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Conciso resumen del desarrollo y la realidad actual de los hogares inteligentes

Enviado por Andrea Curay


    Resumen— El presente trabajo presenta la revisión bibliográfica del crecimiento que ha evidenciado la industria y el campo de investigación en el tema referente a la domótica. Se ha realizado la división del estudio bibliográfico en tres secciones, la primera la realidad actual de la domótica, los servicios de seguridad que presta este tipo de tecnología para sus usuarios y la última sección se refiere a las aplicaciones de sistemas inteligentes en el hogar para el cuidado de personas con capacidades especiales o con enfermedades psicológicas o degenerativas. El estudio indica que los actuales usuarios de la domótica y los posibles nuevos usuarios de esta tecnología, poseen en su perfil de preferencias aspectos que no solo son características técnicas del equipo, sino aspectos más afectivos mismos del ser humano, como decorativos, materiales de acabado y la facilidad de equipo en captar sus preferencias e intuir sus estados de ánimo. A lo largo del documento, se presenta las tendencias actuales de investigación de esta tecnología y la comparación de los protocolos de comunicación vigentes en el mercado.

    Palabras clave —Hogares inteligentes, telemedicina, protocolos de transmisión de datos.

    Introducción

    La tecnología inteligente ha incursionado con gran incidencia en la arquitectura de edificaciones, servicios y productos de consumo cotidiano entre los cuales se encuentran la televisión, aplicaciones para celulares, la automatización de hogares, la telemedicina, automatización de procesos, las redes de comunicación en edificios o ciudades completas [1] [2] [3] [4] [5].

    Generando así que esta tecnología de conectividad incida fuertemente desde los primeros años de este siglo, en diversos campos dirigidos hacia múltiples usuarios [6].

    La transmisión de datos que utiliza la tecnología inteligente puede emplear diversos medios, entre los cuales destaca la comunicación por cable a través de conductos robustos dentro de edificaciones arquitectónicas [1], la cual se pretende desplazar por medios de comunicación inalámbrica por sus ventajas en el consumo de energía y comodidad [7], la comunicación por radio frecuencia [3] [4], la comunicación a través de internet [8] [2].

    Por lo tanto, cualquier método de comunicación permite la transmisión de datos en tiempo real, así el sistema conoce el valor y el comportamiento de las variables censadas de interés, además se puede generar la retroalimentación de información por parte del usuario [9].

    En el campo de la domótica los estudios realizados denotan que este tipo de tecnología se encuentra evidenciando un incremento en su disponibilidad alrededor del mundo, generando así mayor facilidad de acceso de nuevos usuarios [10]. Manteniendo como línea de desarrollo conseguir el mayor confort posible para el usuario, entregando alternativas como la personalización de espacios, la implementación de controles por medio de aplicaciones en teléfonos móviles, interfaz amigable [11]. Además de conseguir seguridad en las instalaciones, costos convenientes, ahorro de energía y por ende reducción en las emisiones de CO2 [3] [4].

    Los estudios multidisciplinarios han permitido el desarrollo de sensores que permiten captar los signos vitales de personas que habitan en un hogar inteligente [2], de estos esfuerzos surge la llamada telemedicina; Con este tipo de tecnología se abarca las necesidades de personas que viven en lugares lejanos de los centros de salud, personas de edades avanzadas o que sufren de alguna enfermedad crónica o degenerativa [12].

    El objetivo de esta revisión bibliográfica radica en indicar el estado actual y los desarrollos recientes en los campos de automatización en hogares, telemedicina, sus alternativas de seguridad para residencias, y sus protocolos más transcendentes de comunicación de datos. Además el indicar que esta tecnología se predestina según estudios realizados [6] como un tipo de tecnología aplicativa para sus usuarios, así ellos lo deseen o no.

    Domótica

    Se debe indicar que la domótica ha evidenciado un incremento considerable desde los primeros años de este siglo, desarrollo manifestado por la industria y por los investigadores de esta tecnología [6]. En la figura 1 se puede observar la tendencia de aumento dentro del campo investigativo, la base de datos expresada se sustenta en Scopus y hace referencia a los artículos que poseen temas relativos a la automatización de hogares [1].

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    Fig. 1. Estudios referentes a la domótica y la automatización de edificaciones [1]

    Sea cual sea el tema de interés que aborde los diversos estudios acerca del campo de la automatización de hogares, el objetivo fundamental es el conseguir un mejor estilo de vida [13]. Al brindar alternativas como la simulación de ambientes habitados [14], programación de tareas [15], gestión del uso energético [16] [17], alternativas de telemedicinas para personas con enfermedades degenerativas o edades avanzadas [18], entretenimiento e interconectividad entre los ambientes a través de red de comunicación de datos [19].

    • Automatización en la sociedad

    La domótica al ofrecer servicios a los seres humanos que habitan en un determinado entorno definido de tipo privado o público, deja de ser una tecnología que se enfoca únicamente en las características de rendimiento, apariencia, selección de materiales, costos [20] [21]; Es así, que se convierte en el estudio de la interacción que se genera entre los componentes tecnológicos y sus usuarios. Esto de acuerdo a los estudios realizados por Redu.redpke y colaboradores [22], dichas conclusiones concuerdan con las de Saizmaa y colaboradores [23].

    Se han desarrollado prototipos para evaluar la interrelación que se genera entre los productos inteligentes y sus usuarios, entre ellos bolígrafos, sofás, ventanas, ropa [15]; Como también superficies inteligentes en paredes, puertas, pisos [24]. La afección que evidencian los usuarios que se encuentran empleando este tipo de tecnología aún no es conocida plenamente. En la figura 2 se indica la estructura de organización entre los usuarios y la tecnología inteligentes en ambientes determinados según estudios realizados [25] [26].

    • Perfil de los usuarios

    Estudios realizados denotan que la domótica clasifica a sus usuarios según criterios globales como hombre, mujer niño; Como también por su preferencias específicas y personalizadas [26] [27] [28]. Es así, que los usuarios se encuentran con la facultad de poder ingresar parámetros de configuración al sistema como cantidad de luminosidad en el ambiente como se indica en la figura 3, además de gestión de uso de energía, temperatura del entorno, cantidad de humedad relativa. El sistema puede también brindar alternativas de auto selección de parámetros en función del estado de ánimo del usuario [13] [29].

    Según estudios realizados indican que los usuarios de tecnología inteligente en sus hogares, son muy selectivos en el tipo de materiales y acabados de interiores, por tal motivo las compañías ofertantes de este tipo de tecnología brinda una amplia gama de alternativas de diseño en sus producto, es así, que los directores de marketing enfocan sus alternativas no solo como un espacio de cuatro paredes, sino como un conjunto de espacios en donde se generan estados emocionales propios del ser humano, recuerdos familiares íntimos, preferencias individuales y grupales. Esto según los estudios de Taylor y colaboradores [24] y Haines y colaboradores [6].

    El diseño de la interfaz de comunicación entre el sistema de control y los usuarios del hogar cada día debe ser lo más sencillo y amigable posible, y a su vez poder resolver problemas entre simple y complejos rápidamente, esto debido a la tendencia de interés de los nuevos usuarios de este tipo de tecnología [14] .

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    Fig. 2. Estructura de organización entre la domótica y sus usuarios [1]

    • Transmisión de datos

    Los dispositivos electrónicos de transmisión de datos, en el área de los hogares inteligentes son participes de un amplio campo de desarrollo industrial e investigativo [3], es así, que la transmisión de datos establecidos por parte del usuario mediante la Identificación de Radio Frecuencia

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    Fig. 3. Determinación de la cantidad de luminosidad para cada área específica del hogar [30]

    (RFI) y la Comunicación de Campo Cercano (Near Field Communication), han encontrado través de aplicaciones para teléfonos inteligentes, un campo interesante y de múltiples desarrollos para diversas aplicaciones referentes a la domótica [5] [31]. La tecnología NFC es la extensión del protocolo de datos ISO 14443 [5].

    En estudios realizados se presentan a los celulares embebidos con chips NFC, como un instrumento de transmisión de datos desde el usuario hacia el puerto del sistema de control del hogar, como una herramienta segura, con características de versatilidad, sin activaciones manuales, de mediano y corto rango de alcance, interacción amigables y sencillas; Por lo tanto, este dispositivo el cual se puede configurar de manera activa o pasiva en el NFC, se comporta como transmisor o receptor de datos hacia el dispositivo NFC del hogar. Esto según los estudios realizados por [32] [33] [34].

    Por la naturaleza misma del protocolo de comunicación de la tecnología NFC (emisor – receptor), esta se realiza mediante pares de comunicación [35] , como se indica en la figura 4. Además se presenta en la tabla 1 la comparación entre las principales tecnologías de transmisión de datos de tipo inalámbricas utilizadas en hogares inteligentes [32] [3].

    TABLA I

    Comparación de las tecnologías inalámbricas de comunicación empleadas en los hogares inteligentes [32] [3]

    RFID

    Bluetooh

    ZigBee

    NFC

    Consumo energético

    No

    Alto

    Bajo

    Bajo

    Flexibilidad

    Bajo

    Alto

    Alto

    Alto

    Personalización

    Alto

    Medio

    Bajo

    Alto

    Seguridad

    Alto

    Bajo

    Bajo

    Alto

    Acerca del protocolo de transmisión de datos ZigBee (basado en IEE802.15.4) [36], el cual posee un alto nivel de comunicación, entre el sistema de control y las variables de interés, se han realizado estudio con sensores de presión en el piso, cámaras de audio y video. Con resultados satisfactorios en la predicción del comportamiento de los usuarios, convirtiendo en una alternativa factible en aplicaciones de cuidado de adultos mayores [37] [38].

    Indistintamente del tipo de tecnología empleado para la transmisión de datos, esta debe cumplir con características estandarizadas como fácil configuración de parámetros[39],

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    Fig. 4. Protocolo de comunicación soportado por NFC [3] [32].

    costos de mantenimiento e instalación accesibles a las grandes masas, buen rendimiento, señales libres de ruido [40]. En el mercado existen alternativas de última tecnología como también opciones económicas que cumple con dichos condicionantes, por lo tanto, se puede mencionar Ethernet, conexiones inalámbricas de internet, bluetooh, redes de líneas telefónicas fijas, controlador lógico programable (PLC) de alta velocidad de procesamiento [41]. Es así que el usuario establece su decisión en función de sus preferencias personales y económicas.

    Seguridad en hogares inteligentes

    En el mercado existen productos que brindan la vigilancia de los espacios, los cuales poseen transmisión de datos a través de conexiones alámbricas o líneas de potencia. Estudios realizados indican que se pretende reemplazar el cableado de las instalaciones por conexiones inalámbricas, eliminando de esa manera los costos de instalación inicial de los equipos [7]. Sin embargo la selección del sistema de transmisión de datos se fundamenta en aspectos como ancho de banda, técnicas de modulación, interoperabilidad, personalización de la interfaz, sus prestaciones hacia aplicaciones de seguridad [42] [43].

    La seguridad en los hogares inteligentes emplean sensores y cámaras ubicadas en paredes, pisos, muebles, ventanas, patios, jardines [4]. Además de presentar programaciones amigables con el medio ambiente, las cuales permiten activar el modo de reposo del sistema y de los dispositivos de transmisión de datos, con la características de reestablecer sus procesos de manera inmediata ante la detención de cualquier presencia en el hogar [44] [45] [29].

    La frecuencia de transmisión de 2.4 GHz (500kbps) a través de dispositivos de conexión inalámbrica ha sido ampliamente utilizada [44]. Sin embargo en estudios realizados se ha propuesto frecuencias entre 868 a 915 MHz con resultados satisfactorios [4].

    • Normalización de sistema

    La detección de intrusos en hogares inteligentes en Europa debe aprobar la regularización gubernamental EN 5013-5-3 [4], la cual evalúa múltiples aspectos entre los cuales se encuentra la inmunidad contra la variación de los canales de transmisión, colisiones en la transmisión de datos, propiedades robustas frente a la radio interferencia y el ruido.

    La inmunidad en los canales puede variar de grado 1 a grado 4, con un rango de frecuencia de 3dB a 12dB dependiendo el grado [4].

    Las colisiones se refieren al grado de confiabilidad de la transmisión de datos en el hogar inteligente, la cual se encuentra clasificada por el rango de uso de los canales, siendo así, se determina los grados 1 a 4, en los cuales el porcentaje de trabajo de los canales puede ir de 10% a 1% medidos en un tiempo determinado [4].

    Que tan robusto es el sistema de seguridad dentro del hogar inteligente, denota la característica de este para evitar que dispositivos externos puedan ingresar a la red de comunicación. Clasificados con grados de 1 a 4 con porcentajes de 5% a 0.05% de posibilidad de detección del código por parte de dispositivos maliciosos [4].

    Telemedicina

    El mundo globalizado ha generado que las personas posean poco tiempo libre, por tanto el cuidado de los adultos mayores o de personas con enfermedades crónicas, degenerativas o psicológicas se ha convertido en una actividad designada para profesionales de la salud, pero en múltiples sectores los hogares se encuentran distantes de los centros de salud, ante tal problemática la domótica encontró un campo más de desarrollo [18] [46] [14].

    En la primera década de este siglo mediante el trabajo multidisciplinario se han obtenidos avances significativos en el desarrollo del campo de la medicina bajo diversos nombres como e-cuidado, cuidado domestico inteligente, telecuidado inteligente[1]. En la figura 5, se indica un esquema de un hogar inteligente, en el cual los sensores de captación individual se encuentran ubicados en el piso, la transmisión de datos efectúa a través de las columnas [2].

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    Fig. 5. Telemedicina de un hogar inteligente [2].

    En la Unión Europea a principios de este siglo surge el Hospital u Hogar de insuficiencia cardiaca (HHH) como una alternativa de autogestión, económica para pacientes que poseen esta enfermedad [12]. Mediante la iniciativa de la Comisión Europea de conseguir un sistema autónomo que brinde privacidad, seguridad e independencia a usuarios con capacidades especiales, surge el producto Hogares Inteligentes para Todos (SM4All) [47]. En Brasil con el objetivo de brindar servicios de salud a los lugares alejados de los hospitales y clínicas, surge el Asistente Digital Personal (PDAs) para suplir dichas necesidades [48]. En Alemania a pesar de cierta oposición por parte de profesionales de la salud, se emplea las tarjetas electrónicas de salud, la cual posee información de los pacientes que se encuentran siendo atendidos de emergencia [49].

    La transmisión de los signos vitales censados a los usuarios del hogar inteligente son enviados a los hospitales o clínicas, esto se realiza comúnmente mediante el protocolo de internet, a través de aplicaciones en celulares inteligentes [50] [51].

    Herramientas como sistemas de ubicación geográfica, permite geo localizar el centro de salud más próximo al paciente [52]. Todas estas facilidades y ventajas que presenta la telemedicina además de un robusto sistema de comunicación, fundamentado principalmente el uso de internet mediante teléfonos inteligentes, muestran a esta tecnología con tendencia de desarrollo substancial para el cuidado del ser humano [53].

    Conclusiones

    Al finalizar la revisión bibliográfica de la domótica, se puede manifestar que este tipo de tecnología se ha convertido en un campo de estudio que no radica su epicentro en características netamente técnicas, sino que enfoca sus prestaciones al bienestar de los seres humanos que habitan en dicho entorno.

    Las características de mayor incidencia para la captación de nuevos usuarios son la facilidad de personalizar sus espacios, la inteligencia del sistema para intuir sus preferencias, la reducción de costos energéticos, las herramientas de seguridad que brinda los sistemas. Además, para personas que viven alejadas de centros de salud, la telemedicina les brinda la seguridad de que sus signos vitales se encuentran siendo monitoreados en tiempo real.

    Finalmente se puede indicar aspectos técnicos como la determinación del tipo de protocolo de transmisión de datos, el cual debe ser seleccionado en función de sus prestaciones y limitaciones, como se indica en la revisión existe una amplia gama de propuestas por la industria, como por ejemplo ZigBee, la cual posee como desventaja una transmisión de 45 a 100kb, por tanto, es limita para zonas pequeñas o mediadas. En aplicaciones inalámbricas se debe considerar que si bien el costo inicial de instalación es bajo en comparación con alámbricas, el costo de los equipos es mayor.

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    Autor:

    Andrea Johhana Curay Flores

    Universidad Politécnica Salesiana