Diseño de Sistema de Control Inteligente para Habitación (página 2)
Enviado por José Raúl Torres Herrera
Por otro lado, las sofisticadas tecnologías que cada vez con mayor fuerza se orientan hacia el campo de la domótica, junto al desconocimiento de los beneficios reales que ésta reporta a la sociedad, hacen parecer muy complejas y costosas sus aplicaciones. Tendiendo en cuanta estos antecedentes se realizó el diseño de un sistema de control inteligente para una habitación genérica utilizando la tecnología de los microcontrolador PIC debido a su popularidad, potencialidad y bajo costo. Para su desarrollo adecuado, el proyecto se orientó sobre la base de los siguientes objetivos:
Introducir los conceptos fundamentales sobre domótica, para incentivar su conocimiento y mostrar la importancia de esta disciplina en mundo moderno.
Diseñar una aplicación domótica de bajo costo basada en la automatización de una habitación genérica con un microcontrolador PIC de la familia Microchip que contribuya al ahorro de energía, de recursos, y al confort.
Desarrollar una aplicación real utilizando herramientas computacionales de ayuda al diseño práctico (Mplab y Proteus).
Metodología
El proyecto se realizó para una habitación genérica que presenta la siguiente estructura, como muestra la Figura 1:
Un Calentador de Agua.
Sistema de Iluminación.
Una Puerta de Entrada.
Una Puerta de Balcón o Terraza.
Un baño.
Figura 1. Vista del prototipo de la habitación.
Aunque existe gran variedad en cuanto al diseño de las habitaciones en el sector hotelero cubano, la seleccionada como prototipo se encuentra ampliamente diseminada por todo el país. En la Figura 2 se observa la imagen de una habitación real de un hotel de la costa sur de Cuba con características similares a las descritas.
Figura 2. Habitación Hotelera de Cuba.
Especificaciones
El sistema de control se desarrolló basado en los conceptos fundamentales de la domótica y con las exigencias de confort y gestión energética del sector hotelero cubano, por lo cual el circuito y la programación diseñada, proporcionan las siguientes prestaciones:
Control diferenciado de la temperatura de la habitación en dependencia de los horarios del día. El sistema regula automáticamente la temperatura del local a un valor de confort de acuerdo a los horarios del día, la noche o la madrugada, y además, configurable mediante un teclado. Los horarios son:
Madrugada: Horas comprendidas entre las 12:00 AM y las 6:00 AM.
Pico: De 6:00 PM a 10:00 PM
Resto del día: De 6:00 AM a 6:00 PM y de 10:00 PM a 12:00 AM
Protección del aire acondicionado. Cuando alguna de las puertas de la Entrada o de la Terraza quedan abiertas por más de 5 minutos, el sistema desconecta de la red el aire acondicionado para protegerlo del sobreconsumo.
Función de Reloj: Visualización de la hora actual en la línea superior del módulo LCD 16X2 en el formato hh:mm:s, que incluye AM o PM y su actualización a través del teclado.
Función Termómetro. Medición de la temperatura ambiente de la habitación y su visualización en la línea inferior del módulo LCD 16X2.
Control de la temperatura del calentador de agua. Regulación de la temperatura del agua a 45 ºC durante el modo de operación normal y a temperatura económica cuando el huésped se encuentra fuera de la habitación (Modo Stand By) o mientras el huésped se encuentra dormido (Modo Huésped Dormido). Es configurable mediante el teclado.
Control de iluminación. Conexión/desconexión automática de las luces en función de la presencia ó cuando las personas duermen.
En cualquiera de los casos en que el aire acondicionado sea conectado nuevamente a la red, el sistema realiza una espera de 3 minutos.
Las funciones descritas anteriormente se ejecutan mediante cinco modos de trabajo fundamentales que son:
Modo de Configuración. Es el modo donde se consigue la configuración de los parámetros técnicos mediante dos teclas. Aquí se definen las temperaturas de confort para cada horario, el tiempo de Stand By, las temperaturas económicas para la habitación y el calentador de agua y se actualiza la hora.
Modo Normal de Operación. Es el modo de trabajo que garantiza el normal funcionamiento del sistema cuando el huésped se encuentra dentro de la habitación y el sistema trabaja con las temperaturas de confort predefinidas.
Modo Stand By. Es un modo temporizado en horas y configurado por el teclado a partir del momento en que el huésped abandona la habitación. En tales condiciones, el sistema garantiza durante este período de tiempo el apagado automático de las luces y el control de las temperaturas de la habitación y del calentador de agua a los valores económicos predefinidos. Se asegura así un mínimo de confort por ausencia y un ahorro energético considerable, evitando además, los "picos" de consumo que genera la conexión del sistema de climatización cuando el huésped retorna del exterior lo cual representa una protección adicional para el equipo.
Modo Huésped Dormido. El sistema detecta que el huésped se ha quedado dormido y procede a la desactivación de las luces y a regular el calentador de agua a la temperatura económica predefinida. De este modo se garantiza un mínimo de confort y un ahorro adicional de energía durante un período de tiempo no despreciable. En caso que el huésped despierte, el sistema de control retorna al modo normal de operación.
Modo Deshabilitado. La habitación pasa a este modo después de vencido el tiempo de Stand By donde el sistema desconecta totalmente el aire acondicionado, las luces y el calentador de agua, brindando un ahorro total de energía a partir de este momento..
Si se tiene en cuenta que el precio de una habitación turística no responde directamente al consumo variable de energía eléctrica y que según las estadísticas, la mayoría de los huéspedes están fuera el 60% del tiempo lo cual deja mucho tiempo para el mal gasto, se puede inferir que la implementación del sistema de control representa un importante aporte al ahorro energético sin comprometer el confort requerido.
Circuito de Control
El circuito de control es relativamente sencillo, fácil de programar e implementar en la práctica. En la Figura 3 se muestra su diagrama de bloques general.
Figura 3. Esquema de cableado de la aplicación.
Inicialmente se realizó un estudio de mercado de los diferentes componentes y dispositivos electrónicos disponibles para conformar adecuados criterios de selección que contribuyeran a la reducción de los costos.
El procesador seleccionado es el microcontrolador PIC 16F870 de la firma Microchip, cuya utilización brinda gran facilidad y flexibilidad en la programación, fiabilidad, sencillez circuital y bajo costo. El convertidor análogo digital multicanal de 10 bits de resolución que presenta el PIC, digitaliza las señales provenientes de los dos sensores LM35, encargados de la medición de las temperaturas del local (U1) y del calentador de agua (U2). El LM35 proporciona una alta linealidad de salida de 10 mV por cada grado centígrado en un intervalo de temperatura desde -55 a 150 ºC. No necesita calibración externa, es de bajo costo y labora con la alimentación entre 4 y 30 voltios.
Para la detección de presencia dentro de la habitación se utilizó un detector piroeléctrico infrarrojo de movimiento (PIR) con salida por relé. Su ángulo de detección de 180°, su alcance de 6 metros y una adecuada ubicación dentro del recinto, hacen que se requiera un solo un dispositivo de este tipo. Como la distancia entre el sensor y el PIC puede resultar relativamente larga, la conexión se realiza a través de un optoacoplador L/4, que al actuar sobre un transistor, lo corta o satura para darle los niveles requeridos al terminal AN2 del PIC. Los dispositivos de acoplamiento óptico son muy útiles en los sistemas con Microcontroladores PICs, ya que permiten protegerlo debido a su capacidad de aislar eléctricamente los circuitos de entrada y salida, además de una alta velocidad de conmutación y la ausencia de rebotes.
El estado (abierto o cerrado) de las puertas de entrada y de la terraza, se obtiene mediante la utilización de dos sensores magnéticos. También se utilizaron dos optoacopladores adicionales L/5 y L/6 debido a la distancia. El voltaje de salida de estos optoacopladores sitúa en corte o saturación a los transistores correspondientes, obteniéndose así los niveles de voltajes requeridos en los terminales AN4 y AN5 del PIC donde se censa el estado de esas variables en cuestión.
Las variables de salida son activadas mediante relés manejados por transistores para la conexión/desconexión de los elementos consumidores que son las luces L/8, el aire acondicionado L/9 y el calentador de agua L/10.
Finalmente, un módulo LCD L/7 (multiplexado a 4 bits), es conectado a los terminales restantes del PUERTO B del PIC para visualizar todos los datos (Hora y Temperaturas).
El ajuste de los valores críticos del sistema se realiza mediante dos teclas (SET y UP): una para el cambio de ventanas de configuración, y otra para el ajuste del parámetro respectivamente.
El diagrama circuital del sistema de control inteligente para habitación se detalla en la figura 4. Se pueden observar todas las interconexiones descritas en su vinculación con el microcontrolador PIC.
Figura 4. Diagrama circuital del sistema de control para una habitación inteligente.
Programa de aplicación
El programa de aplicación se realizó en el lenguaje ensamblador del Microcontrolador PIC16F870 de la firma Microchip. El reloj del sistema es de 4 MHz (Megahertz) , por lo cual cada instrucción se ejecuta a una velocidad de 1 &µseg (microsegundo). Se emplearon con excelentes resultados las herramientas computacionales MPLAB y PROTEUS para la simulación y puesta a punto.
El programa principal básicamente es un lazo de subrutinas que se repiten indefinidamente y cuyo diagrama de flujo aparece en la Figura 5.
Figura 5. Diagrama de bloques general.
Las interrupciones constituyen uno de los mecanismos más importantes para la conexión del procesador con el mundo exterior, permitiendo su sincronización con acontecimientos internos y externos. En este caso se producen por ambos eventos, los cuales son:
Interrupción interna por desbordamiento del temporizador TMR0 cada 4 mseg. (milisegundos) que crea una base de tiempo de 1 segundo utilizada por todos los procesos de temporización.
Interrupción Externa por el terminal RB0/INT del PIC16F870 al oprimirse la tecla SET, encargada de la programación del reloj de tiempo real y de los parámetros técnicos fundamentales.
El diagrama de bloques de la subrutina TEMPORIZACIÓN, encargada de crear la base de tiempo general de 1segundo, se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Subrutina TEMPORIZACIÓN.
Solo dos teclas son requeridas para la configuración de todos los parámetros técnicos. Cada vez que es presionada la tecla SET, se le solicita interrupción al procesador donde se ejecutan las subrutinas RECONFIGURAR, para el ajuste de los parámetros técnicos, y ACTUALIZA _ RELOJ, para ajustar la hora si es necesario. Durante el proceso de configuración, la tecla UP muestra en el visualizador LCD una página diferente para ajustar el parámetro. Tales páginas se visualizan en el siguiente orden:
Página 1: Ajuste Temperatura Madrugada (º C).
Página 2: Ajuste Temperatura Hora Pico (º C)
Página 3: Ajuste Temperatura Resto Día (º C).
Página 4: Ajuste Temperatura Stand By (º C)
Página 5: Ajuste Temperatura Calentador St-By (º C)
Página 6: Ajuste Tiempo Stand By (Horas)
Página 7: Ajuste Hora (Horas, Minutos, AM/PM)
La correcta actualización de las horas y los minutos del reloj garantizan un funcionamiento de autonomía correcto, ya que el control de la temperatura y por tanto, el confort térmico dentro de la habitación y del calentador de agua, dependen de la hora específica. El diagrama de bloques de la Subrutina de Servicio a Interrupción RSI se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Subrutina de Servicio a Interrupción (RSI)
Al concluir el proceso de configuración de los parámetros, el sistema pasa al Modo Normal de Operación, visualizándose en el LCD la hora actual (línea superior), y la temperatura en º C del local (línea inferior) como muestra la figura 8.
Figura 8. Display LCD 16X2 visualizando Hora y temperatura.
Para los diferentes procesos de tiempo que necesita el sistema inteligente, se crearon 7 contadores que funcionan sobre la base de tiempo de 1 segundo y que se resumen en la Tabla 1:
Tabla 1. Contadores del sistema y sus funciones.
Se diseñaron además los registros indicadores, cuyos bits activan los diferentes contadores de tiempo y también describen cada situación que se puede presentar en la habitación. Estas banderas son activadas/desactivadas en cada subrutina y finalmente analizadas en la subrutina DECIDIR, donde se toman las decisiones finales para la conexión/desconexión de los diferentes elementos consumidores y efectuar el control inteligente.
Resultados y discusión
Durante la etapa de programación y puesta a punto del sistema, se utilizaron básicamente las herramientas MPLAB y PROTEUS, que incidieron considerablemente en la obtención de los objetivos trazados. Estos programas fueron desarrollados para el trabajo con microcontroladores, y además de su facilidad de programación y uso, tienen la ventaja de complementarse facilitando el desarrollo de las aplicaciones.
PROTEUS es un entorno integrado diseñado para la realización completa de proyectos de construcción de equipos electrónicos en todas sus etapas, es decir, diseño, simulación, depuración y construcción. Sus reconocidas prestaciones lo han convertido en el programa simulador más empleado en microcontroladores PIC, por encima de las herramientas que oferta el propio fabricante.
En este caso se empleó en mayor medida el entorno de diseño gráfico ISIS para esquemas electrónicos, que es extremadamente fácil de utilizar y está dotado de poderosas herramientas para viabilizar el trabajo del diseñador en combinación con MPLAB IDE. La utilización de ambas herramientas proporciona un porcentaje elevado de certeza de su correcto funcionamiento, lo cual ofrece gran confianza para pasar al proceso de grabación y montaje del circuito.
Conclusiones
Durante el análisis de la aplicación se presentan los conceptos más importantes sobre Domótica, y los aspectos económico-sociales que fundamentan la necesidad de diseñar un sistema de control inteligente autónomo para habitaciones, con mejor relación costo/beneficio que las variantes existentes en la actualidad en Cuba. Además, se utilizan con éxito las herramientas de diseño MPLAB y PROTEUS para el desarrollo y puesta a punto de sistemas con microcontroladores PIC.
Como resultado del trabajo se dispone de un sistema de control autónomo para una habitación de fácil implementación y con los elementos necesarios para brindar ahorro energético, un ambiente confortable y con bajos costos.
Bibliografía
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Rivero, M., Valdez, E., Escartin, V. (2001). Aplicación de un dispositivo Lógico Programable para el ahorro de energía. Proyecto de Investigación, Centro de Investigaciones en Microelectrónica. (CIME), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana, Cuba.
Torres Herrera, José Raúl. (2009). Habitación Inteligente con Microcontrolador PIC. Tesis de Maestría en Electrónica. Centro Desarrollo Electrónica. Universidad Central Las Villas.
Autor:
José Raúl Torres Herrera
Emilio González Rodríguez
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