Diseño e implementación de modelo a escala de una SmartHome con una red local doméstica (HAN) para monitorear tres variables ambientales y transmitir las
mediciones a un usuario remoto empleando protocolo IP
Diego Carlos Andrés Méndez Ducón Código 20031005074
Director:
PH.D, MSC. Roberto Ferro Escobar
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD INGENIERÍA
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. ANTECEDENTES ... 3
3. JUSTIFICACIÓN ... 4
3.1. Justificación técnica ... 4
3.2. Justificación académica ... 4
3.3. Justificación social ... 5
4. OBJETIVO GENERAL ... 6
4.1. Objetivos específicos ... 6
5. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 7
6. ALCANCE ... 8
7. LIMITACIONES ... 9
8. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL ... 10
8.1. Selección de los Sensores ... 10
8.1.1. Termómetro digital ... 10
8.1.1.1. Secuencia de transmisión ... 13
8.1.2. Sensor de luz ... 14
8.1.2.1. Principios de operación del sensor de luz ... 17
8.1.3. Sensor magnético reed witch ... 17
8.1.4. Comunicación local de los sensores ... 18
8.2. Módulo de comunicación inalámbrica entre sensores ... 21
8.2.1. Módulo inalámbrico WIFI232 ... 22
8.2.1.1. Modo de trabajo ... 25
8.2.1.2. Red inalámbrica ... 25
8.2.1.3. Encriptación de la información inalámbrica ... 26
8.2.1.4. Configuración del módulo inalámbrico ... 27
8.2.1.5. Acceso a la interfaz web del punto de acceso ... 27
8.2.1.6. Descripción general del módulo inalámbrico ... 28
8.3. HEC (Home Energy Controller) ... 28
8.3.1. Conexión a la red del HEC ... 29
8.3.2. Configuración del HEC como Punto de Acceso y Estación ... 31
8.3.3. Antena de módulo inalámbrico ... 33
9. DISEÑO DEL PROTOTIPO ... 34
9.1. Diseño del Termómetro digital ... 35
9.2. Sensor de luz digital ... 36
9.3. Diseño del sensor magnético ... 36
9.4. Diseño del HEC (Home Energy Controller) ... 38
9.5. Red de sensores ... 40
9.6. Interfaz hombre máquina ... 40
10. IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO ... 42
10.1. Diseño y construcción del HEC ... 44
11. INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA (IHM) ... 47
12. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 48
13. COSTOS DEL PROYECTO ... 49
13.1. Recursos humanos ... 49
14. CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS ... 53
14.1. Tiempo de ejecución del proyecto ... 53
14.2. Estrategia de trabajo ... 53
14.3. Cronograma ... 54
15. RECOMENDACIONES ... 55
16. COMENTARIOS ... 55
17. CONCLUSIONES ... 55
TABLA DE GRÁFICAS
Gráfica 8.1.1-1. Configuración de pines para el sensor de temperatura DS18B20 ... 11
Gráfica 8.1.1-2 a) Formato de registro de temperatura en el sensor de temperatura DS18B20. b) Codificación temperatura y Salida digital ... 12
Gráfica 8.1.1-3 Diagrama de bloques del sensor de temperatura DS18B20. ... 13
Gráfica 8.1.2-1 Curva tipo de iluminación natural y artificial en una habitación. ... 14
Gráfica 8.1.2-2 Configuración de pines para el sensor de temperatura TSL 2561. ... 16
Gráfica 8.1.2-3 Diagrama de bloques del sensor de luz TSL 2561. ... 17
Gráfica 8.2.1-1 a) Vista del módulo USR-WIFI232T. b) Mapa de pines del módulo ... 22
Gráfica 8.2.1-2 Módulo USR WIFI232T dimensiones físicas. ... 24
Gráfica 8.2.1-3 Conector I-PEX para antena del módulo USR WIFI232T. ... 24
Gráfica 8.2.1-4 Fotografía de la antena para cada una de las tarjetas de sensores. ... 25
Gráfica 8.2.1.2-1 Diagrama de conexión inalámbrica del módulo USR-WIFI232T. ... 26
Gráfica 8.2.1.6-1 Módulo inalámbrico USR WIFI232T utilizado en la tarjeta electrónica. ... 28
Gráfica 8.3.1-1 Configuración de pines para el módulo inalámbrico del HEC. ... 30
Gráfica 8.3.2-1 Configuración del módulo como punto de acceso y estación. ... 32
Gráfica 8.3.2-2 Configuración del módulo HEC como punto de acceso y estación. ... 32
Gráfica 8.3.2-3 Dimensiones del módulo inalámbrico del HEC. ... 33
Gráfica 9.1-1a) Esquemático de simulación del sensor de temperatura DS18B20 donde R12 es de 4,7kΩ. b) Polarización del sensor con fuente externa. ... 35
Gráfica 9.2-1 a) Esquemático de simulación del sensor de luz TSL2560. b) Aplicación del circuito recomendada por el fabricante. ... 36
Gráfica 9.3-1 a) Esquemático de simulación del sensor de temperatura DS18B20 donde R12 es de 4,7kΩ. b) Polarización del sensor con fuente externa. ... 37
Gráfica 9.4-1 a) Diseño del módulo WIFI USR WIFI2323B para el HEC. b) Fuente de alimentación para el HEC. c) Configuración del microcontrolador ATMega328. d) Interface Serial para configuración y pruebas ... 39
Gráfica 9.6-1 Arquitectura del sistema de monitoreo (López Antón & Gala Trallero, 2012). .. 41
Gráfica 9.6-2Diseño del PCB para la tarjeta electrónica. a) c) Serigrafía o silkscreen de la capa superior del PCB. d) Pistas o caminos de cobre en la capa superior del PCB. c) Serigrafía o silkscreen de la capa inferior del PCB. d) Print circuit Board completo. e) Fotografía del PCB. ... 43
Gráfica 10.1-1 Diseño del PCB para el HEC con el módulo WIFI. a) Serigrafía o silkscreen de la capa superior del PCB. b) Pistas o caminos de cobre en la capa superior del PCB. c) Pistas o caminos de cobre en la capa inferior del PCB d) Serigrafía o silkscreen de la capa inferior del PCB. e) Print circuit Board completa. ... 45
ANEXOS
ANEXO 1 Hoja de datos sensor de temperatura ... 57
ANEXO 2 Hoja de datos sensor de luz ... 58
ANEXO 3 Hoja de datos modulo WIFI USR-WIFI232T ... 59
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad existe una revolucionaria forma de interacción entre los individuos y su entorno físico, es posible monitorear dispositivos por operadores desde una estación remota. Esta interacción entre individuos y dispositivos electrónicos aplicada al hogar se conoce como domótica, cuyo principal propósito es gestionar recursos e información por medio de un sistema de comunicaciones y dispositivos electrónicos con el propósito de mejorar el bienestar de quienes los usan.
El término domótica es un concepto reciente, que se está utilizando en políticas de desarrollo tecnológico ya que los aportes realizados desde el punto de vista de sensores y monitoreo pueden ser implementados en SmartCities, por medio de la coexistencia de múltiples procesos íntimamente relacionados. Este tipo de desarrollo urbano, basado en la sostenibilidad, es capaz de brindar bienestar a los individuos y en aspectos económicos como el consumo más eficiente de energía eléctrica, y operativos como una mejor y más rápida utilización de electrodomésticos.
El término de SmartHome se aplica a los modernos ambientes de vivienda acompañados de procesos automáticos, flexibilidad y comodidad. De acuerdo con (Naglič & Souvent, 2013) un SmartHome está representada por la automatización en los siguiente sistemas:
Iluminación
Temperatura y control de ventilación
Automatización de aplicaciones para el hogar Computadores y cargas electrónicas
Administración de energía en el hogar Microgeneración de energía
Seguridad
Operación de ventanas y puertas Administración y visualización
La Universidad Distrital es encuentra ahora interesada en incluir dentro de sus grupos de investigación un área relacionada con el desarrollo de la tecnología perteneciente al hogar y que sus esfuerzos se vean materializados en forma de trabajos de grado. La propuesta incluye la puesta a prueba de un salón piloto en la facultad de ingeniería en el cual la interacción del profesor con el aula se realice de forma completamente automática, es decir, el control de iluminación, el control de las persianas, la forma de utilizar tanto televisor como proyector, esta prueba piloto se realiza en busca de presentar la ruta a seguir para la creación de un campus inteligente acorde a las necesidades de una facultad de ingeniería que busca ser punto de desarrollo y muestra del futuro de la sociedad bogotana en aras del desarrollo tecnológico.
El segundo es el desarrollo de tesis de grado las cuales estén dentro del proyecto “Ciudades Inteligentes” que abarquen el tópico desarrollado en la propuesta del grupo de investigación.
Teniendo en cuenta lo anterior, se realiza este prototipo de vivienda inteligente (SmartHome), donde se implementa una infraestructura dotada de soluciones tecnológicas a pequeña escala. Este modelo de vivienda facilita la interacción de los individuos con elementos tecnológicos de medición de variables ambientales.
En general, la arquitectura del sistema está compuesta por una estación de monitoreo y coordinación (HEC), tres estaciones locales de sensores inalámbricos y una estación remota. Los sensores se localizan en algún lugar dentro del prototipo formando la topología de red en estrella. Cada uno de estos sensores tendrá la capacidad de medir una variable ambiental en tiempo real, direccionarla hasta la estación base por medio de la red HAN y transmitirla a una estación remota por el protocolo TCP/IP.
Este prototipo de SmartHome conecta, sincroniza y monitorea los sistemas de iluminación, temperatura y ventilación con una red local inalámbrica domestica WHAN (por sus siglas en ingles Wireless Home Area Network) a través de un Controlador de Energía Doméstico (HEC por las siglas en ingles de Home Energy Controller) el cual es capaz de transmitir los valores medidos a través de protocolo TCP/IP a la interfaz de usuario remoto.
A través del HEC el usuario final puede visualizar en tiempo real: Estado individual de los dispositivos conectados.
Monitorear las variables ambientales de luz, temperatura y ventilación. Transmitir los valores medidos para ser visualizados en la IHM.
Los dispositivos estarán conectados a la red WHAN como se indica en la Gráfica 8.3.2-1.
En el capítulo 8 se justifica la selección de las variables ambientales a medir y se describe el funcionamiento de los sensores escogidos para el desarrollo de la tarjeta.
En el capítulo 9 se presenta el diseño del prototipo, la simulación de los circuitos electrónicos para la polarización y configuración de cada sensor, el desarrollo del PCB para la tarjeta electrónica.
En el capítulo 10 se muestra la ejecución del diseño plasmado en tres tarjetas electrónicas se sensores y una tarjeta para el HEC con su antena y sistema de suministro de energía.
2. ANTECEDENTES
El antecedente más importante y punto de partida para la formulación de este proyecto fue una propuesta presentada por el investigador de la Universidad Distrital Ricardo Alirio González a la convocatoria 09-2014 de Colciencias relacionado con SmartCities y domótica. Este proyecto busca la apropiación de los temas correspondientes a la domótica realizado en ciudades inteligentes, del cual la domótica es la integración de cierto tipo de tecnologías inalámbricas al hogar, con el fin de automatizar el entorno en el cual se ubica la gente en una ciudad. Este proyecto busca crear un prototipo funcional de un SmartHome, la automatización de un salón de clases de la facultad de ingeniería de la Universidad Distrital y la realización de un software en la plataforma Android, el cual logre comunicarse con el hogar inteligente. En esta propuesta se plantea la elaboración de un prototipo funcional de vivienda en la cual se apliquen los aspectos básicos de casa inteligente en iluminación y temperatura, como punto de partida para la puesta a prueba del salón piloto en la facultad de ingeniería.
El montaje del salón piloto permitirá emplear la domótica desarrolla y probada en el prototipo a escala de SmartHome un salón de clase de la facultad de ingeniería.
Otros trabajos consultados en la base de datos de la universidad distrital son:
“Aplicación de redes inalámbricas de WIFI en Sistema de Adquisición y Monitoreo remoto de variables ambientales y parámetros de operación de sistemas fotovoltaicos usando instrumentación virtual”(Nelson L Forero & Gerardo Gordillo, n.d.) Realizado por el licenciado de Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y del departamento de Física de Universidad Nacional respectivamente, proponen en una estación de monitoreo de variables ambientales proponen un sistema de dispositivos electrónicos Field Point de la National Instruments que cumplen las funciones a través de programas denominados Instrumentos virtuales. Su propuesta obtiene un dato cada segundo para cada una de las variables a medir. Los datos son transmitidos inalámbricamente a un PC a través de Punto de Acceso y dispositivos WI-FI. Esta topología utiliza la arquitectura Cliente/Servidor.
3. JUSTIFICACIÓN
3.1. Justificación técnica
Este proyecto permite implementar el concepto de SmartHome a pequeña escala por medio de un prototipo con una red de tres sensores comunicados de forma local a través de la estación de monitoreo y remota con una IHM.
En el prototipo se describe la aplicación en una SmartHome de dispositivos inteligentes (sensores) y la conectividad e interoperabilidad juntos. Los sensores forman una red como se describe en el numeral 9.5 Red de sensores en topología estrella formada por los módulos inalámbricos que transmiten los valores ambientales de forma digital.
Se ejecuta el diseño electrónico del prototipo con los conocimientos adquiridos en la universidad, la simulación de los circuitos electrónicos para cada sensor y el desarrollo del PCB para la tarjeta electrónica.
3.2. Justificación académica
Como parte de la propuesta presentada por el investigador de la Universidad Distrital Ricardo González relacionado con SmartCities y domótica, se plantea la elaboración de un prototipo funcional de vivienda en la cual se apliquen los aspectos básicos de automatización, iluminación y temperatura ambiente. Por medio del principio de escalabilidad establecer este trabajo como punto de partida para la puesta a prueba de un salón piloto en la facultad de ingeniería que permita la interacción del docente con el recinto de clase de forma inteligente con el propósito de mejorar el ambiente de trabajo donde el estudiante pueda prestar mayor interés al docente y evitar distracciones.
Integrar el conocimiento adquirido por el estudiante en los cursos de: circuitos digitales, comunicaciones digitales, electrónica III y comunicaciones digitales, en el desarrollo de un prototipo de implementación en domótica a pequeña escala.
3.3. Justificación social
El principal beneficio para la sociedad está reflejado en la disminución de energía eléctrica, aumento de confort en sus hogares, mejora en la seguridad gracias al monitoreo en tiempo real de cualquier variable que se quiera medir. Desde el punto de vista más global, el aporte estaría en una menor carga en las redes eléctricas de distribución local así como en la reducción en el cobro de energía consumida por el usuario.
Además se pretende realizar un aporte desde el desarrollo de tecnologías aplicadas a viviendas y a las personas que habitan en ella, al tema de ciudades inteligentes y domótica.
4. OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un modelo domótico a escala de una SmartHome, el cual permite monitorear las variables ambientales de iluminación, temperatura y ventilación por medio de sensores, estas señales son digitalizadas y llevadas a una red inalámbrica local doméstica (WHAN) hasta el controlador de energía (HEC) empleando el protocolo IEEE 802,11 y finalmente toda la información recibida es concatenada y transmitida por protocolo CTP/IP para visualizar las mediciones en una estación remota.
4.1. Objetivos específicos
Diseñar e implementar un prototipo de vivienda la cual cuenta con tres sistemas básicos de medición de iluminación, temperatura y ventilación, que son digitalizados para transmitir.
Diseñar un sistema de interconexión inalámbrico empleando protocolo IEEE 802,11 entre la estación de monitoreo y las estaciones remotas de monitoreo de iluminación, temperatura y ventilación en el prototipo.
Implementar en un modelo a escala, el protocolo CTP/IP para transmitir las variables medidas a una estación de monitoreo remota.
Probar el sistema de digitalización de las señales medidas y la comunicación de la red local entre los tres sensores y la estación de monitoreo.
Probar el sistema de comunicaciones entre la estación base y un usuario remoto a través de protocolo TCP/IP.
5. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Teniendo en cuanta los objetivos se plantea la siguiente pregunta de investigación enfocada hacia el área de la domótica: ¿Se puede diseñar e implementar un SmartHome a pequeña escala a partir de una red local doméstica inalámbrica para el monitoreo de temperatura, luz y ventilación?
Este proyecto se plantea desde la modalidad de trabajo de grado como monografía, donde el conocimiento adquirido en los cursos de circuitos digitales, comunicaciones digitales, electrónica III e instrumentación industrial, permitirán realizar un prototipo de implementación domótica.
La implementación para dar respuesta a la pregunta de investigación, consiste de un prototipo para monitorear la iluminación, temperatura y la ventilación en un hogar inteligente.
El proyecto se desarrolla en la Universidad Distrital y consiste en ejecutar los trabajos propuestos en macro proyecto del grupo de investigación “Ciudades Inteligentes”. Se pretende crear un modelo a escala de una casa en la cual este automatizado el sistema de iluminación y ventilación, además que sea verificado de forma remota el comportamiento de los electrodomésticos presentes en ella, debido a que hace parte de los temas relacionados con domótica.
El tema de trabajo de grado está relacionado con una aplicación en domótica y fue apoyado por el CIDC de la universidad Distrital y el grupo LIDER1, el cual apoyó el proceso desde su grupo de semilleros de investigación para llevar a buen término el trabajo y generar un valor agregado a los estudiantes y a la universidad. Este trabajo realiza un aporte a la línea de investigación domótica dentro de la facultad de ingeniería.
6. ALCANCE
Diseñar la arquitectura para un sistema de monitoreo en red NMS (por sus siglas en inglés Networked Monitoring System) como se muestra en la Gráfica 8.3.2-1.
Implementar y probar los sensores del numeral 8.1 en el entorno del prototipo. Emplear los sensores de luz y temperatura para recolectar la información en tiempo real del ambiente y digitalizarla.
Implementar y probar una red local tipo WLAN entre los sensores y el HEC empleando el protocolo IEEE 802,11.
7. LIMITACIONES
En el proyecto se monitorea únicamente las variables ambientales de luz y temperatura a través de transductores, los cuales hacen la conversión análogo – digital de la señal para que pueda ser transmitida al HEC. El sistema de ventilación monitorea únicamente su estado de encendido o apagado.
Los valores medidos no son almacenados de forma permanente y no se realiza ningún tipo de análisis estadístico.
No se considera la interacción con otros dispositivos que pueda tener una SmartHome.
8. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL
Este prototipo son los ojos y oídos cando no se está en casa, o puede ayudar a hacer más confortable la permanencia en ella. Con sensores se medirán las variables ambientales y a través del protocolo TCP/IP se realiza la conexión a Internet manteniendo informado en todo momento los eventos que tengan lugar en la SmartHome.
Informar si el sistema de ventilación quedo encendido, la puerta está abierta, el nivel de iluminación en una zona específica de la casa o conocer el momento en que la lavadora ha terminado su ciclo de lavado. Es por esta razón que en esta sección se justifica la selección de las variables ambientales de cada uno de los sensores que fueron implementados en el prototipo.
8.1. Selección de los Sensores
Las cargas eléctricas más grandes de una casa o de un edificio y a las cuales por lo general de asigna un único circuito eléctrico son:
Circuito de distribución destinado a alimentar iluminación.
Circuito de distribución destinado a alimentar horno eléctrico, lavadora y secadora.
De esta forma se puede con solo apretar un botón, iluminar una habitación, refrigerar la casa en verano y calentar en invierno y poder encender la lavadora o la secadora. Para poder ahorrar el consumo de energía en un hogar, la tendencia consiste en usar:
Lámparas de bajo consumo que proporcionan el mismo nivel de iluminación. Encender las luces solamente cuando sea necesario.
Aprovechar al máximo la luz natural. Apagar las luces de una habitación al salir. Utilizar el aire acondicionado solo cuando sea necesario.
Si se utiliza calefacción que requiera energía eléctrica, es importante graduar el termostato a un temperatura baja.
Las principales cargas eléctricas que se pueden manipular para reducir el consumo de energía son:
Iluminación Temperatura
Encender y o pagar equipos de alta potencia
Para poder implementar un proceso de ahorro de energía es necesario medir y después ejecutar procesos de ahorro. Por esta razón para el diseño de prototipo de SmartHome se consideraron medir estas tres variables. A continuación se explica la medición de cada una.
8.1.1. Termómetro digital
en la casa con diferente ocupación de personas, o en el caso de viviendas ubicadas en ambientes con estaciones, se pueden implemente sistemas inteligentes de control de temperatura.
Durante los meses de verano, se puede medir la temperatura para configurar el sistema de aire acondicionado o apagar la calefacción cuando no sea necesario. En invierno, midiendo la temperatura se puede activar el sistema de calefacción para aumentar la temperatura.
Cuando los valores de temperatura medidos estén por encima de la temperatura ambiente, y no esté nadie en casa para confirmar el valor medido, podría deberse a un incendio, y con este sistema generar una señal de alarma.
Para el diseño del prototipo se utilizó un sensor de temperatura DS18B20 fabricado por
Dallas Semiconductor. Este es un sensor digital, ya que entrega la medición de temperatura codificada en dos bytes, donde los dos primero bits son utilizados para el signo, y los otros dos restantes son potencias de 2.
Las características principales de este sensor son las siguientes:
Es un termómetro digital de alta precisión, entre 9 y 12 bits de temperatura en grados Celsius (el usuario puede escoger la precisión deseada).
Su temperatura operativa se encuentra entre -50 y 125 grados Celsius. La precisión, en el rango comprendido entre -10 y 85 grados es de ±0.5 grados.
Su precio es económico (ver costos fijos), e interfaz de funcionamiento es sencilla y su uso es muy provechoso para proyectos que requieran mediciones precisas y confiables.
La corriente de activación del sensor de temperatura es de 1 mA @ 5 V.
Cuenta con tres terminales, dos de alimentación y el pin de datos.
Gráfica 8.1.1-1. Configuración de pines para el sensor de temperatura DS18B20
OneWire está basado en un bus, un microcontrolador y el sensor digital de temperatura, emplea una sola línea de datos que puede ser también con la que se alimenta eléctricamente.
Para enviar un bit a 1 el microcontrolador lleva a 0 volts la línea de dato durante 1-15 microsegundos.
Para enviar un bit a 0 el microcontrolador lleva a 0 volts la línea de dato durante 60 microsegundos.
En la siguiente imagen se puede apreciar la digitalización de la señal análoga de temperatura del sensor y algunos ejemplos a diferentes temperaturas y como se encuentra el valor de cada byte.
a)
b)
Gráfica 8.1.1-2 a) Formato de registro de temperatura en el sensor de temperatura DS18B20. b) Codificación temperatura y Salida digital
Este sensor tiene la posibilidad de configurar la resolución, posee cuatro resoluciones las cuales serían de 9 bits, 10 bits, 11 bits y 12 bits. Para su configuración, existe un registro dentro de la memoria llamada registro de configuración. Dentro de éste, existe dos bits, los cuales, colocando diferentes combinaciones de 0 y 1 se configura la resolución.
El sensor opción de alimentación eléctrica de dos formas diferentes:
La segunda forma se obtiene alimentando de manera normal al sensor, esto quiere decir, colocando Vdd a 3,3 volts y GND a tierra, y utilizar DQ solamente para comunicación.
Gráfica 8.1.1-3 Diagrama de bloques del sensor de temperatura DS18B20.
Integrado dentro del encapsulado se encuentra el circuito de alimentación del modo parasito
basado en un condensador que se carga cuando hay señal a nivel alto y un sistema de detección de alimentación (Power Supply Sense). Está compuesto por una memoria ROM de 64 bits que almacena el número de serie del dispositivo, un puerto OneWire, una pequeña memoria en la que se almacena la configuración (Memory control logic) y la temperatura una vez convertida en forma digital, un generador donde se verifica la redundancia cíclica de CRC (CRC generator) para comprobar la coherencia del valor digital de la temperatura y el sensor de temperatura, la memoria Scratchpad y dos alarmas de nivel que no son habilitadas para esta aplicación.
La resolución por defecto y la que se empleó es de 12 bits. En el arranque, el registro de configuración contiene el valor correspondiente a esta resolución no es necesario realizar ninguna operación para configurarlo en este modo.
El byte menos significativo de los dos que se utilizan para codificar el valor de la temperatura siempre almacena información y el más significativo almacena más o menos información dependiendo de la resolución.
Una vez la temperatura se ha convertido y el sensor envía el valor lógico de uno, se considera que el tiempo de conversión ya ha pasado, y se envía la orden de lectura de datos que sirve para que el dispositivo transmita el contenido de la memoria.
8.1.1.1. Secuencia de transmisión
La secuencia de transmisión para configuración del sensor DS18B20 es el siguiente:
Paso 1. Inicialización: Todas las transmisiones en el bus OneWire comienzan con una secuencia de inicialización. La secuencia de inicialización consiste en un impulso de reposición transmitida por el maestro, seguido de pulso presencia transmitido por el esclavo. El pulso de presencia permite al maestro saber que los dispositivos esclavos (como el DS18B20) y están listos para funcionar.
ROM de cada dispositivo esclavo. Estos comandos también permiten al maestro determinar cuántos y qué tipos de dispositivos están presentes o si algún dispositivo ha experimentado una condición de alarma. Hay cinco comandos ROM, y cada comando es de 8 bits de longitud. El dispositivo maestro debe emitir una orden apropiada ROM antes de emitir un comando de la función DS18B20.
Paso 3. Comando de función. Después que el maestro ha utilizado un comando ROM con el que desea comunicarse con el DS18B20, el maestro puede emitir uno de los comandos de función DS18B20. Estos comandos permiten al maestro escribir y leer desde la memoria del DS18B20, iniciar conversiones de temperatura y determinar el modo de alimentación.
Esta secuencia se debe seguir cada vez que se accede al sensor. Después de emitir cualquiera de estos comandos ROM, el dispositivo que funcione como maestro debe volver al paso 1 en la secuencia.
8.1.2. Sensor de luz
La iluminación de una casa o en un edificio es la carga eléctrica instaladas más grande, y es por tanto, de los primeros elementos a optimizar a la hora de ahorra energía.
En este caso en particular se espera medir el nivel de iluminación natural existente y posteriormente compensarla con la dimerización de la iluminación artificial. Con el sensor de iluminación se puede medir la cantidad de luz natural presente en algún recinto y con otro dispositivo se podría emiten una señal para controlar la iluminación.
Este tipo de sensor se ubica en el interior del lugar dentro de la casa que se quiere monitorear, midiendo constantemente la luminosidad que entra por la misma en cada momento.
Únicamente se debe ubicar el sensor a la distancia correcta de la ventana, para que pueda medir correctamente la cantidad de luz natural y obtener el nivel de iluminación adicional que debe ser suministrado.
Para el diseño del segundo sensor en el prototipo se utilizó un sensor de luz TSL 2561 fabricado por Dallas Semiconductor. Es un sensor digital de luz que puede ser configurado para detectar rangos de luz de 0,1- 40000 lux.
El sensor tiene una interfaz digital (I2C). La corriente que consume es extremadamente baja, alrededor de 0,6 mA cuando se encuentra censando, y menos de 15 uA @ 5 V cuando está en modo de bajo consumo.
El sensor tiene dos diodos, uno para espectro infrarrojo y otro para espectro completo. Eso significa que se puede medir por separado infrarrojo, espectro completo o luz visible por el ser humano. Ambos sensores están integrados en un circuito integrado CMOS capaz de proporcionar respuesta sobre de 20 bits (resolución de 16 bits). Para este caso particular el sensor infrarrojo no es utilizado.
Gráfica 8.1.2-2 Configuración de pines para el sensor de temperatura TSL 2561.
La descripción de los pines del sensor son los siguientes:
Nombre Tipo Descripción
ADDR SEL I Selección en el dispositivo MSbus
GND Referencia a tierra
INT O Nivel
SCL I Terminal de entrada serial de reloj SMBus – Señal de reloj para dato serial MSBus
SDA I/O Datos serial de I/O para MSBus
Vdd Suplencia de tensión
El sensor de luz TSL 2561 contiene dos sensores, a cada está asociado un conversor análogo-digital (ADC) que integra las corrientes de los dos fotodiodos.
La integración de ambos canales ocurre simultáneamente. Al finalizar el ciclo de conversión, el resultado es transferido a los registros de canal 0 y el canal 1 de los datos, respectivamente. Después de la transferencia, el dispositivo comienza automáticamente el siguiente ciclo de integración.
La comunicación con el dispositivo se lleva a cabo a través de un estándar Two Wire SMBus o I2C bus serial, esto quiere decir que se puede comunicar directamente con el microcontrolador, no se requiere ningún circuito externo para acondicionamiento de la señal ahorrando espacio en el PCB. Puesto que la salida del TSL2561 es digital, la salida es inmune al ruido cuando se compara con una señal analógica.
Gráfica 8.1.2-3 Diagrama de bloques del sensor de luz TSL 2561.
8.1.2.1. Principios de operación del sensor de luz
La interface y el control de sensor se realizan a través del estándar TwoWire, con un conjunto de registros que proporciona acceso a las funciones de control dispositivo y a los datos de salida. La interface serial es compatible con System Management Bus (SMBus) y I2C modo rápido.
Después de aplicar la respectiva tensión de polarización en Vdd, el dispositivo será iniciado para estar en el estado de bajo consumo. Para operar el sensor, se emite el comando de acceso al registro de control seguido por valor para encender el sensor. En este punto ambos ADC comienzan la conversión en el valor predeterminado de tiempo de 400 ms, el resultado de la conversión es enviado a los registros correspondientes.
8.1.3. Sensor magnético reed witch
Las dimensiones de este sensor son: Largo 34 mm, ancho 13,50 mm y alto 8,00 mm. Tiene una apertura de trabajo de 20 a 25 mm.
Su principio de comunicación es simple, y detectan los objetos magnéticos (imanes permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación.
El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF".
Parámetro Valor
Distancia de detección (Espacio) 15 a 25 mm
Carcasa Plástico ABS blanco
Instalación Exterior
Dimensiones 34 mm, 13,50 mm, 8,00 mm
Tabla 2. Características físicas del reed switch.
Características:
Juego de sensor magnético (1 Reed Switch + 1 imán + tornillos de fijación).
Estado del Reed Switch: Normalmente Abierto (NO). Se cierra al estar cerca de un campo magnético (imán)
Distancia de operación: 15 – 25 mm
Características del cable: 24 AWG, 350mm de largo Color carcasa: Blanco
Material carcasa: ABS
Consta de dos partes una va cableada al microcontrolador y la otra es libre. Si ambas se cierran el dispositivo detecta la presencia de campo magnético.
8.1.4. Comunicación local de los sensores
Los protocolos de comunicaciones y conectividad más usados en una SmartHome se presentan en el artículo “A proxy-based solution for interoperability of SmartHome protocols” de (Albuquerque & De Aquino Junior, 2014) y se presentan la siguiente tabla. Los protocolos con mayor aceptación para comunicaciones locales en SmartHome y el número de implementaciones encontradas por los autores:
PROTOCOLO NÚMERO DE REFERENCIAS
UPnP 13
DLNA 6
ZigBee 5
DPWS 2
JINI 1
Bluetooth SDP 1
Tabla 3. Protocolos más utilizados en SmartHome, tomado de (Albuquerque & De Aquino Junior, 2014).
Universal Plug and Play (UPnP): Es un conjunto de protocolos de comunicación que permite a periféricos en red, como ordenadores personales, impresoras, pasarelas de Internet, puntos de acceso Wi-Fi y dispositivos móviles, descubrir de manera transparente la presencia de otros dispositivos en la red y establecer servicios de red de comunicación, compartición de datos y entretenimiento. UPnP está diseñado principalmente para redes de hogar.
Digital Living Network Alliance (DLNA): Su objetivo es definir directrices de interoperabilidad que permitan compartir medios digitales entre dispositivos de consumo como ordenadores, impresoras, cámaras, teléfonos móviles y otros dispositivos multimedia. DLNA especifica la forma de utilizar estos estándares con el fin de que los distintos dispositivos que pueda haber dentro de una misma red se interconecten entre ellos para compartir sus contenidos.
Las directrices DLNA suponen una capa de restricciones acerca de los tipos de formatos de fichero multimedia, codificaciones y resoluciones que los dispositivos deben soportar. La ventaja que ofrece es una fácil configuración y gran versatilidad. Este sistema puede funcionar tanto en redes Wi-Fi como Ethernet.
ZigBee: Es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radiodifusión digital de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal área network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías.
En principio, el ámbito donde se prevé que esta tecnología cobre más fuerza es en domótica. La razón de ello son diversas características que lo diferencian de otras tecnologías:
Su bajo consumo.
Su topología de red en malla.
Su fácil integración (se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica).
Devices Profile for Web Services (DPWS): Define un conjunto de restricciones para permitir la mensajería de servicios Web. Su característica principal es notificar eventos, intercambio de mensajes y descripción de servicios. Sus objetivos son similares a los de Universal Plug and Play (UPnP), pero además, DPWS está totalmente alineado con la tecnología de servicios web, e incluye numerosos puntos de extensión para integración.
Bluetooth Servicie Discovery Protocol (SDP): Es cualquier dispositivo Bluetooth que ofrece un servicio o servicios a otros dispositivos Bluetooth. Cada servidor SDP tiene su propia base de datos; no hay una base de datos central.
En el protocolo SDP los clientes pueden utilizan los servicios proporcionados por los servidores. Para que hagan esto, servidores y clientes intercambiar información sobre los servicios.
La base de datos SDP es simplemente un conjunto de registros que describen todos los servicios. El dispositivo Bluetooth proporciona los medios para que otro dispositivo pueda mirar a estos registros.
Elementos de datos: Los atributos tienen valores, y esos valores pueden tener varios tipos y tamaños. De modo que un dispositivo que recibe un atributo sabe qué tipo y tamaño que está recibiendo, atributos se envían en elementos de datos.
WIFI (IEEE 802,11): Los protocolos IEEE 802,x definen la tecnología de redes de área local (LAN). En este protocolo está compuesto por:
Estaciones: Computadoras o dispositivos de interfaz de red. Medio: Se puede definir dos, la radiofrecuencia y los infrarrojos.
Punto de acceso (AP): tiene las funciones de un puente (conecta dos redes con niveles de enlaces parecidos o distintos), y realiza por tanto las conversiones de trama pertinente.
Es un protocolo con amplio mercado comercial y compatibilidad con otros dispositivos. Este sistema proporciona una conexión entre dispositivos electrónicos de forma inalámbrica. Las redes wifi poseen una serie de ventajas, entre las cuales podemos destacar:
El sistema wifi asegura la compatibilidad absoluta entre dispositivos, con lo que podría utilizar la tecnología wifi.
Las WIFI mezclan la comodidad de uso de las conexiones inalámbricas (como Bluetooth), con un mayor alcance y fácil acceso WIFI en una SmartHome.
Pero como red inalámbrica, la tecnología wifi presenta los problemas intrínsecos de cualquier tecnología inalámbrica. Algunos de ellos son:
Una de las desventajas que tiene el sistema wifi es una menor velocidad en comparación a una conexión cableada, debido a las interferencias y pérdidas de señal que el ambiente puede acarrear.
La desventaja fundamental de estas redes reside en el campo de la seguridad. Este problema se agrava si consideramos que no se puede controlar el área de cobertura de una conexión, de manera que un receptor se puede conectar desde fuera de la zona de recepción prevista (por ejemplo: desde una vivienda vecina).
8.2. Módulo de comunicación inalámbrica entre sensores
Después de estudiar los tipos de comunicación propuestos en la Tabla 3, se decidió adoptar el protocolo WIFI por las siguientes razones:
Implementación rápida y de bajo costo
Capacidad de sincronización automática entre dispositivos cuando éstos se encuentran en su radio de acción común.
Cobertura: Entre 10 m y 100 m según potencia.
Velocidad: 11Mbps (802.11b). Con 802.11g hasta 54 Mbps
Para la selección del módulo de comunicación a usar en el prototipo, se consideraron las dos opciones comerciales más conocidas. Los módulos consultados, incluyen toda la electrónica necesaria para la comunicación por radio frecuencia en la banda WFI, así como TCP/IPy que se programan través de un puerto serial. A continuación una tabla comparativa entre las familias de módulos:
Nombre Precio Función STA/AP Tamaño
WIFI ESP8266 $ 14 000 STA/AP 11,5 mm x 11,5 mm
WIFIESP 8266 EPS 12e
$ 57 000 STA/AP 18 mm x 20 mm
WIFI USR-WIFI232T $ 20 000 STA/AP 22 mm x 13 mm
WIFI USR-WIFI232B $ 50 000 STA/AP 25 mm x 40 mm
Tabla 4. Tabla comparativa de módulos WIFI compatibles con los sensores.
Estas dos familias de módulos incluyen todo lo necesario para conectarse a un punto de acceso WIFI mediante programación de puerto serial o interfaz web, que puede ser configurada a diferentes velocidades. Disponen también, de puertos GPIO (General Purpose Input Output) para su uso como activador, el cual podría ser configurado para futuras aplicaciones.
Se escogieron los módulos WIFI232 de la marca USR para la implementación de prototipo ya que no se encontró una diferencia sustancia entre ambas familias. Este módulo utiliza comunicación serial de entrada y es capaz de enviar datos en protocolo TCP-IP de salida, de manera que se lo puede utilizar para convertir la comunicación serial del microcontrolador en una interfaz inalámbrica manejada con IP y que usa el protocolo TCP para enviar los datos sobre estándar IEEE 802.11 b/g/n el cual se usa para la red WLAN.
Este módulo tiene la capacidad de convertir tramas de datos recibidas a través de su puerto serie en tramas TCP, además de contar con posibilidad de trabajar como un simple componente con dirección IP o también funcionar como enrutador o como un punto de acceso, trabaja con protocolo IEEE 802.11 b/g/n a una velocidad máxima de 110MBps.
Para que sea inalámbrico, cada uno de los módulos además de poder transferir datos usando una red LAN, tiene su propia fuente de alimentación. Los módulos consumen alrededor de 350 mA, esto quiere decir que se necesita baterías de potencia baja.
8.2.1. Módulo inalámbrico WIFI232
El módulo escogido para la implementación es totalmente auto contenido, de formato muy pequeño (el tamaño de este módulo es de 22 mm x 13 mm). Utiliza el protocolo IEEE 802,11 b/g/n, el cual provee una interfaz inalámbrica con cualquier dispositivo con transferencia de datos de interface serial.
En la tarjeta electrónica se implementará el módulo WIFI232 el cual Integra todas las funcionalidades del protocolo WIFI en un bajo perfil, que es fácilmente instalado en un circuito PCB con aplicaciones específicas. El módulo proporciona su propia antena.
Características del dispositivo a implementar son: Soporta estándar inalámbrico IEEE 802,11b/g/n Soporta protocolo de red TCP/IP/UDP
Soporta interfaz de comunicaciones de datos UART (Universal Asíncrono Recepción y Transmisión) /GPIO / Ethernet
Modo de trabajo STA/AP/AP+STA
Puede adaptarse antena interna y externa
Soporta WIFI a 2,4 GHz, con modo de seguridad WEP, WPA/WPA2
Consumo de potencia muy bajo para aplicaciones con batería con tensión de alimentación TTL (3,3 volts).
Parametrización en interfaz web, Android, IOS APP, Smart link APP. Protocolo de red IPv4, TCP/UDP/HTTP
Vida útil 12 meses
Velocidad de transmisión de señales por segundo: 600, 1200, 1800, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 380400, 460800.
La longitud de datos de recepción cubre 0-1000 bytes.
Gráfica 8.2.1-1 a) Vista del módulo USR-WIFI232T. b) Mapa de pines del módulo
PIN Descripción Nombre Tipo de señal Comentario
1 Tierra GND Potencia
2 +3,3 Volts DVDD Potencia 3,3 Volts a 250 mA
3 Módulo de
recuperación
nReload I Entrada de reset
Puede ser usada para Pin de Smart Link
reset
Puede usarse con PWM/GPIO18
9 PWM/nReady PWM_2 I/O Función por defecto nReady
Puede usarse con PWM/GPIO12
10 PWM/nLink PWM_1 I/O Función por defecto nLink
Puede usarse con PWM/GPIO11 Convenciones de la tabla:
I: Entrada O: Salida PU: Pull-up I/O: Entrada/salida
Tabla 5. Descripción de los pines del módulo inalámbrico USR-WIFI232T
La descripción funcional de los pines principales que se configuraron en el módulo son:
nReset: Es el pin para reset del módulo; nReset necesita una resistencia de pull-up cuando se quiere habilitar para operación. Si el módulo MCU necesita hacer un reset, se envía pulllow al menos por 10 ms.
nReload: Es el pin para configuración del módulo; después de encender el módulo, este pin se puede dejar en cero por un tiempo menor a 3 segundos para la configuración Smart link, se debe esperar a la aplicación para introducir la; Después que el módulo es enciendo, este pin se puede dejar en cero por un tiempo mayor a 3 segundo para recuperar la configuración de fábrica.
Para estos dos pines se usan resistencias de pull up entre 5 kΩ y 10 kΩ.
NLink: Este pin indica el estado del módulo; Para la configuración Smart Link, este pin indica que se han terminado los ajustes. Para operación normal, este pin indica el estado.
NReady: Es el pin indicador para éxito de inicio.
WPS: Wi-Fi protect setup, sirve para conectar el módulo al punto de acceso. UART: Recepción y transmisión;
GPIO_n: entrada/salida de propósito general; es un pin cuyo propósito se puede controlar (programar) por el usuario en tiempo de ejecución.
PWM_N: En el pin de salida PWM del módulo. Puede configurarse también como el pin GPIO.
La potencia de transmisión de módulo depende el protocolo que se esté utilizando así:
Protocolo
IEEE Potencia (dBm)
Potencia
(mW) Sensibilidad (dBm)
802.11n +13 dBm (300
Mbps) 19,95 -82dBm (300 Mbps) 0,0000063
Tabla 6. Parámetros el potencia y sensibilidad del módulo USR-WIFI232T
Las dimensiones del módulo son:
Gráfica 8.2.1-2 Módulo USR WIFI232T dimensiones físicas.
Este módulo cuenta con una conexión para antena externa tipo I-PEX, el módulo debe conectarse a una antena de 2,4G de acuerdo con el estándar IEEE.
Gráfica 8.2.1-3 Conector I-PEX para antena del módulo USR WIFI232T.
Gráfica 8.2.1-4 Fotografía de la antena para cada una de las tarjetas de sensores.
8.2.1.1. Modo de trabajo
En módulo USR-WIFI232-T tiene tres modos de trabajo: modo rendimiento, modo de comando y modo PWM/GPIO.
Modo rendimiento: En este modo, el módulo puede transmitir datos entre el dispositivo serial y la red.
Modo de comando: En este modo, el usuario puede consultar y establecer el puerto serial y los parámetros de red en el módulo a través del comando AT.
Modo PWM/GPIO: En este modo, el usuario puede realizar el control de PWM/GPIO a través de comandos de red.
El modo seleccionado para este módulo es el modo comando. En este modo el módulo requiere el puerto serial para recibir el comando AT. El usuario puede enviar comandos AT al módulo a través de puerto serial, para consultar y establecer los parámetros de configuración y la red.
8.2.1.2. Red inalámbrica
Este módulo puede ser configurado como STA (Estación) y AP (Punto de Acceso) con base en el tipo de red. A continuación se realiza la descripción de cada configuración.
STA: En la configuración como estación empleada para los sensores, cada terminal conectado a la red inalámbrica (En este caso son cada uno de los dispositivos medidores de variables ambientales, pero pueden ser también computadores portátiles, impresoras, celulares y otros dispositivos).
Gráfica 8.2.1.2-1 Diagrama de conexión inalámbrica del módulo USR-WIFI232T.
El modo STA es el método de red empelado por los sensores, como se muestra en la Gráfica de arriba, la red consiste en un router como Punto de Acceso y los demás dispositivos como STA, en esta red el Punto de Acceso está en el centro, la comunicación entre los nodos STA es reenviada por el AP al usuario remoto.
En el modo AP, la tarjeta electrónica de cada sensor puede conectarse rápidamente con un dispositivo serial para transferir datos o configuración. También, se pueden agregar módulos y parametrizarlos desde el entorno web. En USR-WIFI232T en configuración AP, solo puede conectar máximo dos dispositivos en modo STA.
8.2.1.3. Encriptación de la información inalámbrica
Aunque en la implementación del prototipo no se considera necesario utilizar ningún tipo de encriptación, los módulos de comunicación inalámbricos cuentan con los métodos convencionales de encriptación los cuales se describen a continuación:
WEP: Wired Equivalent Privacy o "Privacidad Equivalente a Cableado", es el sistema de cifrado incluido en el estándar IEEE 802.11 como protocolo para redes Wireless que permite cifrar la información que se transmite.
WPA: Wi-Fi Protected Access o“AccesoWi-Fi protegido” es un sistema para proteger las redes inalámbricas (Wi-Fi). WPA implementa la mayoría del estándar IEEE 802.11.
WPA2: Wi-Fi Protected Access 2 o “Acceso Protegido Wi-Fi 2”, es un sistema para proteger las redes inalámbricas (Wi-Fi); creado para corregir las vulnerabilidades detectadas en WPA. WPA2 está basada en el nuevo estándar 802.11i. WPA, por ser una versión previa, que se podría considerar de "migración", no incluye todas las características del IEEE 802.11i, mientras que WPA2 se puede inferir que es la versión certificada del estándar 802.11i.
sistemas de encriptación, este proceso se realiza igual que con un Router WIFI, ya que los parámetros de configuración se pueden realizar desde entorno web.
8.2.1.4. Configuración del módulo inalámbrico
El módulo de comunicaciones USR-WIFI232 de la tarjeta electrónica, tiene los siguientes parámetros de fábrica, y se puede conectar a un PC para realizar su respectiva configuración por medio de una aplicación web:
Parámetros Valores por defecto
SSID (Service Set Identifier) USR-WIFI232
IP Address 10.10.100.254
Subnetmarsk 255.255.255.0
UserName admin
Password admin
Tabla 7. Valores por defecto para la aplicación web del módulo inalámbrico USR-WIFI232
8.2.1.5. Acceso a la interfaz web del punto de acceso
Es posible acceder a la interfaz de configuración del módulo de comunicaciones del HEC a través de un navegador web, por esta razón, es posible realizar desde cualquier dispositivo conectado en la red local LAN, y realizar cualquier ajuste en la configuración.
Para configurar el dispositivo de comunicación inalámbrica del HEC, se realiza en mismo procedimiento como se configuraría un Router WIFI:
1. Conectar al PC el módulo USR-WIFI232 a través de la red LAN.
2. Después de establecer la conexión ejecutar la aplicación web (Internet Explorer, Chrome, mozilla firefox) se ingresa la IP http://10.10.100.254 en la barra de dirección del navegador.
3. Ahora que se ha accedido con éxito vía web al panel de configuración, se muestra una pantalla de inicio de sesión con el nombre de usuario y contraseña dados en la
Tabla
7
antes de realizar cualquier cambio en la configuración.Una vez dentro de la interfaz, se puede ir por cada menú lateral para cambiar la configuración del módulo inalámbrico. El menú posee las siguientes opciones de configuración:
System: En esta opción se puede verificar la información importante del dispositivo y su estado, tales como ID del dispositivo, versión del software, modo de trabajo del dispositivo.
STA Setting: Con esta opción si el dispositivo está configurado en modo estación, se puede pulsar la opción Scan para qué busque automáticamente el AP cercano, se debe tener en cuenta si la red tiene algún tipo de encriptación. Cada uno de los módulos medidores de las variables ambientales estará configurado como estación.
Enable / Disable: Activa o desactiva las funciones de punto de acceso inalámbrico del dispositivo.
SSID: Se utiliza para identificar la red. La mayoría de los puntos de acceso tienen valores predeterminados conocidos. Esta opción permitir la difusión de SSID para asociarse. Normalmente, el punto de acceso emite su SSID para que los dispositivos inalámbricos dentro de su alcance se puedan conectar a la red. Para una red más segura, puede desactivar esta función.
8.2.1.6. Descripción general del módulo inalámbrico
El modulo de la tarjeta electrónica del HEC es el WIFI232, este es un modulo que conecta cualquier microcontrolador a la red WIFI. Se utilizó el módulo serial UART WIFI con protocolo IEEE 802.11 debido a su reducido tamaño, proporciona una interfaz inalámbrica con cualquier dispositivo con puerto serial. En la siguiente fotografía se muestra el módulo.
Gráfica 8.2.1.6-1 Módulo inalámbrico USR WIFI232T utilizado en la tarjeta electrónica.
Éste módulo permite comunicar el sensor a la red inalámbrica. Este modulo permite la configuración con cualquier dispositivo con puerto serial de forma inalámbrica con la red LAN, en este caso con la red de la SmartHome.
8.3. HEC (Home Energy Controller)
La estación base HEC es la encargada de transmitir a una interfaz retoma la información recolectada por los sensores, para que los usuarios observen el sistema de monitoreo ubicado en el entorno doméstico. El usuario podría conocer el estado de las variables medidas en tiempo real a través de esta interfaz.
los resultados en tiempo real. El usuario remoto puede seleccionar y verificar la medición de los sensores de monitorio.
En el HEC se ejecuta una aplicación para iniciar el proceso de monitoreo, con el propósito que el usuario remoto tenga acceso.
El sistema de comunicaciones empleará el HEC para transmitir los datos adquiridos, a través de sistema inalámbrico. La tecnología que se emplea en el sistema de comunicaciones será WAP (Wireless Aplication Protocol) o protocolo de aplicaciones inalámbricas para comunicación de datos adquiridos por los sensores. Se emplea el estándar IEEE 802.11 (Wireless LAN).
Estándar IEEE 802.11b: Esta funciona en la banda de frecuencia de 2,4 GHz y permite la transmisión de datos con velocidades de 5 hasta 11 Mbps, con este estándar se puede crear una red de trabajo inalámbrico (WLAN).
Estándar 802.11g: Sistema compatible con el estándar b. Se emplea en la mayoría de redes inalámbricas. Utiliza banda de 2,4 GHz pero opera a una velocidad de 54 Mbits/s.
Estándar 802.11n: Es una propuesta de modificación al estándar IEEE 802.11para mejorar significativamente el rendimiento de la red más allá de los estándares anteriores, tales como 802.11b y 802.11g, con un incremento significativo en la velocidad máxima de transmisión mayor de 54 Mbps.
El punto de acceso establece comunicación a través de la interface Ethernet y el protocolo TCP/IP con el HEC, configurando una red privada con estos dispositivos.Dentro de la LAN inalámbricas el protocolo más usado (por tanto el más comercial) es el IEEE 802,11 /b/g/n mejor conocido como WI-FI.
8.3.1. Conexión a la red del HEC
Para conectar y configurar el módulo inalámbrico de HEC fue necesario implementar en la tarjeta un puerto serial RS232.
El módulo de conexión WIFI del HEC es el USR WIFI232B el cual funciona con protocolo IEEE 802,11 que puede conectarse a cualquier equipo con interface inalámbrica y puerto serial para transferencia de datos.
Este módulo WIFI USR WIFI232B se diferencia del USR WIFI232T en primer lugar porque no es un adaptador WIFI para Arduino, sino un micro PC que incorpora un módulo WIFI, es decir no es un simple módulo que necesita ser manejados como esclavos de un microcontrolador externo, sino que en su interior alberga un microprocesador interno y una memoria.
El módulo de conexión inalámbrica es utilizado en aplicaciones de domótica y dispositivos inteligentes. El módulo WIFI tiene capacidad para conectar hasta 32 estaciones simultáneamente.
Características del dispositivo de comunicaciones:
Soporta estándar inalámbrico IEEE 802,11b/g/n Soporta protocolo de red TCP/IP/UDP
Soporta WIFI a 2,4 GHz, con modo de seguridad WEP, WPA/WPA2
Consumo de potencia muy bajo para aplicaciones con batería con tensión de alimentación TTL (3,3 volts).
Soporta interfaz de comunicaciones de datos UART (Universal Asíncrono Recepción y Transmisión) /PWM/GPIO
Parametrización en interfaz web, Android, IOS APP, Smart link APP. Protocolo de red IPv4, TCP/UDP/HTTP
Vida útil 12 meses
Velocidad de transmisión de señales por segundo: 600, 1200, 1800, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 380400, 460800.
La longitud de datos de recepción cubre 0-1000 bytes.
Clasificación Item Parámetros
Parámetros inalámbricos Estándar inalámbrico 802,11 b/g/n
Rango de frecuencia 2,42GHz – 2,484 GHz Parámetros del hardware Voltaje de operación 3,3 V
Corriente de operación 170 mA – 300 mA
Dimensiones 25 x 40 x 8 mm
Parámetros del software Tipo de red Estación / AP modo / STA+AP
Seguridad WEP/WAP/WAP2
Tabla 8. Especificaciones técnicas del módulo inalámbrico para el HEC.
Gráfica 8.3.1-1 Configuración de pines para el módulo inalámbrico del HEC.
PIN Descripción Nombre Dirección Nota
1 Tierra GND Potencia Tierra
3 UART dato de transmisión UART_TXD O Si no usa la función
5 UART enviar requisitos de datos de transmisión 9 Indicación de estado del
módulo
nReady O “0” final del proceso
“1” Arranque del módulo sin finalizar
GPIO GPIO9 I/O
10 Restaurar configuración nReload I El módulo será
restaurado a su
Tabla 9. Descripción de los pines del módulo inalámbrico del HEC.
La potencia de transmisión de módulo depende el protocolo que se esté utilizando así:
Protocolo
IEEE Potencia (dBm)
Potencia
(mW) Sensibilidad (dBm)
Sensibilidad
Tabla 10. Parámetros el potencia y sensibilidad del módulo USR-WIFI232B
8.3.2. Configuración del HEC como Punto de Acceso y Estación
Gráfica 8.3.2-1 Configuración del módulo como punto de acceso y estación.
Cuando es habilitado con la configuración AP+STA, la interface STA puede conectarse con un Router y con un servidor TCP. Al mismo tiempo, la interface AP esta también activada y permite a otros dispositivos conectarse con un servidor TCP.
Las ventajas de esta configuración es que el usuario puede establecer conexión fácilmente y realizar un seguimiento del dispositivo sin tener que cambiar la configuración original de la red. También se permite establecer parámetros a través de la red WIFI cuando el módulo trabaja como estación.
Esta función se puede configurar en este dispositivo gracias a posee dos socket.
8.3.3. Antena de módulo inalámbrico
Al módulo inalámbrico debe instalarse de una antena externa. La antena está diseñada para operar de acuerdo con el estándar IEEE 802,11 b/g/n. El rango de frecuencia de operación estará entre 2,4 GHz y 2,5 GHz. Cuenta con una impedancia de 50 Ohm y tiene un conector tipo I-PEX.
9. DISEÑO DEL PROTOTIPO
Cada tarjeta de sensores fue diseña para tener las tres opciones de sensores incluidas, es decir en todas las tarjetas de sensores se puede conectar el sensor de temperatura, el magnético, o de luz (no de manera simultánea), aunque el código del microcontrolador solo implementa un sensor usado en cada tarjeta. Se hizo de esta forma para no tener que hacer una tarjeta diferente para cada sensor y ahorra costos en la implementación en la impresión de cada PCB. La conversión análoga digital de las variables medidas se realiza directamente en cada sensor.
Se uso el microcontrolador de ATMEL ATMEGA328, para procesar la información recibida de cada sensor y enviarla al módulo inalámbrico USR WIFI232. Este microcontrolador se polariza a 3.3V (en la hoja de datos del módulo WIFI específica que debe ser alimentado a 3,3 Voltios y no recomienda conectarle 5V directamente) y tiene un cristal de 8 MHz para que pueda trabajar bien a 3.3 V. La programación se realizó en arduino, inicialmente se cargar el microcontrolador con el boot loader del arduino mini pro para 3.3 V - 8 MHz, con el programador ATMEL ICE, y finalmente se puede programar por el puerto serial con un conversor de USB-UART desde el IDE de arduino.
El puerto serial se configura a una velocidad de comunicación de 9.600 baudios para poder programar el microcontrolador.Se emplea para misma fuente de 3.3V de la tarjeta para alimentar el módulo inalámbrico.
Como el modulo es básicamente un nodo WIFI conectado a un interface serie, podríamos en principio conectar los pines RX y Tx a los equivalentes de Arduino en los pines 0 y 1 digitales, sin más que cruzarlos (Tx a Arduino Rx y Rx a Aduano Tx), con este esquema se comunica con el módulo WIFI mediante las familiares instrucciones de Serial.print ().
Sin embargo, no es aconsejable hacerlo así, porque los pines 0 y 1 se utilizan en la comunicación serie de Arduino con el PC a través del puerto USB y por tanto, si se usan para comunicar con el modulo WIFI, se pierde la conexión con el PC.
Por esta razón, se destinan otro par de pines cualesquiera a la transmisión, aunque para ello tenemos que importar una librería que habilite la comunicación serie con otros pines como es la librería Software Serial.
Para ello se importa la librería que viene de serie en el IDE y se crea un nuevo objeto serie llamado BT1 conectado a los pines 4 y 2:
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerialBT1(4,2); // RX, TX
Y después, usar BT1 exactamente igual a como se una Serial.
A su vez si hay algo en la consola, lee una línea con GetLine() y finaliza con intro antes de enviar la línea completa al BT1
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerialBT1(3, 2); // RX | TX
void setup()
{ Serial.begin(115200); BT1.begin(115200);
}
void loop()
{ String B= "." ; if (BT1.available()) { char c = BT1.read() ; Serial.print(c);
}
if (Serial.available()) { char c = Serial.read(); BT1.print(c);
} }
9.1. Diseño del Termómetro digital
Para la implementación se decidió polarizar el sensor DS18B20 de manera convencional, colocando Vdd a 3,3 volts y GND a tierra, y utilizar DQ solamente para comunicación, tal y como se muestra en la
Gráfica 9.1-1
.a) b)
Gráfica 9.1-1a) Esquemático de simulación del sensor de temperatura DS18B20 donde R12 es de 4,7kΩ. b) Polarización del sensor con fuente externa.
9.2. Sensor de luz digital
Para el sensor de luz, la polarización se realiza como lo recomienda el fabricante. Para este caso el sensor ya incorpora estos componentes en la tarjeta del sensor, por esta razón solo se habilitan 5 pines para polarización y comunicación del sensor con el microcontrolador.
a)
b)
Gráfica 9.2-1 a) Esquemático de simulación del sensor de luz TSL2560. b) Aplicación del circuito recomendada por el fabricante.
Entre los terminales de la fuente de alimentación se desacopla con un condensador de 0,1uf del tipo cerámico. Las resistencias Rp de pull-up mantienen las señales SDAH y SCLH en un nivel de tensión alto cuando el bus está libre y asegura que las señales están en un valor alto en el tiempo de subida requerido.
Una resistencia Rpi también se incluye en la señal INT, que funciona para una conexión (señal).
9.3. Diseño del sensor magnético
Como se mencionó en el marco teórico conceptual, la implementación del sensor magnético es muy sencilla y funciona como un interruptor ON-OFF con una resistencia de pullup.
Gráfica 9.3-1 a) Esquemático de simulación del sensor de temperatura DS18B20 donde R12 es de 4,7kΩ. b) Polarización del sensor con fuente externa.
Su principio de operación detecta los objetos magnéticos que se utilizan para accionar el proceso de conmutación.
9.4. Diseño del HEC (Home Energy Controller)
En el siguiente esquemático se muestra la configuración del microcontrolador que se utiliza como cerebro del HEC.
Para conectar y configurar el módulo inalámbrico de HEC fue necesario implementar en la tarjeta un puerto serial RS232.
El módulo de conexión WIFI del HEC es el USR WIFI232B el cual funciona con protocolo IEEE 802,11 que puede conectarse a cualquier equipo con interface inalámbrica y puerto serial para transferencia de datos.
Este módulo WIFI USR WIFI232B se diferencia del USR WIFI232T en primer lugar porque no es un adaptador WIFI para Arduino, sino un micro PC que incorpora un módulo WIFI, es decir no es un simple módulo que necesita ser manejados como esclavos de un microcontrolador externo, sino que en su interior alberga un microprocesador interno y una memoria.
Aparte de los pines TX, RX, VCC y GND, dichos módulos poseen pines GPIO para conectarles otros dispositivos como pantallas o sensores mediante las interfaces UART, I2C, SPI.
El módulo WIFI se polariza a 3,3 volts y se conectan los pines Rx y Tx con su correspondientes pines del microcontrolador.
Adicionalmente se conectaron leds en el puerto de link y Rdx para comprobar visualmente el estado del módulo.
a)
b)
d)
Gráfica 9.4-1 a) Diseño del módulo WIFI USR WIFI2323B para el HEC. b) Fuente de alimentación para el HEC. c) Configuración del microcontrolador ATMega328. d) Interface Serial para configuración y pruebas
programador ATMEL ICE, y finalmente se puede programar por el puerto serial con un conversor de USB-UART desde el IDE de arduino.
El HEC es el módulo que más energía requiere para su operación, como se observa en la
Tabla 10
y debido a que será un dispositivo estático es la SmartHome, este se conecta a través de un regulador a la red eléctrica (No usa bateria) directamente por recomendación del fabricante se emplea un regulador de tensión de 3,3 volts como se observa en la imagen anterior.9.5. Red de sensores
La arquitectura de red que se implementó con la red de sensores inalámbricos, fue tipo estrella. Una topología en estrella es un sistema single-hop en el que todos los nodos de sensores inalámbricos se comunican directamente con el HEC.}
La ventaja de esta topología de red es el bajo consumo de energía ya que la red se considera que debe estar en funcionamiento de manera continua.
Los nodos de sensores en la topología en estrella no se comunican entre ellos, y el alcance de la red de sensores está limitado por la distancia de transmisión de cada módulo.
Si la única vía de comunicación entre un sensor y una estación base es interferida u obstruida, no hay rutas de comunicación alternativos y el enlace inalámbrico con el sensor se pierde.
9.6. Interfaz hombre máquina
Se diseñó una interface de usuario que se pueda manejar fácilmente. La estación HEC es utilizada como intermediario entre la red de sensores e Internet. Proporciona una conexión inalámbrica para la transferencia de datos. La estación base (HEC) funciona como estación para un Router con conexión a internet y como Punto de Acceso para cada una de las tarjetas de sensores. El servidor principal se conecta a Internet para permitir a los usuarios remotos acceder al sistema de monitoreo.
De acuerdo con (Zualkernan, Al-Ali, Jabbar, Zabalawi, & Wasfy, 2009) la arquitectura del hardware para una red está compuesta por:
Estación terminal: Este es una estación equipada con la capacidad de memoria suficiente. Este dispositivo es utilizado el servidor hardware donde se instalará el software provisto de conexión a internet.
Estación de coordinación y monitoreo: Esta estación cumple la función de la comunicación local. Adicionalmente, cuenta con una pantalla para permitir a un usuario para ver los datos.
