemas de redes de información de telefonía digital, etc.. Sistema de Control de una Casa Inteligente. 27.

(49) Capitulo 2. Grupos y Estándares de Automatización de Casas. 2.7 R E F E R E N C I A S BIBLIOGRAFICAS [1]. Gaddis, Understanding & Installing Home Systems, Second edition, 1991, Printed in Oklahoma City, Oklahoma.. [2]. B . OT^eal Jr., "The Residential Power Circuit as a Communication Médium", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, No 3, August 1986, pp. 567576.. [3]. Murata, T. Namekawa and R. Hamabe, " A Proposal for Standardization of Home Bus System for Home Automation", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-29, No 4, November 1983, pp. 524-530.. [4]. Hamabe, M . Murata and T. Namekawa, " A Revised New Proposal for Standardization of Home Bus System for Home Automation", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, No 1, February 1986, pp. 1-8.. [5]. Hamabe, M . Murata and T. Namekawa, "Home Bus System Interface LSI and its Standard Protocol Example", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, No 1, February 1986, pp. 9-19.. [6]. Hatori, K . Mokuno, K . Iida, R. Ochiai and T. Horie, "Home Informatization and Standardization of Home Bus", IEEE Transactions on Consumer Electronics, V o l . CE-32, No 3, August 1986, pp. 542-549.. [7]. Yoshitoshi, N . Ayugase and S. Harada, "Proposed Interface specifications for Home Bus", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, No 3, August 1986, pp. 550-557.. Sistema de Control de una Casa Inteligente 28.

(50)

(51) 3 FILOSOFIAS DE AUTOMATIZACION DE CASAS. Con el fin de entender mejor la automatización de casas y los varios estándares que se proponen, se deben considerar las filosofías que se han desarrollado. En estos momentos, hay una división de filosofía que tiene que ver con la forma en que la automatización de casas debiera ser controlada, existiendo varios grupos que están compitiendo dentro de esta división. Estas filosofías son inteligencia centralizada e inteligencia distribuida [1]. Alguna gente considera que los sistemas de automatización de casas ya sea inteligencia centralizada o inteligencia distribuida se respaldan solas. Por supuesto que los productos que están disponibles hoy en día en el mercado no están diseñados adecuadamente como para tomar ventaja de ambos conceptos.. 3.1 I N T E L I G E N C I A C E N T R A L I Z A D A L a inteligencia centralizada es un concepto que utiliza un solo controlador externo para operar múltiples dispositivos que están relacionados entre sí. Este controlador podría resultar caro, dependiendo de las posibilidades y capacidades que éste ofrezca. L a principal ventaja de un controlador centralizado es su habilidad de automatizar productos y equipo no inteligente. Por ejemplo, se puede enchufar un preparador de café estándar al sistema, y el controlador puede prenderlo o apagarlo en tiempos preprogramados, aún cuando el aparato por si mismo no tenga un timer u otro controlador electrónico. Las principales desventajas de la inteligencia centralizada en modo stand-alone son el costo del controlador y la vulnerabilidad del sistema [2]. Si el controlador falla, no solamente el café no estará listo en la mañana, sino también el calentador de agua, el aire acondicionado y cualquier otro equipo que esté conectado al sistema.. 3.2 I N T E L I G E N C I A DISTRIBUIDA L a inteligencia distribuida utiliza microprocesadores instalados dentro del producto. Con esta condición, cada aparato o dispositivo tiene su propia inteligencia y no depende de fuentes externas para llevar a cabo su automatización. Un ejemplo de esto es el V C R que puede ser programado independientemente para grabar un programa durante la ausencia del usuario. Un preparador de café que utiliza inteligencia distribuida podría tener su propio microprocesador y podría ser programado independientemente para operar Sistema de Control de una Casa Inteligente 30.