Arquitectura, protocolos de comunicación y medios de transmisión utilizados en la domótica
Enviado por Martin Bermeo
- Abstract
- Introducción
- La domótica en la actualidad
- Medios de transmisión
- Protocolos de comunicación
- Plataformas de control
- Conclusiones
- References
La domótica cada dia avanza a pasos agigantados por lo que es de importancia conocer sus avances tecnológicos, ventajas y desventajas de la implementación de dichos sistemas en los hogares,teniendo en cuenta que el campo de la domótica es muy extenso en este documento informativo se pretende ahondar un poco en la parte de arquitectura, protocolos de comunicación y medios de tranmisión, entendiendo los principios básicos de la extructura que los conforma y su funcionamiento básico.
Index Terms—domótica,arquitectura, protocolo de comunicación,medios de transmición,extructura y funcionamiento.
Debido a los avances tecnológicos el mundo de la domótica cada vez es más complejo,la visión a futuro de las aplicaciones domóticas es conseguir una vivienda conectada en su totalidad integrando dichos avances con sistemas faciles de usar y siendo gestionables para los usuarios dando la garantia de obtener seguridad , confort, privacidad en el hogar,ahorros energéticos e interconexión en las comunicaciones.
Los temas de interes en este ensayo son la arquitectura de comunicaciones, además de los protocolos de comunicación existentes en el mercado, teniendo en cuenta los medios de transmisión posibles dependiendo de las necesidades del sistema en el cual se aplicará y del usuario en general. Para que todo esto entre en funcionamiento como un sistema en general necesita de alguna plataforma de control general especialmente diseñada o adaptada para la implementación domótica. [2], [5], [7]
QUE ES LA DOMÓTICA
la palabrá domótica tiene origen en "domus" palabra en latin que significa "casa" y "tica" palabra griega que tiene como significado "funciona sola". Entonces se entiende por domótica a una vivienda incorporada por varios elementos tecnológicos que automatizan y mejoran las diferentes necesidades de los
usuarios.[1], [6], [3]
Figure 1. Aspectos que Integran la Domótica[9]
En la actualidad implementar un sistema domótico a una vivienda o edificio puede resultar un gasto considerable, pero bajo ciertos criterios la domótica puede reducir gastos a largo plazo logrando mayor eficiencia en el consumo energético de donde se a implementado el sistema.[4], [10]
DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DOMÓTICO
Los dispositivos involucrados en los sistemas domóticos pueden variar desde un solo dispositivo que realiza una sencilla operación hasta complejos dispositivos que operan y controlan la vivienda implementada.Su clasificación se da en los siguientes grupos:[8], [11], [12]
Controladores
Dispositivos que distribuyen las operaciones del sistema y la información dada del sistema.[8], [11], [12]
Actuadores
Son los dispositivos que operan las ordenes recibidas de los controladores para realizar una acción predeterminada.[8],
[11], [12]
Sensores
Dispositivos que monitorean el sistema implementando, pudiendo ser exterior como interior y enviando información al controlador de lo sucedido.[8], [11], [12]
Bus de transmisión
Es el medio de transmición en el cual se interconectan los diferentes dispositivos enviando la información de forma cableada o innalambrica.[8], [11], [12]
Interfase
Son los dispositivos en los cuales interactua el usuario con el sistema mostrando la información en general de lo que sucede en el entorno.[8], [11], [12]
TIPOS DE ARQUITECTURAS
Especifican la forma en que los elementos de control del sistema van a estar ubicados.
Los principales tipos de arquitectura domótica son arquitectura centralizada y arquitectura distribuida.[13], [14], [22]
Arquitectura Centralizada
La arquitectura centralizada se caracteriza por que los elementos de control y supervisación (ensores, luces, etc), se conectan de forma cableda hasta el centro de control de la vivienda.
Dicho sistema es la parte fundamental en cuya ausencia o desperfecto todo deja de funcionar.
La conexión del cableado a realizar es en forma de estrella.[11], [18], [19], [20], [21]
Figure 2. Arquitectura Centralizada[19]
Arquitectura Distribuida
Esta arquitectura se caracteriza por que el elemento de control esta ubicado próximo al elemento a controlar, existen sistemas que pertenecen a la arquitectura distribuida en cuanto a capacidad de ubicación de los elementos de control distribuidos,pero no en cuanto a sus procesos.
Todos los elementos estan acoplados a un bus y teniendo técnicas de direccionamiento para que el envio y transimisión de información sea definida y la comunicación entre elementos sea segura.[20], [21]
Figure 3. Arquitectura Distribuida[19]
Todo sistema domótico debe poseer medios de transmisión para que los elementos de control intercambien información entre sí mediante un soporte físico.[20], [21]
Figure 4. Tipos de Medios de Transmisión[19]
Corrientes Portadoras
Dichas corrientes utilizan las lineas de distribución de energía para transmitir datos, no es un sistema muy recomendable ya que las corrientes electricas pueden distorcionar la señal. Un sistema que utilice corrientes portadoras debe tener los siguiente elementos para su funcionamiento:
Interfaz de conexión de equipos.
Filtros para limpiar las señales.
Unidad de control que maneja el protocolo y transmite las ordenes por la red implementada.[19], [2], [22]
Soportes Metálicos
Este es el medio más utilizado para cubrir distancias no muy grandes, la información se transmite en el cable de cobre en forma de ondas electromagnéticas.
Par Metálico: Los cables que se encuentran formados por varios conductores de cobre pueden transportar señales de voz, corriente continua y datos.
Algunos ejemplos de cable son:
UTP (Unshielded Twisted Pair), par trenzado no apantallado.
STP(Shielded Twisted Pair), par trenzado no apantallado,voluminoso.
FTP (Foil Twisted Parir), utiliza malla de aluminio en vez de cobre abaratando el precio.[19], [2], [22]
Cable Coaxial: Este tipo de cable cilindrico que tiene un cable conductor interno permite el transporte de señales de video y datos a velocidades altas.
Por su construción el cable coaxial posee una alta inmunidad al ruido y además tiene anchos de banda considerables, en distancias de 1km posee anchos de banda de 1GHz y capacidad de transimición de hasta 5 Gb/s.[19], [2], [22]
Fibra Óptica
Esta construida por un dieléctrico transparente, conductor de luz y en su interior con un refractor de luz,que envuelve el nucleo,estos elementos forman la guia para que la luz se desplace por el medio conductor.Las ventajas consdierables son las siguientes:
Buena transferencia de datos.
Inmunidada a interferencias electromagneticas y radiofrecuencias.
Seguridad en transmición de datoss
Altas velocidades de comunicacón,hasta 10Gb/s.[19], [2],
[22]
Conexión sin Hilos
La conexión sin hilos va dada por dos medios, el infrarrojo y el de radio frecuencias, lo que permite tener conexiones sin cableados.
Para la transmisión de radio frecuencias se usa el espectro electromagnetico para propagar las señales atravez del aire, mostrado en la siguiente figura.
Figure 5. Espectro Electromagnético[19]
Para la transimisión por infrarrojo se debe tener en cuenta que es inmune a las radicaciones electromagnéticas pero tiene grandes inconvenientes como poca distancia de comunicación entre dispositivos y bajas velociades de comunicación.[19], [2], [22]
Los sistemás domóticos estan caracterizados por los protocolos usados, esto es el formato en el cual los elementos del sistema deben comunicarse unos con otros e interactuen de forma eficiente. A continuación se presentan dos conocidos protocolos de comunicación.[14], [13], [15]
Protocolo CEBus
Este protocolo es de procencia de la Asociación de Industrias de EE.UU., el país de origen es el antes mencionado y su ámbito de aplicación esta dado principalmente en EE.UU. Los objetivos principales de dicho protocolo son:
Facilitar el desarrollo de la interfaz a bajo coste para ser integrado a electrodomésticos.
distribuir audio y video en formatos analógicos y digitales.
Evita el uso de un controlador central, distribuyendo el control de red entre todos los dispositivos implementados.
Permite añadir y quitar componentes a la red sin cambios en el rendimiento.
Los medios físicos por donde usar el protocolo son:
Red Eléctrica.
Cable Coaxial.
Infrarrojos
Radio Frecuencia
Fibra Óptica.
La elección del medio esta relacionada con el ahorro energético, facilidad de instalación, sencillez del sistema. La arquitectura del protocolo CEBus toma referencia al modelo
OSI.[14], [13], [15]
Figure 6. Arquitectura del Protocolo CEBus[14]
Protocolo X-10
Dicho protocolo fue desarrollado por Pico Electronics Ltd., su país de origen fue el Reino Unido y el ambito de aplicación de dicho protocolo es mundial. El protocolo X-10 es el de tecnología mas accesible para realizar instalaciones domóticas sin muchos niveles de complejidad. El principio de funcionamiento de dicho sistema tiene como punto a favor la posibilidad de ser transmitido por el mismo conductor de las señales electricas de corriente alterna, el protocolo utiliza la frecuencia de 50-60Hz de la vivienda para transportar dichas señales.[14], [15]
Figure 7. Estructura de un Sistema X-10[15]
Para hacer funcionar a todo el sistema domótico se necesita de una plataforma de control, a continuación nombraremos tres ejemplos de las diferentes posibilidades que nos ofrece el mercado para adaptarlos a las necesidades de los usuarios.[17], [18]
Computador Personal
Los equipos que se ofrecen en el mercado tienen carácterísticas de poseer gran capacidad de almacenamiento y ser equipos rápidos para el desarrollo de procesos. Ventajas:
Gran capacidad de alamacenamiento y potencia del equipo.
Precio accesible al público en general.
Facilidad de conexión con otros sistemas gracias a la estandarización.[15], [17], [18] Desventajas:
Poca fiabilidad en aplicaciones de seguridad
el computador solo será usado para funcionalidad del sistema, sin tener acceso a otras operaciones cotidianas.
Mayor ruido,consumo de energia y producción de calor.[15], [17], [18]
Figure 8. PC[15]
Barebone
Estos equipos son similares a los computadores convencionales,su tamaño es mucho menor a los de la PC convencionales,además de poseer caracteriscas de consumo,ruido y calor menores.
Ventajas:
Menor precio que un PC convencional.
Compatible con otros elementos.
Gran espacion de almacenamiento y potencia.
Menor tamaño y consumo que un PC convencional
Buena conectividad • Conexión a TV[15], [17], [18]
Desventajas:
Al ser prácticamente un ordenador pequeño tiene las mismas desventajas antes presentadas.
Figure 9. Equipo Barebone[15]
VIPER de ARCOM
Es un computador de bajo consumo basado en el procesador Intel 400MHz, dispone de hasta 64 Mbytes de memoria, entre sus características esta la diversidad de entradas y salidas que permite conectar una gran variedad de módulos según las necesidades del sistema a implementar.[15], [18], [19], [21], [25]
Carácteristicas:
Salida de video TFT/STN
Linea de entrada de audio y dos salidas
Conexión Ethernet 10/100 Base Tx
2 puertos USB
5 puertos 16550 y 5 puertos serie
Real Time clock,16 canales de controlador DMA y Watchdog.
8 entradas digitales+ 8 salidas digitales (5V)[15], [18],
[19], [21], [25]
Figure 10. VIPER 400 MHz
El mundo de la domótica es un campo muy extenso y complejo, su misión en general es de dotar al hogar confort,seguridad, administrar el control energético y las comunicaciónes de forma automatizada a los residentes.
Los dispositivos en los cuales esta conformado una red domótica son los encargados de operar y controlar los procesos determinados del hogar.
La arquitectura de una red domótica esta compuesta principalmente por la arquitectura centralizada y la arquitectura distribuida.
La arquitectura centralizada hace posible que los elementos que constituyen la red se conecten de forma cableda hasta el centro del control implementado.
La arquitectura distribuida hace posible que los elementos de control esten cercanos a los elementos a controlar.
Todos los sistemas domóticos poseen medios de tranmisión que son los encargados del intercambio de información entre los elementos que constituyen la red domótica.
Existen diferentes medios de transmisión, cada uno de ellos con caracteristicas diferentes haciendo que su uso sea variado dependiendo de las necesidades de los usuarios y de la futura red a implementar.
Los protocolos de comunicación son los encargados de realizar la comunicación entre los elementos del sistema,además de garantizar su correcta interacción uno con otro.
Las plataformas de control son unidades centrales de proceso con características específicas para las necesidades de los sistemas a implementar, una plataforma de control básica y de buen rendimiento podría ser un computador personal, aunque este equipo solo servirá como plataforma de control sin tener opción a ser usado para otras aplicaciones.
[1] Institut Cerdà (2000): La vivienda Domótica: ahorro, confort, seguridad y comunicaciones, págs. 3-8.
[2] Junestrand S., Pasarte X., Vázquez D. (2005): Domótica y Hogar Digital, Thomson Paraninfo, Madrid. Capítulo 1, págs. 3-8.
[3] La casa inteligente: hacia un hogar interactivo y automático, Fundesco, Colección Sectores, Madrid. Capítulo 1.
[4] Junestrand S., Pasarte X., Vázquez D. (2005): Domótica y Hogar Digital, Thomson Paraninfo, Madrid, págs. 149-209.
[5] Proyecto Prohome (2003a): Informe A1. Prospección de mercado, Programa PROFIT, págs. 4-10.
[6] Huidobro Moya J.M., Millán Tejedor R. (2004): Domótica. Edificios inteligentes, Creaciones Copyright, Madrid, págs. 58-59, 134-219.
[7] Libro Blanco del Hogar Digital y las Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones", División de Servicios de Documentación de Telefónica I+D. Capítulo 6, págs. 59-88.
[8] "Sistemas De Control Para Viviendas Y Edificios Domóticos", José María Quinteiro González, Javier Lamas Graziani, Juan D. Sandoval González.
[9] "Guía técnica de aplicación de instalaciones de sistemas de automatización gestión técnica de energía y seguridad para viviendas y edificios", Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Guía BT-5. Edición Feb. 07. Revisión 1
[10] "Build Your Own: Smart Home", Robert C. Elsenpeter, Toby J. Velte, ed. McGraw-Hill.
[11] C. Hernández Agero, J. Moreno Gil, P.L.C. Sistema de Corrientes Portadoras (X-10), Madrid, 1999.
[12] S. Gallardo, Configuración de Instalaciones Domóticas y Automáticas, Paraninfo, Madrid, ESPAÑA, 2013
[13] "Automatización y Domótica", Portal de internet destinado a dar a conocer la domótica y la venta de sus productos. Julio de 2015.
Disponible en :http://www.domotica.net
[14] "Domodesk", empresa distribuidora de productos domóticos. Julio de 2015. Disponible en : http://www.domodesk.com
[15] "Domaut Domótica y Automatización", empresa dedicada a la venta de productos de control domóticos y seguridad por Internet. Julio de 2015 Disponible en : http://www.domaut.com
[16] Leopoldo Molina y José Maria Ruiz "Instalaciones automatizadas en viviendas y edificios" Ed. McGraw-Hill Madrid; 2002.
[17] Casa domótica catálogo de entidades y empresas colaboradoras PUBLICAT: [Barcelona] Hidroelèctrica de Catalunya [etc.] DL 2008
[18] M. A. S. Camacho, "Diseño de una vivienda unifamiliar domótica." Copyright Ediciones, 2005.
[19] V. Fernández, E. Ruz, El Hogar Digital, Creaciones Copyright, 2002. [10] J.C. Calloni, Curso Básico de Domótica,Librería y Editorial Alsina, Buenos Aires, 2011.
[20] Juan A. Maestro, "Domótica e Inmotica", Universidad Antonio de
Nebrija.
[21] Edgar D. Orosco, "Robotrónica-Aplicaciones de la Robótica", Facultad de Electrónica Industrial, Escuela Universitaria Politécnica de Vilanova i la Geltru.
[22] J. A. G. Meseguer. Diseño de una instalación domótica con tecnología LONWORKS. 2010
[23] L. D. Hidalgo, W. M. Demera, N. V. Velastegui, and E. Leyton. Diseño Para El Control De Un Hogar Inteligente Mediante El Uso Del Sistema Domotico (X-10) Por Medio De La Red Electrica. 2009.
[24] J. Munoz, J. Fons, V. Pelechano, and O. Pastor. Hacia el modelado conceptual de sistemas domóticos. Dpto. De Sistemas Informáticos y Computación, Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, 2003.
[25] H. Martín y F. Sáez, "Domótica:Un enfoque sociotécnico"[Online], Centró de domótica Integral, Universidad Politécnica de Madrid, Junio 2006. Disponible en: http://www.gsi.dit.upm.es/~fsaez/intl/libro_domotica.pdf
Autor:
Iván Martín Bermeo
Universidad Politécnica Salesiana-Sede Cuenca
Electrónica Analógica II