UPS-CT010087

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO PARA LA
COMUNICACIÓN ENTRE EL DISPOSITIVO ALEXA Y EL
PROTOCOLO LOXONE
Trabajo de titulación previo a la obtención
del título de Ingeniero Mecatrónico
AUTORES: CHRISTIAN SEBASTIAN VELEZ PALOMEQUE
ELVIS ARIEL AZUERO GONZÁLES
TUTOR: ING. DIEGO PAUL CHACÓN TROYA, Mdhd.
Cuenca – Ecuador
2022
CERTIFICADO DE RESPONSABILIDAD Y AUTORÍA DEL
TRABAJO DE TITULACIÓN
Nosotros, Christian Sebastian Velez Palomeque con documento de identificación N◦
0104885694 y Elvis Ariel Azuero Gonzáles con documento de identificación N◦ 0105622021;
manifestamos que:
Somos los autores y responsables del presente trabajo; y, autorizamos a que sin fines de
lucro la Universidad Politécnica Salesiana pueda usar, difundir, reproducir o publicar de
manera total o parcial el presente trabajo de titulación.
Ciudad, 31 de julio del año 2022
Atentamente,
——————————————– ——————————————-
Christian Sebastian Velez Palomeque Elvis Ariel Azuero Gonzáles
0104885694 0105622021
I
ppaucar
Cuadro de texto
Cuenca, 31 de julio del 2022
CERTIFICADO DE CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
DEL TRABAJO DE TITULACIÓN A LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA
Nosotros, Christian Sebastian Velez Palomeque con documento de identificación N◦
0104885694 y Elvis Ariel Azuero Gonzáles con documento de identificación N◦ 0105622021,
expresamos nuestra voluntad y por medio del presente documento cedemos a la Universidad
Politécnica Salesiana la titularidad sobre los derechos patrimoniales en virtud de que somos
autores del Proyecto Técnico: “Diseño y construcción de un módulo para la comunicación entre
el dispositivo Alexa y el protocolo Loxone", el cual ha sido desarrollado para optar por el título
de: Ingeniero Mecatrónico / Ingeniero Mecatrónico, en la Universidad Politécnica Salesiana,
quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente los derechos cedidos anteriormente.
En concordancia con lo manifestado, suscribimos este documento en el momento que
hacemos la entrega del trabajo final en formato digital a la Biblioteca de la Universidad
Politécnica Salesiana.
Ciudad, 31 de julio del año 2022
Atentamente,
——————————————– ——————————————-
Christian Sebastian Velez Palomeque Elvis Ariel Azuero Gonzáles
0104885694 0105622021
II
ppaucar
Cuadro de texto
Cuenca, 31 de julio del 2022
CERTIFICADO DE DIRECCIÓN DEL TRABAJO DE
TITULACIÓN
Yo, Diego Paul Chacón Troya con documento de identificación N◦ 1900268168, docente de
la Universidad Politécnica Salesiana, declaro que bajo mi tutoría fue desarrollado el trabajo de
titulación: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO PARA LA COMUNICACIÓN
ENTRE EL DISPOSITIVO ALEXA Y EL PROTOCOLO LOXONE, realizado por Christian
Sebastian Velez Palomeque con documento de identificación N◦ 0104885694 y Elvis Ariel
Azuero Gonzáles con documento de identificación N◦ 0105622021, obteniendo como resultado
final el trabajo de titulación bajo la opción Proyecto Técnico que cumple con todos los
requisitos determinados por la Universidad Politécnica Salesiana.
Ciudad, 31 de julio del año 2022
Atentamente,
——————————————–
Ing. Diego Paul Chacón Troya, Mdhd.
1900268168
III
ppaucar
Cuadro de texto
Cuenca, 31 de julio del 2022
Dedicatoria
Christian Sebastian
El presente proyecto de titulación está dedicado:
A mis padres y abuelos, quienes siempre han sido mi pilar fundamental de vida y los
cuales han hecho de mi una persona de constancia, valentía y esfuerzo.
A mi pareja de vida y a mis tíos, sin duda alguna, personas que siempre confiaron y
confiarán en mi.
Sin mas, dedico mi triunfo a Dios quien será el que me acompañe hasta el final.
Elvis Ariel
Al ponerme a reflexionar acerca de mi trayecto durante estos cinco años de camino
universitario hay personas que han representado mucho para mi crecimiento personal y que
están en mi mente al momento de escribir este texto. Realmente siento una deuda tan grande
con ellos que ni poniéndoles en esta dedicatoria podrá compensar lo que han hecho por mí.
Primeramente, a mi padre, siempre estará en mi mente esas palabras y ese abrazo que me
dio el día que con tanto júbilo le conté que este proyecto logró funcionar. A mi madre, por
siempre dar lo mejor de ella para nuestro bienestar, te amo con todo mi ser. A mi hermano
Alejandro, mi “gemelo”, que me ha acompañado toda la vida y tuvo las palabras exactas
para levantarme en esos momentos que creía que todo estaba perdido. A Sandy, por ser esa
segunda madre que con tanto amor y regocijo supo hacerme dar cuenta de mi verdadero valor
en el corto tiempo, pero significativo que conviví con ella. A mi primo Miguel, por ser un
ejemplo de superación y trabajo duro para lograr mis objetivos. Finalmente, a las personas
que han vivido un trayecto similar, que me han acompañado con su apoyo y amistad en este
camino Sebastian, Sara, Renata, Carlos, Bryam, John, Xavi y Samantha.
IV
Agradecimientos
Christian Sebastian
Agradezco principalmente a Dios por haberme brindado todo lo necesario para cumplir
con mis sueños.
Agradezco profundamente a mis padres, Tania y Christian que gracias a su cariño y apoyo
he podido alcanzar uno de los objetivos mas grandes de mi vida. A mis abuelitos, Azucena y
Leon quienes me han guiado y acompañado con paciencia y amor durante toda mi carrera.
Esteban, mi hermano que incondicionalmente me ha apoyado durante toda mi vida.
A Sofia, quien ha sido mi pareja incondicional y mi apoyo incuestionable en cada etapa de
mi camino universitario.
Ariel, mi compañero y mejor amigo con el cual desde hace mas de cinco años hemos
soñado con graduarnos. Sin duda alguna, quisiera agradecer al tutor de este proyecto, Ing.
Diego Chacón, a quien admiro mucho por sus conocimientos y paciencia para la guía de este
presente trabajo de titulación .
También quiero agradecer al Ing. Xavier Delgado y al Ing. Paul Chasi quienes aportaron
significativamente a este proyecto. .
Elvis Ariel
Agradezco a Dios por haberme brindado todas las experiencias que me han convertido en
la persona que soy hoy. A mis padres Miguel y Nube, a los que les debo todo. A mi hermano
Alejandro por estar conmigo en todo momento y apoyarme incondicionalmente en la ejecución
de este trabajo. A Sebastian mi gran amigo de toda mi etapa universitaria que me ha estado
ayudando a crecer siempre.
Al Ing. Diego Chacón, por sus conocimientos brindados y por ser una guía en cada proceso
de la realización de este trabajo.
Al Ing. Paúl Chasi, por ser una pieza fundamental en la idea de la programación del
módulo.
Al Ing. Xavier Delgado, un verdadero amigo que aportó significativamente en la construc-
ción del módulo.
V
Este documento fue realizado enteramente en LATEX
VI
Índice
Certificado de responsabilidad y autoría del trabajo de titulación I
Certificado de cesión de derechos de autor del trabajo de titulación a la Universidad
Politécnica Salesiana II
Certificado de dirección del trabajo de titulación III
Dedicatoria IV
Agradecimientos V
Resumen XIII
Abstract XIV
1. Introducción 1
2. Problema 1
2.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.2. Descripción del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.3. Importancia y alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.4. Delimitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.4.1. Espacial o geográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.4.2. Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.4.3. Sectorial o institucional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.5. Problema General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.6. Problemas Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3. Objetivos 4
3.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2. Objetivos Específicos . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4. Marco Teórico 4
4.1. Domótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.1.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.1.2. Protocolos de domótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
VII
4.2. Protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.2.1. Descripción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.2.2. Loxone Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.2.3. Loxone Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.2.4. Loxone Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.2.5. Dispositivos de red LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.3. Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.3.2. Raspberry Pi 4 Modelo B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.4. Asistentes Virtuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.4.1. Amazon Alexa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.4.2. Arquitectura y funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.4.3. Análisis del tráfico de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.5. Raspbian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6. Node RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.7. Fusion 360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5. Marco metodológico 13
5.1. Metodologia de la Investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.1.1. Método inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1.2. Método deductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1.3. Método bibliográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2. Metodologia del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2.1. Parámetros iniciales del módulo de comunicación entre el dispositivo
Alexa y el protocolo Loxone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2.2. Diseño del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y el
protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2.3. Construcción del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y
el protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.4. Evaluación del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y el
protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6. Resultados 51
6.1. Parámetros establecidos para el diseño del módulo de comunicación entre el
dispositivo Alexa y el protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
VIII
6.2. Diseño del módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo
Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.3. Resultados de la construcción del módulo de comunicación entre el dispositivo
Alexa y el protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.4. Resultados de la evaluación del módulo de comunicación entre el dispositivo
Alexa y el protocolo Loxone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7. Conclusiones 57
8. Recomendaciones 59
Referencias 61
ANEXOS 62
IX
Lista de Tablas
1. Parámetros de evaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2. Evaluación de diseños . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3. Parámetros evaluados con un dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4. Parámetros evaluados con 36 dispositivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
X
Lista de Figuras
1. Conexiones que permite el Miniserver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Raspberry Pi 4 Modelo B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. Modelos de Echo Dot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4. Modelos de Echo Dot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5. Modelos de placa de microordenador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6. Estructura de un hogar domótico con el módulo de conexión . . . . . . . . . 20
7. Nodo de inyección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
8. Nodo de función. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
9. Diagramas de flujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
10. Nodo de miniservidor Loxone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
11. Nodo Control-In. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
12. Nodo Control-Out. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
13. Nodo Servicio-Web. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
14. Nodo Stream-In. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
15. Nodo Stream-All. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
16. Nodo Online. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
17. Nodo Keepalive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
18. Nodo Alexa Home. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
19. Nodo Alexa Home. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
20. Configuración de nodo Control.Out. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
21. Configuración de diseño preliminar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
22. Conversión de tipo de variable boleana a cadena de texto. . . . . . . . . . . . 31
23. Diseño 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
24. Diseño 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
25. Diseño 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
26. Diseño 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
27. Diagrama de instalación de Raspbian. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
28. Comando para instalación de Node-RED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
29. Comando para cargar Node-RED con cada inicio de sistema. . . . . . . . . . 37
30. Comando para iniciar Node-RED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
31. Instalación de nodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
32. Configuración de dispositivos en el nodo Control Out. . . . . . . . . . . . . . 40
33. Configuración de la variable compatible con Alexa. . . . . . . . . . . . . . . 41
XI
34. Variable de luz creada para ser insertada en Node-RED. . . . . . . . . . . . 42
35. Despliegue de la variable creada en el nodo Alexa Home. . . . . . . . . . . . 42
36. Diagramas programados para post evaluación. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
37. Prototipo impreso en 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
38. Dispositivos controlados en el área de cocina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
39. Dispositivos controlados en el área de escaleras. . . . . . . . . . . . . . . . . 46
40. Dispositivos controlados en el área de exterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
41. Dispositivos controlados en el área de dormitorio master. . . . . . . . . . . . 47
42. Dispositivos controlados en el área de dormitorio 1. . . . . . . . . . . . . . . 48
43. Dispositivos controlados en el área de dormitorio 2. . . . . . . . . . . . . . . 48
44. Dispositivos controlados en el área de dormitorio 3. . . . . . . . . . . . . . . 49
45. Dispositivos controlados en el área de sala de estar. . . . . . . . . . . . . . . 49
46. Dispositivos controlados en el área de pasillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
47.Configuración establecida para la comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . 53
48. Módulo de comunicación implementado en el hogar. . . . . . . . . . . . . . . 55
XII
Resumen
El diseño y construcción de un módulo de comunicación entre el protocolo Loxone y el
dispositivo Alexa tuvo como objetivo aportar una nueva función de control de los dispositivos
conectados al protocolo mediante comandos de voz ya que actualmente este no ofrece conexión
directa con asistentes virtuales distintos a Siri.
La implementación del modulo tuvo lugar en una vivienda ubicada en la ciudad de Cuenca
la cual ya contaba con tecnología Loxone en sus instalaciones. El montaje del diseño del
programa fue desarrollado en un Raspberry Pi 4 modelo B, el cual brinda las características
necesarias para el manejo de las variables estudiadas.
Asimismo, se diseñó una carcasa de recubrimiento en aluminio con el fin de ofrecer un
producto final compacto, elegante y resistente para un funcionamiento óptimo en un entorno
real.
Después del estudio y desarrollo del módulo se estableció una etapa de evaluación en la cual
se obtuvieron los resultados esperados, la conexión entre ambas tecnologías se dio de manera
correcta con tiempos de respuesta menores a un segundo y garantizando el rendimiento de la
placa ante la presencia de 36 dispositivos conectados simultáneamente.
Palabras clave: Protocolo Loxone, Asistente virtual Alexa, módulo de comunicación, hogar
inteligente.
XIII
Abstract
The design and construction of a communication module between the Loxone protocol
and the Alexa device was aimed at providing a new function to control the devices connected
to the protocol through voice commands, since it currently does not offer direct connection
with virtual assistants other than Siri.
The implementation of the module took place in a house located in the city of Cuenca
which already had Loxone technology in its facilities. The assembly of the program design
was developed in a Raspberry Pi 4 model B, which provides the necessary characteristics for
the management of the variables studied.
Also, an aluminum casing was designed in order to offer a compact, elegant and resistant
final product for an optimal operation in a real environment.
After the study and development of the module, an evaluation stage was established in
which the expected results were obtained, the connection between both technologies was
correct with response times of less than one second and guaranteeing the performance of the
board in the presence of 36 simultaneously connected devices.
Keywords: Loxone protocol, Alexa virtual assistant, Gateway, Smart home.
XIV
1. Introducción
Antes de comprender el enfoque general del presente proyecto se deben conocer términos
importantes que involucran el ámbito de la domótica. Esta se puede definir como todo
aquel conjunto de tecnologías que permitan la automatización del hogar integrando sistemas
independientes en un solo entorno de control. Este sistema está basado en protocolos, mismos
que definen el tipo de formato de los mensajes que los dispositivos envían a los elementos
de control del hogar, el protocolo por lo tanto, es aquel conjunto de reglas que requieren
seguir los dispositivos para intercambiar información y comunicarse entre sí. Otro concepto
importante que se debe conocer es el de asistentes virtuales, estos son programas basados en
tecnologías de inteligencia artificial, los cuales son capaces de interpretar el lenguaje con un
alto nivel de precisión con el fin de ejecutar tareas y de ser necesario, consultar en fuentes de
internet preestablecidas para responder a los comandos de voz. Actualmente, la comunicación
entre asistentes virtuales y protocolos domóticos está limitada al desarrollo personalizado de
cada fabricante, es decir, realizan componentes únicos integrando la función de control por
voz mediante internet, sin embargo, existen componentes que no disponen de esta capacidad y
que están presentes en una instalación con tecnología domótica. Por lo tanto, se desarrolló un
módulo capaz de comunicar un asistente virtual con los dispositivos conectados a un protocolo
domótico para controlarlos mediante comandos de voz desde cualquier parte del mundo con
el uso de internet. El módulo fue construido a base de Raspberry Pi, en el cual se integra un
software capaz de interpretar los datos recibidos desde el comando, modificarlos y enviarlos
hacia la entrada programada del dispositivo de control del protocolo. Para este proyecto se ha
integrado el módulo de comunicación en un hogar que cuenta con instalación del protocolo
Loxone y la disposición de un asistente virtual Alexa. Siendo un protocolo implementado en
la capa de internet, se realizó el módulo en función del trafico de datos a través de la red, esto
permitió manejar los dispositivos mediante comandos de voz sin necesidad de estar dentro de
la red local del hogar.
2. Problema
2.1. Antecedentes
Los altavoces inteligentes son toda una revolución tecnológica, las diferentes aplicaciones
van desde la activación de un foco siempre y cuando éste se mantenga conectado al sistema
1
de red hasta escuchar por el altavoz la música de agrado del cliente. Asimismo, la informa-
ción que el usuario requiera como el clima, las noticias, el tráfico, es una gran ayuda para
prevenir ciertos acontecimientos, sin embargo, en el campo de la domótica un altavoz no es
suficiente para poder controlar todo el hogar, si bien existen dispositivos como bombillas
WiFi, tomacorrientes especiales, cámaras o termostatos, que pueden conectarse al altavoz,
estos cuentan con aplicaciones propias del fabricante y pueden conectarse con el altavoz
pero su funcionamiento no es automático o inteligente, lo cual limita el control completo
del hogar. Una solución integral que permite automatizar tanto la iluminación, la música, el
clima, la seguridad y accesos de forma que el hogar se vuelve inteligente y no necesita de
acciones manuales, sino que lo hace por sí misma para lograr eficiencia energética, confort
y seguridad, son los módulos domóticos, los cuales permiten mediante la interconexión y
sinergia de sistemas independientes, operar de manera automática las tareas dentro del lugar
en donde se apliquen.
2.2. Descripción del problema
Existen diversos protocolos para sistemas domóticos de los cuales uno de los más impor-
tantes es Loxone. Actualmente Loxone no dispone de conexiones directas con Amazon Alexa
o Google Home, por lo que el control por voz del hogar sería imposible. Existen módulos que
procuran una integración entre ambos, sin embargo, estos dispositivos tienen costos elevados
sujeto al marco de realidad de nuestro país.
2.3. Importancia y alcances
La propuesta de diseñar y construir un módulo para la comunicación entre el dispositivo
Alexa y el protocolo Loxone, busca optimizar el control del protocolo mediante la utilización de
comandos de voz proporcionado por Alexa. Los cuales faciliten la interacción de las personas
con el entorno de su hogar, mejorando su calidad de vida y aumentando el nivel de seguridad,
confort, e incluso ahorro energético dentro de su vivienda.
El grupo objetivo para la presente investigación es el conjunto de personas que requieran un
control monitorizado de su vivienda o edificación con el fin de optimizar las tareas dentro del
entorno, al mismo tiempo. La investigación también está orientada a personas que posean
cualquier tipo de discapacidad física, la cual les impide realizar acciones dentro del hogar.
Además de ello no frecuentan el uso de dispositivos electrónicos como celulares o computadoras,
2
por lo cual, mediante una simple órden por voz podrán controlar las tareas de su vivienda y
mejorar su calidad de vida.
2.4. Delimitación
El problema de estudio se delimitará en las siguientes dimensiones:
2.4.1. Espacial o geográfica
El proyecto propuesto se desarrollará en un domicilio que cuenta con el protocolo Loxone
ubicado en las calles Julio Enrique Toral y Avenida del Migrante, sector Parque Industrialdentro de la ciudad de Cuenca de la provincia del Azuay.
2.4.2. Temporal
El tiempo para la realización del proyecto se comprende desde mediados del mes de Febrero
que denota la fecha de aprobación del trabajo de titulación hasta finales del mes de Julio que
indica la culminación del periodo 60 de la universidad, siendo un estimado de 6 meses.
2.4.3. Sectorial o institucional
El proyecto planteado se rige bajo los requisitos que plantea la Universidad Politécnica
Salesiana en lo que respecta al modelo investigativo y el esquema de presentación de proyectos
de titulación.
2.5. Problema General
¿Es posible diseñar y construir un módulo para la comunicación entre el dispositivo
Alexa y el protocolo Loxone ?
2.6. Problemas Específicos
¿Se podrá identificar los parámetros iniciales para el diseño de un módulo para la
comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo Loxone?
¿Se podrá proponer el diseño de un módulo para la comunicación entre el dispositivo
Alexa y el protocolo Loxone?
3
¿Se podrá construir un módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y el
protocolo Loxone?
¿Se podrá evaluar el funcionamiento de un módulo para la comunicación entre el
dispositivo Alexa y el protocolo Loxone?
3. Objetivos
3.1. Objetivo General
Diseñar y construir un módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y el
protocolo Loxone.
3.2. Objetivos Específicos
Identificar los parámetros iniciales para el diseño de un módulo para la comunicación
entre el dispositivo Alexa y el protocolo Loxone.
Proponer el diseño del módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y el
protocolo Loxone.
Construir el módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo
Loxone.
Evaluar el funcionamiento del módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y
el protocolo Loxone.
4. Marco Teórico
4.1. Domótica
4.1.1. Definición
Castillo y Honores (2021), precisa lo siguiente:
El termino domótica refiere al conjunto integrado de sistemas de control y auto-
matización con el fin de monitorizar, gobernar o controlar una vivienda u hogar,
permitiendo optimizar y gestionar inteligentemente el consumo energético de la
4
residencia y brindar servicios de seguridad, confort y bienestar de los habitantes
del hogar.
A partir de ello, se puede entender que la domótica se basa en “la recolección de datos
provenientes de sensores, dispositivos de entrada, captadores o medidores, datos que son
procesados y comunicados mediante un protocolo hacia sistemas de acción, es decir, actuadores
o mecanismos de activación o desactivación de dispositivos eléctricos del hogar” (Franco,
2014).
4.1.2. Protocolos de domótica
Hoy en día, al hablar de domótica, nos referimos simultáneamente al uso de las telecomu-
nicaciones, electrónica, informática y electricidad, aplicadas al hogar en donde el habitante
tiene la oportunidad de controlar su vivienda a través de una computadora, celular, e incluso
con dispositivos de asistencia virtual controlado por voz como lo son Alexa, Google Home,
Siri, entre otros.
Existen diferentes protocolos de comunicación para estos dispositivos, comúnmente se
utiliza la red eléctrica como medio de transporte de datos para establecer la comunicación
entre el dispositivo de entrada o recepción y un modulo o dispositivo de transmisión, los
protocolos comúnmente utilizados para trabajos domóticos son:
inBus
X10
KNX/EIB
ZigBee
OSGi
LonWorks
Universal Plug and Play (UPnP)
Modbus
BUSing
INSTEON
5
BACnet
Loxone (Herrera, 2005)
Dentro del mercado europeo los protocolos mas utilizados son X10 y KNX, sin embargo,
para la realización de este estudio, se establecerá como protocolo base el protocolo Loxone.
4.2. Protocolo Loxone
4.2.1. Descripción
Loxone es un sistema domótico de origen austriaco creado en el 2009 para competir con
otros sistemas domóticos. La instalación de este sistema es mediante cableado y/o vía radio
con la finalidad de permitir nuevas instalaciones si se desea. Este sistema cuenta con un
“cerebro” llamado Miniserver el cual recopila toda la información y transmite las señales
de los actuadores. Este sistema es ampliable por sus diversas tecnologías y el hardware
usado dependerá del tamaño de la instalación. Asimismo, Loxone cuenta con una gran
gama de dispositivos que facilitan la integración de diferentes tecnologías que se presentan a
continuación:
Loxone Tree
Loxone Air
Loxone Link
Dispositivos LAN
DMX
IR
DALI
4.2.2. Loxone Tree
“Loxone Tree es un bus de comunicación con el cual se reduce el cableado en las instalaciones
del protocolo. Un solo Miniserver puede contener diferentes ramales Loxone Tree y este a su
vez puede compartir información con otros Miniservers” (Loxone, 2021).
6
4.2.3. Loxone Air
Loxone Air es una tecnología inalámbrica de largo alcance que usa la tecnología
Malla, es decir, cada dispositivo es un repetidor de señal. Loxone Air permite tener
una buena cobertura independientemente de como sea la instalación. Incorpora
comunicación bidireccional totalmente encriptada y todos los dispositivos Loxone
Air tienen un consumo mínimo de energía. (Loxone, 2021)
4.2.4. Loxone Link
Loxone Link permite conectar las extensiones Loxone con el Miniserver. A través
de la red informática es posible ampliar el sistema Loxone con más Miniserver
en una misma instalación. El bus Loxone Link es un bus a dos hilos, que nace
siempre en el Miniserver y termina en la última Extensión. (Loxone, 2021)
4.2.5. Dispositivos de red LAN
El Miniserver está diseñado para ser compatible con dispositivos LAN, eso significa
que a través de la red se puede controlar un equipo de música, amplificadores
o televisores. Además se puede obtener información de interés como el consumo
energético. La conexión con dispositivos IoT sería posible gracias a la arquitectura
de Miniserver. (Loxone, 2021)
7
Figura 1
Conexiones que permite el Miniserver.
Nota: Esta figura muestra las diferentes conexiones compatibles con el miniservidor de Loxone,
de acuerdo a Loxone (2021).
4.3. Raspberry Pi
4.3.1. Introducción
Raspberry Pi es un microordenador diseñado y desarrollado en Reino Unido,
principalmente con fines educativos dentro del campo de la informática, actual-
mente su modelo más reciente posee características que permiten implementar
su hardware dentro del campo de la domótica como un módulo de comunicación.
Todos los diseños de Raspberry Pi se basan en el hardware libre y habitualmente
se utilizan también sistemas operativos libres basados en GNU/Linux, en donde
se puede escoger entre sus distribuciones, Ubuntu, Debian, entre otros. (Sysala,
Fogl, y Neumann, 2017)
8
4.3.2. Raspberry Pi 4 Modelo B
Raspberry Pi 4 modelo B es el mas reciente lanzamiento de su fabricante Raspberry
Pi Foundation. Raspberry Pi 4 es una actualización mayor de su antecesor, el
cambio de procesador a un ARM Cortex-172 con cuatro núcleos a 1,5 GHz también
implicaba pasar de los 40 nm a los 28 nm. En consecuencia, todos los componentes
y la potencia del dispositivo ha cambiado. Explican en el anuncio oficial que
los benchmark dan resultados entre dos y cuatro veces mayores respecto a la
Raspberry Pi 3B+.
Además de mejorar su potencia, Raspberry Pi 4 posee con una conexión Bluetooth
5.0 y Wi-Fi 802.11ac para las conexiones inalámbricas. También se ha cambiado
el conector microUSB de alimentación por un USB-C que suma 500 mA extra de
energía para alcanzar un total de 1.2 A. (Raspberry, 2021)
Figura 2
Raspberry Pi 4 Modelo B.
Nota: Esta figura muestra las características del raspberry Pi 4 Modelo B, de acuerdo a
Raspberry (2021).
9
4.4. Asistentes Virtuales
“Los Asistentes Virtuales son herramientas integradas con inteligencia artificial. Tecnologías
que ayudan a los usuarios a obtener información de bases de datos y ejecutar aplicaciones;
mediante la comunicación de lenguaje natural usuario/asistente” (González, Martínez, y
Hernández, 2020).
4.4.1. Amazon Alexa
Alexa es un asistente virtual diseñado por la compañía Amazon, es un dispositivocapaz de ejecutar una serie de tareas mediante el control por voz con la utilización
de comandos simples, fue lanzado en noviembre del 2014 junto a su línea de
altavoces inteligentes Echo. Su nombre fue elegido según Amazon por contener
una consonante fuerte y una x, lo que facilitaría el reconocimiento de voz para
su activación, su nombre también esta inspirado en la biblioteca de Alejandría.
(Lopatovska y cols., 2018)
Inicialmente, Alexa “fue diseñada únicamente para conectarse con altavoces inteligentes
de su misma compañía, sin embargo, actualmente Alexa está disponible para una serie de
dispositivos de distintas marcas lo cual abre espacio para un uso extensivo en diferentes
aplicaciones y campos” (Lopatovska y cols., 2018).
Alexa ronda entre 40 y 70 dólares americanos, dependiendo de su generación y del
modelo del altavoz Echo, permite vincularse inalámbricamente hacia dispositivos
móviles mediante la red WiFi. Utiliza un sistema de actualización de datos con
una nube o servidor, el cual brinda información constante sobre el clima, tráfico,
noticias, así como también conexión con plataformas de video, música, transmisión,
por lo que la hace un dispositivo idóneo para el control del hogar. (Lopatovska y
cols., 2018)
Actualmente Alexa esta disponible en diferentes modelos de Echo Dots:
10
Figura 3
Modelos de Echo Dot.
Nota: Se presenta una comparación de características entre las últimas generaciones de Echo
Dot.
4.4.2. Arquitectura y funcionamiento
La arquitectura de Amazon Alexa compone el proceso desde la adquisición de datos por
parte del altavoz inteligente hasta la información de la tarjeta en la aplicación de Alexa. A
continuación se presenta un gráfico de la arquitectura de Amazon Alexa.
11
Figura 4
Arquitectura Amazon Alexa.
Nota: Esta figura muestra el proceso de transmisión de datos de voz por parte de Amazon
Alexa, de acuerdo a Barceló (2021).
Según Barceló (2021), como receptores de datos están los diferentes altavoces inteligentes a
la espera de la palabra de activación. Cuando el usuario dice este comando de accionamiento,
el dispositivo comienza a grabar el audio y lo envía a Alexa Voice Service (AVS). AVS recibe el
audio y lo procesa mediante el reconocimiento automático de voz y la comprensión del lenguaje
natural de Alexa. Posteriormente se podrán obtener las diferentes tareas o funcionalidades
del servicio de Alexa para el usuario llamadas "skills". A continuación, se delegará el comando
al servidor de la "skill"que el usuario quiere ejecutar, que puede estar operando tanto por
Amazon como por una third-party si se trata de una skill externa. Cuando el servicio en la
nube de Alexa recibe una respuesta del servidor de la "skill", esta se transmite al dispositivo
Echo que este, a su vez, reproduce un audio a través de los altavoces integrados informando
del resultado del comando que el usuario había ejecutado. Finalmente, envía la información
del comando en formato de tarjetas informativas a la aplicación Alexa.
4.4.3. Análisis del tráfico de datos
Cuando el dispositivo finaliza la grabación, encripta y envía todos los datos a
los servidores asociados a Alexa Voice Service. El algoritmo de encriptación que
se utiliza se trata de TLS v1.2 AES. Estos servidores recibirán los datos, los
desencriptarán, procesarán y construirán la respuesta correspondiente. Finalmente,
el servidor volverá a encriptar los datos que corresponden a la respuesta del
comando y lo devolverá al altavoz inteligente; que lo desencriptará y reproducirá
mediante síntesis de voz. (Barceló, 2021)
12
4.5. Raspbian
“Raspbian es un sistema operativo gratuito basado en Debian optimizado para el hardware
Raspberry Pi. Un sistema operativo es el conjunto de programas y utilidades básicos que
hacen que Raspberry Pi funcione” (Harrington, 2015). Se piensa trabajar bajo este sistema
operativo puesto que es propio de Raspberry y la información que existe para el manejo del
mismo es abundante.
4.6. Node RED
“Node-RED es una herramienta de programación para conectar dispositivos de hardware,
API y servicios en línea de formas nuevas e interesantes” (Ferreras, 2016). Consiste en nodos
que se pueden conectar entre sí para facilitar la programación con el usuario. También tiene
una opción en donde se pueden agregar nuevos nodos para aumentar las posibilidades de
aplicación.
4.7. Fusion 360
Fusion 360 es un potente paquete de software de modelado 3D con un módulo
integrado, paramétrico y basado en funciones CAM construidas dentro del software.
Fusion 360 es la primera herramienta 3D CAD, CAM Y CAE de su tipo. Conecta
todo el proceso de desarrollo de producto en una sola plataforma basada en la nube
que trabaja con Mac y PC, combina diseño industrial y mecánico, colaboración
entre usuarios, simulación y maquinado en un solo software. (Verma, 2018)
El software mencionado anteriormente servirá como herramienta para diseñar los diferentes
prototipos de la carcasa del módulo para la comunicación.
5. Marco metodológico
5.1. Metodologia de la Investigación
En el proyecto "Diseño y construcción de un módulo para la comunicación entre el
dispositivo Alexa y el protocolo Loxone."se aplica una investigación con enfoque cualitativo
donde se utilizarán técnicas y herramientas que permitirán profundizar temas en relación a la
comunicación entre un protocolo domótico y el microcomputador que en este caso sería el
Raspberry Pi, y el diseño de objetos para la realización de la carcasa. Tiene un alcance al
13
inicio descriptivo debido a que se aplicarán conceptos teóricos de protocolo Loxone, Rasberri
Pi. El tipo de investigación es de carácter aplicado a una disminución de costes al momento
de domotizar una vivienda.
5.1.1. Método inductivo
“El método inductivo es una forma de razonar los acontecimientos o fenómemos partiendo
de la observación con el fin de obtener una conclusión, generalmente las conclusiones obtenidas
de este método son probables y tiene como objetivo generar nuevo conocimiento”(Newman,
2006). Partiendo de aquello, para el presente proyecto se aplicará este método en el desarrollo
de investigación y recolección de datos de diferentes dispositivos independientes entre si, para
su posterior sinergia y convertirlos en un solo sistema capaz de ejecutar tareas conjuntamente.
Alexa es un dispositivo de asistencia de voz capaz de brindar información actualizada de la web
como noticias, el clima, entre otros, por otra parte se tiene el mini servidor de Loxone, el cual
permite la conexión de módulos para el control del hogar dentro del campo de la domótica, la
conexión de éste mini servidor con el dispositivo Alexa es posible mediante otro dispositivo
programado que actúe como puente entre los dos sistemas, lo cual se desarrollará con la
tecnología de Raspberry Pi 4, micro ordenador diseñado para ser programado y utilizado en
el campo de la electrónica, estos dispositivos formarán parte de un solo sistema capaz de
gobernar las tareas del hogar tanto como sus conexiones lo permitan.
5.1.2. Método deductivo
“El método deductivo al igual que el inductivo es una forma de razonar y explicar los
acontecimientos o fenómenos, este método parte de las leyes y teorías ya establecidas en
la ciencia hacia casos particulares” (Newman, 2006). Partiendo de su comprensión, para el
presente proyecto se aplicará este método en la toma de decisiones para la complementación
de un dispositivo de entrada y un dispositivo domótico, existen diversos protocolos dentro
del campo de la domótica, de los cuales se estableció Loxone como protocolo particular para
esta investigación ya que admite una serie de conexiones externas para el control del hogar,
asimismo, Alexa es un dispositivo de asistencia por voz que recibe órdenes por voz y ejecuta
una acción, en uso independiente, respuestas únicamente de voz, por lo tanto, es posible la
conexión entre los dos sistemas mediante la aplicación de conocimientos de programación,
electrónica digital, circuitos eléctricos y domótica básica.
14
5.1.3. Método bibliográfico“El método bibliográfico hace referencia al conjunto de técnicas y estrategias con el fin de
identificar y escoger la información adecuada para realizar una investigación” (Newman, 2006),
dentro del presente proyecto se aplicará este método para indagar en la información necesaria
con respecto al protocolo Loxone, el dispositivo Amazon Alexa, el dispositivo Raspberry Pi
4 con el fin de comprobar que su conexión es posible aplicando conocimientos previos de
programación, electrónica digital, circuitos eléctricos y domótica básica, además de ello, se
aplicará conocimientos de técnicas de manufactura y diseño mecánico para finalmente obtener
un producto sellado y capaz de conectar el asistente de voz Alexa hacia el mini servidor del
protocolo Loxone y garantizar un correcto manejo del hogar.
5.2. Metodologia del proceso
5.2.1. Parámetros iniciales del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y el
protocolo Loxone.
Parámetros Electrónicos
Para el diseño de un módulo domótico se deben considerar los parámetros electrónicos
básicos de una placa de microordenador en la cual será montado el software de comunicación.
Estos parámetros se definieron con el fin de escoger una placa que cumpla con los requerimientos
de aplicación:
1. Voltaje de alimentación
2. Corriente de salida
3. Consumo de energía
4. Robustez
Según Sysala y cols. (2017), al determinar los parámetros iniciales para el diseño de un
módulo domótico surgen diferentes interrogantes como el tipo de comunicación que tendrá,
los dispositivos que se usarán, el sistema operativo o las diferentes funciones que este tendrá.
Se destacaron tres aspectos básicos de los que parten y que se buscan resolver al momento de
establecer el diseño de un dispositivo domótico:
Aplicación Inalámbrica
Tecnología Open Source
15
Acceso Remoto
Aplicación Inalámbrica
Muchos sistemas domóticos funcionan con la utilización de aplicaciones de PLC, esto
significa que varios dispositivos estarán interconectados entre sí mediante relés, cables o
algunas tecnologías integradoras. El cableado representaría una alternativa en caso de que se
estuviese construyendo un hogar domótico desde el principio, sin embargo, se consideró una
casa ya construida y domotizada con tecnología Loxone a la cual se implementó un plus de
automatización mediante comandos de voz. Como se mencionó en el Marco Teórico, Loxone es
el protocolo domótico que cuenta con un “cerebro” llamado Miniserver, siendo el que comanda
a todos los dispositivos domóticos del hogar. La comunicación con estas tecnologías también
se realiza mediante LAN (Local Area Network). “Las LAN son generalmente propiedad de
una organización que utiliza la red para interconectar equipos” (Stallings, 2004). Por lo tanto,
se tomó en cuenta este sistema de comunicación para el modelo a diseñar.
Tecnología Open Source
Uno de los extras del proyecto era su bajo costo, por lo que se consideró la utilización de
tecnologías Open Source. Meirinhos (2009) la define como:
Todo software que permita su utilización para cualquier fin, sin restricción de
copias, de acceso al código-fuente, al estudio de su funcionamiento, a la adaptación
conforme las necesidades de cada uno y a la posibilidad de difundir copias a
terceros de las alteraciones introducidas.
Una de las tecnologías que permite el código abierto y que se ha venido desarrollando ha sido
Raspberry Pi, y como se citó anteriormente, con la utilización de este miniordenador fuimos
capaces no sólo de modificar el sistema de acuerdo con nuestras necesidades, sino de poder
ahorrar dinero en comparación con otros productos comerciales.
Acceso Remoto
Otra de las interrogantes que surgió era si se podía controlar el hogar domotizado mediante
comandos de voz desde cualquier parte del mundo. Este acceso es posible gracias a las
tecnologías móviles en las que se les puede instalar aplicaciones como la propia de Alexa, sin
importar de que el sujeto esté dentro del hogar, podría comandar cualquier acción desde su
celular. Ya que el módulo actuaría de traductor para que se realicen las acciones pertenecientes
al Miniserver de Loxone a través de conexión a internet.
16
Principales Funciones del Módulo
Al cabo de establecer los parámetros anteriores, se plantearon las exigencias que tendría
el módulo dentro del hogar:
Conexión y reconocimiento de comando de voz con Alexa: Responder ante nuevas
órdenes como: “Alexa, prende la luz del salón”. Responder a preguntas ya dadas por el
asistente Alexa como: “Alexa, ¿Qué hora es?”
Conexión con Loxone: Para la instalación de un sistema de automatización o sistema
Loxone es necesario estar certificado por la empresa Loxone Electronics GmbH, caso
contrario los equipos no podrán ser entregados ni instalados. Asimismo, se debe tener
mínimos conocimientos de redes informáticas, manejo de datos y en particular conocer
toda la nomenclatura que utiliza el protocolo y el ámbito de telecomunicaciones.
Selección de la placa de microordenador
Tomando en cuenta que uno de los requerimientos fundamentales de este proyecto fue el
desarrollo de un módulo de comunicación de bajo costo, se han planteado las siguientes
alternativas para la selección de la placa base de microordenador mostradas en la siguiente
figura.
17
Figura 5
Modelos de placa de microordenador.
Nota: Esta figura muestra las alternativas de placas de microordenador según su costo.
Las alternativas que se presentaron fueron escogidas según el rango de precio y la capacidad
de procesamiento de datos. La opción mas viable para el requerimiento de comunicación a
un bajo costo es la de Raspberry Pi 4 modelo b, principalmente por su tipo de conectividad,
18
ya que además de los anteriores aspectos también se tomó en cuenta que el módulo deberá
conectarse de manera inalámbrica a la red WiFi, función que sus semejantes no disponen. Otra
consideración para la selección de la placa fue su disponibilidad dentro del país, la empresa
Raspberry dispone de proveedores autorizados del microordenador con opción de servicio al
cliente y servicio técnico autorizado en caso de recibir productos con fallas de fábrica.
Sistema Operativo
Teniendo en cuenta que estableciendo el dispositivo que actuará como ordenador principal
para la comunicación entre el altavoz Alexa y el Protocolo Loxone, también se debe considerar
el sistema operativo. Según , Jaramillo, Boudouris, Barrero, y Jaramillo (2015)“El sistema
operativo es el software que coordina y dirige todos los servicios y aplicaciones que utiliza el
usuario en una computadora, por eso es el más importante y fundamental”.Para este apartado
se considera la utilización Raspberry Pi OS o también llamado Raspbian. A continuación,
se presentan una breve descripción del sistema operativo extraído del sitio web oficial de
(Raspberry, 2022)
El sistema operativo viene con más de 35,000 paquetes: software pre compilado
incluido en un formato agradable para una fácil instalación en su Raspberry Pi. El
sistema operativo Raspberry Pi está en desarrollo activo, con énfasis en mejorar
la estabilidad y el rendimiento de tantos paquetes Debian como sea posible en
Raspberry Pi.
Software para la programación del módulo
Existen dos softwares principales en los que es posible la programación del módulo y compati-
bles con Raspberry Pi. Uno de estos, llamado HABridge, “es un software libre que simula
una interfaz que Alexa puede entender y transmite los comandos enviados al Miniservidor
Loxone a través de una llamada Http – GET”(GitHub, 2022).Todo este procedimiento lleva
un tiempo relativamente largo con muchos dispositivos domésticos inteligentes existentes ya
que se tienen que averiguar los nombres o el UUID (Identificador Único Universal) de los
dispositivos que se usan en Loxone. Existe otro software que representa la alternativa más
factible, este software se llama Node-RED, el cual “es un poderoso kit para Internet de las
cosas (IoT).”(Node-RED, 2022)
Estructura del sistema
19
Figura 6
Estructura de un hogar domótico con el módulo de conexiónNota: La figura muestra un esquema de los parámetros que el módulo tendrá y cómo se
comunicará con el protocolo.
De acuerdo con los requisitos antes mencionados, se ha diseñado el esquema para un hogar
inteligente implementando el módulo de comunicación. La base de datos es controlada por el
Miniserver de Loxone, que debe contar con módulos individuales con sensores conectados para
temperatura, humedad de aire, detección de movimiento, control de luces y sus respectivos
actuadores.
Parámetros Mecánicos
El diseño de un chasis para un dispositivo que contiene componentes electrónicos debe
considerar parámetros importantes tales como el material, este será determinado bajo las
condiciones a las que el dispositivo estará expuesto durante su funcionamiento. Asimismo,
20
otro factor importante es el peso, el cual estará dado por las dimensiones del equipo, mismas
que obedecerán la funcionalidad y espacio disponible. Por lo tanto, los parámetros que se
consideran en el diseño de los mencionados dispositivos están de alguna manera relacionados
uno del otro, esto se representará finalmente en el costo de producción, el cual para entrar en
una línea de competición deberá ser el menor posible.
Consideraciones de diseño
Dentro del proceso de diseño existen las consideraciones que relacionan las dimensiones, el
material, el procesamiento y la unión de los componentes en base a condiciones iniciales o
requerimientos que el usuario o diseñador establecen, según (Budynas y Nisbett, 2008) las
consideraciones primordiales son:
1. Funcionalidad
2. Resistencia/esfuerzo
3. Distorsión/deflexión/rigidez
4. Desgaste
5. Corrosión
6. Seguridad
7. Confiabilidad
8. Facilidad de manufactura
9. Utilidad
10. Costo
11. Fricción
12. Peso
13. Vida
14. Ruido
15. Estilo
16. Forma
17. Tamaño
18. Control
19. Propiedades térmicas
20. Superficie
21. Lubricación
22. Comercialización
23. Mantenimiento
24. Volumen
25. Responsabilidad legal
26. Capacidad de reciclado/recuperación de
recursos
Sin embargo las consideraciones del autor anterior no se adaptan en su totalidad al diseño
del dispositivo desarrollado en el presente documento, por lo tanto, se han simplificado los
parámetros a los siguientes:
1. Funcionalidad
2. Resistencia
3. Rigidez
4. Corrosión
5. Seguridad
6. Confiabilidad
7. Facilidad de manufactura
8. Utilidad
9. Costo
10. Peso
21
11. Vida
12. Estilo
13. Forma
14. Tamaño
15. Superficie
16. Mantenimiento
17. Capacidad de reciclado/recuperación de
recursos
5.2.2. Diseño del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo Loxone
Una vez identificados los parámetros necesarios para el diseño de un módulo capáz de
comunicar un asistente de voz con un protocolo domótico se estableció el hardware en el cual
será inyectado el programa de comunicación, de donde se obtuvo como mejor alternativa
el Raspberry Pi 4 modelo B. Este dispositivo permitió ser montado como un servidor local
mediante el cual los datos del miniservidor del protocolo Loxone y los comandos personalizables
de Alexa fueron identificados y cargados al software que acogió todo el proceso, para este caso,
Node-RED. El proceso de diseño se rigió en dos grandes grupos: Programación del puente de
comunicación y diseño del chasis o carcasa.
Programación del puente de comunicación
Para comprender la propuesta de diseño que fue realizada en Node-RED, es preciso recalcar
que hubo un aspecto fundamental para que este programa sea usado en este proyecto. Se
consideró la compatibilidad con el protocolo Loxone y la comunicación con Amazon Web
Services (AWS). Node-RED se compone de dos componentes principales como lo explican
Rajalakshmi y Shahnasser (2017) a continuación.
Nodos: Existen dos tipos de nodos dentro de Node-RED, los nodos de inyección y los
nodos de función, los nodos de inyección no requieren de una entrada para enviar un
mensaje al nodo consiguiente, a diferencia de los nodos de función, los cuales requieren
una entrada para reenviar un mensaje programado al siguiente nodo. Estos están escritos
en node.js el cual está diseñado y orientado hacia la propiedad de escalabilidad para la
creación de aplicaciones "network".
22
Figura 7
Nodo de inyección.
Nota: Nodo de inyección.
Figura 8
Nodo de función.
Nota: Nodo de función.
Flujos: Los diagramas de flujo de Node-Red se crean integrando varios Nodos que se
configuran y almacenan mediante JSON, la ventaja de trabajar con diagramas es la
flexibilidad que brinda al momento de reutilizar señales de entrada o salida, esto permite
monitorear o manipular las variables de manera externa y de forma segura mediante
encriptación.
Figura 9
Diagramas de flujo.
Nota: Diagramas de flujo.
23
Los parámetros de cada nodo se agregan dándole doble clic, en donde se despliega una
pantalla que permite la introducción del código. Cada nodo tiene entradas de tipo msg.payload,
mismas que están escritas en lenguaje javascript. Para la conexión entre nodos basta con
dibujar cables o enlaces entre ellos, logrando una facilidad para el entendimiento del código.
Es necesario aclarar que este tipo de conexión permite interpretar los datos de manera lineal
y paralela al mismo tiempo, el dato de salida puede ser enviado a diferentes entradas de otros
algoritmos para el manejo independiente sin afectar al dato original.
Node-RED permite la instalación de nuevos nodos a través de su biblioteca, a lo largo
del tiempo se han venido desarrollando nodos que permitan conexión con el miniservidor de
Loxone, para ello, se requieren identificar parámetros específicos del miniservidor tales como
su dirección IP, usuario y contraseña propios del protocolo. A continuación, se describen las
funcionalidades de cada nodo y su funcionalidad con el protocolo.
Miniservidor: Configura la conexión del miniservidor utilizada por todos los demás
nodos.
Figura 10
Nodo de miniservidor Loxone.
Nota: Nodo de miniservidor Loxone.
Control-In: Selecciona un control y un estado para enganchar un evento que luego se
pasa a Node-RED cuando ocurre.
Figura 11
Nodo Control-In.
Nota: Nodo Control-In.
24
Control-Out: Selecciona un control y lo alimenta con comandos de acuerdo con la
estructura del protocolo.
Figura 12
Nodo Control-Out.
Nota: Nodo Control-Out.
Servicio web: Envía llamadas directas al servicio web a través del websocket existente.
Figura 13
Nodo Servicio-Web.
Nota: Nodo Servicio-Web.
Stream-In: Se reciben todos los eventos que ocurren desde una categoría seleccionada.
Figura 14
Nodo Stream-In.
Nota: Nodo Stream-In.
Stream-All: Se recibe cada evento que ocurra.
25
Figura 15
Nodo Stream-All.
Nota: Nodo Stream-All.
Online: Emite valores booleanos para el estado de la conexión al miniservidor seleccio-
nado.
Figura 16
Nodo Online.
Nota: Nodo Online.
Keepalive: Genera el tiempo de respuesta para medir la calidad de la conexión.
Figura 17
Nodo Keepalive.
Nota: Nodo Keepalive.
A la par, también se han venido desarrollando colaboraciones entre Node-RED y Amazon
Web Services (AWS), que permitan la interacción con sus clientes y sus más recientes
dispositivos Echo. Los nodos se encuentran en la biblioteca y para que funcionen requieren
que se instale la "skill"de Node-RED en la cuenta de Amazon del usuario. A continuación, se
explican los nodos de Amazon Home Skill.
26
Alexa Home: Permite establecer variables para posteriormente ser descubiertas por el
Echo Dot y ser controladas. Dentro de los parámetros que se pueden constituir están:
• Solicitud de Activación
• Solicitud de Desactivación
• Solicitud de Porcentaje Establecido
• Solicitud de Incremento de Porcentaje
• Solicitud de Disminución de Porcentaje
• Solicitud de Temperatura Establecida
• Solicitud de Incremento de Temperatura
• Solicitud de Disminución de Temperatura
• Solicitud de Lectura de Temperatura
• Solicitud de Obtención de Temperatura
• Establecer Estado de Bloqueo
• Obtener Estado de Bloqueo
• Solicitud de Establecimiento de Color
• Solicitud de Establecimiento de Color de Temperatura
Figura 18
NodoAlexa Home.
Nota: Nodo Alexa Home.
Alexa Home Response: Ayuda a tener más control sobre la respuesta enviada de vuelta
al servicio de Alexa.
27
Figura 19
Nodo Alexa Home.
Nota: Nodo Alexa Home.
Para el desarrollo del puente de comunicación se planeó una configuración utilizando el nodo
Control-Out. Este nodo permitió desplegar la información programada dentro del miniservidor
la cual se obtuvo mediante el ingreso de la dirección IP, usuario y contraseña. La información
que este nodo brinda son todos aquellos dispositivos que hayan sido conectados al miniservidor,
por lo tanto, el acceso a estas variables brindó una aproximación de los tipos de componentes
que se controlaron, su variación y su tipo. Un aspecto importante que se debe considerar es el
tipo de variable que el miniservidor recepta, en este caso, el dispositivo interpreta variables
de tipo "string", es decir, cadenas de caracteres o también conocidos como arreglos de letras
ordenadas Es importante esta consideración debido a que los comandos de voz enviados desde
Alexa son de tipo “bolean” o “boleana”, estas son de carácter bipolar que únicamente pueden
contener dos estados; “True”, “Verdadero” y “False”, “Falso”. Por lo tanto, fue necesaria la
utilización del nodo “Change”, el cual es capaz de cambiar el contenido de un mensaje o
modificar sus propiedades mediante linea de código con el fin de convertir la variable boleana
a una de tipo de cadena de texto. El nodo Control-Out de Loxone se configuró con la siguiente
información:
28
Figura 20
Configuración de nodo Control.Out.
Nota: Configuración de nodo Control.Out.
Tanto la dirección IP, usuario y contraseña son datos propios del cliente. El puerto escogido
es el estándar del protocolo el cual redirigió correctamente la información, en caso de que
la conexión no sea estable se debe cambiar de puerto. El tipo de encriptación escogida es
mediante Token, que es el modelo por defecto para versiones superiores a la 1.18 El tiempo
de Keepalive se estableció cada 60s, es el predeterminado para conexiones entre servidor y
cliente. Finalmente, el diseño con las restricciones mencionadas que permitió establecer la
comunicación se muestra en la figura 20:
29
Figura 21
Configuración de diseño preliminar.
Nota: Configuración de diseño preliminar.
Se verificó en los bloques de msg.payload la conversión de variables mediante una prueba
simulada con el fin de garantizar la funcionalidad en las pruebas físicas. En la siguiente figura
se muestra la correcta transformación del tipo de variable:
30
Figura 22
Conversión de tipo de variable boleana a cadena de texto.
Nota: Conversión de tipo de variable boleana a cadena de texto.
El diseño del módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo Loxone
concluye con la configuración mostrada en la figura 21, éste diseño es aplicable para todos
aquellos dispositivos que su principio de funcionamiento sea de tipo “On” y “Off”. Sin embargo,
la estructura de configuración mantenida es capaz de adaptar cualquier tipo de dispositivo
con funciones adicionales tales como: Porcentaje de acción, niveles, tiempo de accionamiento,
entre otros.
Diseño de chasis o carcasa
Una segunda etapa del diseño del módulo es la parte física. Aplicando conocimientos de
modelado 3D con el uso de la herramienta Fusion 360 se plantearon cuatro diseños de carcasas
o chasis con características diferentes en su forma, acople del Raspberry Pi y ajuste de sellado
con el fin de representar una aproximación ajustada del modelo en la realidad. Finalmente,
31
en las siguientes figuras se presentan los diseños preliminares de los cuales se escogerá uno en
base a una tabla de ponderación.
El primer diseño cuenta con 4 tacos para los tornillos M2.5 que vienen con el Raspberry Pi. La
carcasa consta de dos partes “cuerpo” y “tapa” con orificios para las diferentes entradas. Como
se puede apreciar en la Figura 22 el modelo tiene forma rectangular con bordes redondeados y
el tipo de sellado que se ha planteado es de dos ganchos a los costados para entrada a presión.
Figura 23
Diseño 1.
Nota: Carcasa con forma rectangular y bordes redondeados, con sellado de dos ganchos.
El segundo diseño que se ha planteado consiste en una entrada ajustada del Raspberry Pi
para no usar los tornillos M2.5. De igual forma que el diseño 1 consta de dos partes “cuerpo”
y “tapa” ajustados mediante una juntura a presión en los bordes. En la Figura 23 se puede
observar el prisma rectangular con lados curvados.
32
Figura 24
Diseño 2.
Nota: Diseño 2.
El tercer diseño planteado consiste en la sujeción del Raspberry Pi mediante tornillos
M2.5 en 4 tacos al igual que el diseño 1. Asimismo, consta de dos partes “cuerpo” y “tapa”
que se colocan mediante una junta deslizante con un tope al final.La tapa tiene una curva
sobresaliente para facilitar el agarre al momento de deslizarla. En la Figura 25 se observa el
diseño descrito.
Figura 25
Diseño 3.
Nota: Diseño 3.
Finalmente, el último diseño planteado se lo estableció con cuatro tacos para la sujeción
33
del Raspberry Pi para tornillos M2.5. Como se puede observa en la figura 26, es muy parecido
al diseño 3 en forma, pero la sujeción entre “cuerpo” y “tapa” se la realiza mediante dos
tornillos M3 en cada esquina de la carcasa. Finalmente se estableció que el miniserver de
loxone se encontraba montado en un riel DIN TS35. Así que se diseñó un acople deslizante
con el fin de que esté montado con el miniserver.
Figura 26
Diseño 4.
Nota: Diseño 4.
Los diseños planteados son únicamente un recubrimiento para el componente de procesa-
miento, es decir, su modelo no afecta en ninguna instancia a su funcionamiento. El diseño
escogido para la construcción fue el diseño 4, el cual se estableció bajo una matriz de decisión
anexada en la sección de resultados.
Selección del material
Según los parámetros manifestados en el objetivo anterior, se estableció al aluminio como ma-
terial adecuado para la construcción de la carcasa. A continuación se presentan características
del aluminio según (Llorens, 1943) para dar una comprensión de su elección.
Características Físicas
Es un metal ligero, cuya densidad o peso específico es de 2700 kg/m3.
Punto de fusión bajo: 660ºC (933 K).
34
Resistente a la corrosión.
Color blanco brillante
Abundante.
Material fácil y barato de reciclar.
Características mecánicas
Fácil mecanizado.
Maleable.
Dúctil.
Permite la fabricación de piezas por fundición, forja y extrusión.
Las características mostradas muestran que el material cumple con los parámetros de
resistencia, rigidez, corrosión, facilidad de manufactura, costo, peso y capacidad de reciclado.
En el siguiente objetivo se presentará el proceso de manufactura para la construcción del
prototipo.
5.2.3. Construcción del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo
Loxone
Una vez planteado un diseño preliminar capaz de interpretar y enviar la información desde
una orden de voz por Alexa hacia cada dispositivo conectado al Miniservidor de Loxone se
estableció una serie de pasos para montar el diseño en el hardware Raspberry Pi 4 modelo B.
Instalación de sistema operativo Raspbian
Previo a la instalación del sistema operativo se debe tener en cuenta la lista de componentes
primordiales para empezar a programar en el Raspberry Pi 4 modelo B.
Tarjeta micro SD con un mínimo de 16Gb.
Lector de tarjetas SD.
Cable micro HDMI, para el caso de Raspberry Pi 4.
35
Monitor o TV.
Teclado y ratón USB.
Figura 27
Diagrama de instalación de Raspbian.
Nota: Diagrama de instalación de Raspbian.
Con la adquisición de los componentes mencionados se procede a la preparación de la tarjeta
micro SD para el montaje del sistema operativo Raspbian.
Para empezar, se usó un programa de formateo de memoria SD con el fin de instalar Raspbian.
Este sistema operativo se pudo descargar en formato de archivo IMAGE desde la web oficial
de Raspberry Pi. A continuación, fue necesario que se conecte el Raspberry Pi a un monitor oTV con el teclado y el mouse para continuar con la iniciación del sistema operativo. Una vez
concluido el proceso de instalación del software, se procedió a conectar a la red de internet
local.
36
Instalación de sistema operativo Node-RED
Posteriormente, se realizó el proceso de instalación de Node-RED empezando por la
descarga del programa. Con el siguiente comando en el terminal de Raspbian:
Figura 28
Comando para instalación de Node-RED.
Nota: Comando para instalación de Node-RED, extraido de Node-RED (2022).
Sucesivamente, para cargar Node-RED en cada inicio de sistema se colocó en el “Command
Prompt” el siguiente código seguido del código para reiniciar el Rapberry Pi con el objetivo
de que los cambios surtan efecto.
Figura 29
Comando para cargar Node-RED con cada inicio de sistema.
Nota: Comando para cargar Node-RED con cada inicio de sistema y reinicio del sistema,
extraido de Node-RED (2022).
Para iniciar la programación en Node-RED, se colocó el siguiente comando que nos reveló
la dirección IP del raspberry. Esta dirección se colocó en el navegador para observar la interfaz
y nodos.
37
Figura 30
Comando para iniciar Node-RED.
Nota: Comando para iniciar Node-RED con la dirección IP del Raspberry Pi.
Instalación de nodos deseados
Una vez que se desplegó la ventana de Node-RED, se procedió a instalar los nodos de
Loxone y Alexa vistos en el anterior objetivo. Para la instalación, se dio clic en el menú,
ubicado en la esquina superior derecha donde existe una opción con el nombre “Manage
Palette”. Se desplegó una ventana en donde nos informaba de todos los nodos que se posean
hasta el momento. En el apartado de “Install” se buscaron los nombres de los paquetes de
nodos deseados, siendo:
node-red-contrib-loxone
node-red-contrib-alexa-home-skill
38
Figura 31
Instalación de nodos.
Nota: Instalación de nodos deseados.
Construcción de la propuesta de diseño
Al finalizar el proceso de instalación del sistema operativo, Node-RED y los nodos deseados,
se siguió con la identificación de las variables del protocolo. Al ya estar establecida la cuenta
del usuario, con la dirección IP del hogar y el puerto deseado, los datos se guardaron. Cada vez
que el módulo se conectaba a la red del hogar, se podían configurar los diferentes dispositivos
del hogar como focos, luces RGB, switches, cerraduras, entre otros. Para conectar al dispositivo
se usaba el nodo “Control Out” colocando su nombre, su categoría y ubicación en la casa.
39
Figura 32
Configuración de dispositivos en el nodo Control Out.
Nota: Configuración de dispositivos en el nodo Control Out.
De esta forma, se inició con la configuración de la variable adecuada en el nodo “Alexa
Home” para cada dispositivo. En la Figura 29 se muestra un artefacto de iluminación, por lo
que en las siguientes figuras se mostrará el procedimiento que se hizo para configurar esta
categoría.
Fue necesario que se instale la “skill” de Node-RED con la cuenta de Amazon del usuario
para que haya comunicación entre estos dos en lo que respecta al reconocimiento de nuevos
dispositivos por parte del Echo Dot. Después de instalarla, nos dirigió al sitio web “Node-RED
Alexa Home Skill Bridge” en donde se tenía que crear una cuenta. Una vez registrado, se
pudo proceder a crear las variables de interés. Para crear las variables se precisó ir al apartado
de “Devices” y agregar datos como nombre, descripción, acciones y el tipo de aplicación. En
la Figura 30 se muestran las opciones escogidas para la categoría de luz.
40
Figura 33
Configuración de la variable compatible con Alexa.
Nota: Configuración de la variable compatible con Alexa.
De esta forma es posible que Node-RED se comunique con AWS (Amazon Web Service)
y reconozca los dispositivos que se incluyan. Al insertar todas las variables que se deseen
controlar, el resto de la configuración se desarrolló en Node-RED. Finalmente, se solicitó a
Alexa para que descubra nuevos dispositivos y detectó los configurados anteriormente.
41
Figura 34
Variable de luz creada para ser insertada en Node-RED.
Nota: Variable de luz creada para ser insertada en Node-RED.
Usando el nodo “Alexa Home” e ingresando los datos de la cuenta creada previamente se
consiguió que se desplieguen las variables descubiertas por el Echo Dot. Se debe marcar la
casilla de auto reconocimiento con el fin de evitar problemas de identificación al momento de
enviar el comando de voz. En el apartado de asunto se colocó actividad para todos los casos,
esta es una descripción breve del tipo de variable y no afecta en nada al funcionamiento o
comunicación de la misma,
Figura 35
Despliegue de la variable creada en el nodo Alexa Home.
Nota: Despliegue de la variable creada en el nodo Alexa Home.
Al configurar ambos nodos, se procedió con la construcción del diagrama en Node-RED
planteado anteriormente para la conversión de datos. Se aumentaron más dispositivos para la
42
evaluación de capacidad y control del hogar, en el siguiente objetivo se muestran los resultados
obtenidos en las evaluaciones planteadas.
Figura 36
Diagramas programados para post evaluación.
Nota: Diagramas programados para post evaluación.
Construcción de la carcasa
Para la construcción de la carcasa, se partió del diseño definido en el anterior objetivo. El
proceso de manufactura escogido para la construcción de la carcasa fue la fundición de
molde desechable considerando las formas complejas del diseño y el material. Al establecer la
fundición en arena, se procedió con la obtención del modelo deseado mediante impresión 3D
para la formación de cavidades deseadas.
43
Figura 37
Prototipo impreso en 3D.
Nota: Prototipo impreso en 3D.
Al terminar el proceso de fundición se tuvo una tapa y una base cerrados. A continuación,
se retiraron imperfecciones de la pieza producto del propio proceso de fundición y se realizaron
los agujeros para las entradas del Raspberry Pi. Finalmente, se realizaron los agujeros roscados
para los tornillos y el acople para el riel DIN TS35.
5.2.4. Evaluación del módulo de comunicación entre el dispositivo Alexa y el protocolo
Loxone
Finalmente, se planteó una lista de parámetros a evaluar con el fin de garantizar el correcto
funcionamiento del módulo de comunicación dentro de un entorno real. Para ello, el dispositivo
fue instalado en un hogar que cuenta con tecnología Loxone. Dentro del hogar se contaban
con diversos dispositivos, sin embargo, se clasificaron según su tipo de aplicación:
Luz.
Interruptor.
44
Termostato.
Cerradura inteligente.
Toma corriente inteligente.
Para fines de evaluación se identificaron únicamente dispositivos de iluminación dentro
del hogar, pues aun presentes los componentes de temperatura, cerradura inteligente, toma
corrientes e interruptores, estos no mantenían una conexión permanente con el miniservidor
lo cual limitó el proceso de evaluación a una categoría.
Al probar el módulo de comunicación, se estableció la conexión con cada dispositivo del hogar
con el fin de definir la capacidad del prototipo con el comando de varios de estos. Tomando en
cuenta las características de la placa escogida, para este caso Raspberry Pi 4 modelo B, y la
capacidad máxima de dispositivos que soporta Alexa, según sus especificaciones son ilimitados,
se realizaron pruebas con 36 dispositivos conectados mostrados en las figuras 37-45.
Los dispositivos fueron clasificados según las áreas del hogar configuradas previamente en el
miniservidor de Loxone. Para este proceso se tuvieron que crear cada una de las variables
desde el AwS (Amazon Web Service). Posteriormente, se pidió al Echo que descubra nuevos
dispositivos y al ser descubiertos se pudieron colocar en el nodo de Alexa Home visto
anteriormente. Al establecer la configuración de todas las luces, se podía enviar un comando a
Alexa con el fin de encender cualquier dispositivo de iluminación. Por añadidura, se presentó
la orden de prender y luego apagar todas las luces al mismo tiempo.
45
Figura 38
Dispositivos controlados en el áreade cocina.
Nota: Dispositivos controlados en el área de cocina.
Figura 39
Dispositivos controlados en el área de escaleras.
Nota: Dispositivos controlados en el área de escaleras.
46
Figura 40
Dispositivos controlados en el área de exterior.
Nota: Dispositivos controlados en el área de exterior.
Figura 41
Dispositivos controlados en el área de dormitorio master.
Nota: Dispositivos controlados en el área de dormitorio master.
47
Figura 42
Dispositivos controlados en el área de dormitorio 1.
Nota: Dispositivos controlados en el área de dormitorio 1.
Figura 43
Dispositivos controlados en el área de dormitorio 2.
Nota: Dispositivos controlados en el área de dormitorio 2.
48
Figura 44
Dispositivos controlados en el área de dormitorio 3.
Nota: Dispositivos controlados en el área de dormitorio 3.
Figura 45
Dispositivos controlados en el área de sala de estar.
Nota: Dispositivos controlados en el área de sala de estar.
49
Figura 46
Dispositivos controlados en el área de pasillo.
Nota: Dispositivos controlados en el área de pasillo.
Una vez identificados los tipos de dispositivos a controlar se realizaron pruebas de funcio-
namiento las cuales fueron documentadas según una lista de parámetros mostrados en la tabla
2. Estos parámetros fueron destacados con el fin de determinar la posibles modificaciones que
se pueden desarrollar para optimizar el diseño de tal forma que sea versátil para el usuario.
50
Tabla 1
Parámetros de evaluación.
Parámetros a evaluar Unidad Respuesta Observación
Conversión de dato Bolean/String
Conversión de dato
correcta
La transformación de datos
se da de manera correcta sin
interrupciones.
Tiempo de respuesta Milisegundos (ms) 500
Para dispositivos de
control de temperatura el
tiempo puede ser ligeramente mayor.
Conexión con la nube Milisegundos (ms) 340
El retorno de datos es inmediato
no se requiere reasignación de puertos.
Restablecimiento por reinicio Segundos (s) 60
No se requiere una reconfiguración,
el sistema se reestablece solo
en el tiempo de respuesta medido.
Dispositivos conectados Cantidad (N) Ilimitado
Al estar conectado a una nube, el acceso
de una cantidad de dispositivos es
ilimitado.
Ubicación y espacio Volumen (mm3) 64565,970 mm3
El espacio utilizado por el módulo
es considerablemente reducido.
Consumo de energía Vatio (W) 5.5
El consumo de energía trabajando las 24
horas del dia es de una media de 5.5 W.
Esto representa un total de 36.432 ¢USD/kWh
6. Resultados
6.1. Parámetros establecidos para el diseño del módulo de comunicación
entre el dispositivo Alexa y el protocolo Loxone
Los parámetros establecidos para el módulo de comunicación giraron en torno a la placa
del microordenador. Una vez establecida, se definieron las características que complementen
al diseño. Se partieron de tres aspectos fundamentales basados en la aplicación y el entorno
de desarrollo del prototipo.
Aplicación Inalámbrica.
Tecnología Open Source.
Acceso Remoto.
51
De estos aspectos, se definió que la aplicación inalámbrica a usar sería LAN, la tecnología
Open Source utilizada sería derivada del propio Raspberry. Comenzando por el sistema
operativo Raspbian, hasta el lenguaje de programación a utilizar siendo Node-RED. Estos
parámetros fueron el pilar para establecer la conexión, pues el acceso al código fuente del
software utilizado permitió una adaptación en colaboración con los dispositivos usados, para
este caso Alexa y miniservidor de Loxone, por lo tanto, utilizar tecnología Open Source es
indispensable para el desarrollo de estos dispositivos. Asimismo, el acceso remoto permitió
controlar todos los componentes conectados al miniservidor sin la necesidad de mantener una
conexión a la red de internet local del hogar, esto involucra un mayor nivel de seguridad y
monitoreo con un simple comando de voz desde cualquier parte del mundo.
Para el diseño de una carcasa de recubrimiento para el Raspberry Pi se identificaron
parámetros en base a la aplicación que el dispositivo tendrá. De esta forma, se tomaron en
cuenta aspectos importantes como:
1. Funcionalidad
2. Resistencia
3. Rigidez
4. Corrosión
5. Seguridad
6. Confiabilidad
7. Facilidad de manufactura
8. Utilidad
9. Costo
10. Peso
11. Vida
12. Estilo
13. Forma
14. Tamaño
15. Superficie
16. Mantenimiento
17. Capacidad de reciclado/recuperación de
recursos
Estos parámetros fueron directamente relacionados con el material utilizado, para este caso
aluminio, el cual se adaptó perfectamente a las condiciones y al tiempo de funcionamiento. El
planteamiento de estos parámetros permitió orientarse hacia un diseño preliminar con carac-
terísticas específicas que supongan un coste de producción reducido, utilizando componentes
genéricos y tecnologías abiertas que dispongan de actualizaciones constantes con el fin de
garantizar flexibilidad al producto final.
6.2. Diseño del módulo para la comunicación entre el dispositivo Alexa y
el protocolo Loxone
Después de varias configuraciones y estudio de nodos en Node-RED se estableció el
prototipo de configuración para cualquier paso de datos entre Alexa y Loxone, obteniendo la
52
siguiente configuración.
Figura 47
Configuración establecida para la comunicación.
Nota: Configuración establecida para la comunicación.
El diseño preliminar obtenido en este apartado permitió aproximarse de manera cercana a
los recursos que se requieren para el funcionamiento del dispositivo, así como también el nivel
de flexibilidad que tendría en caso de requerir funciones avanzadas de control en componentes
específicos. El diseño de los componentes en el entorno de recubrimiento brindó un aumento
de la seguridad de los componentes electrónicos que posee el dispositivo. El material escogido
fue el aluminio, el cual está fundamentado en base a los parámetros definidos en el primer
objetivo. Por último, se desarrolló una matriz de decisión con el fin de escoger qué diseño era
el más adecuado. Se consideraron cinco factores para evaluar en las que la ponderación más
alta significa la más adecuada para ese factor. Posteriormente, se ponderaron los factores en
grado de importancia para definir al Diseño 4 como el más adecuado para ser construido.
Tabla 2
Evaluación de diseños.
Diseños
Atractivo
(Peso: 1)
Sujeción
de tapas
(Peso: 3)
Comodidad
(Peso: 2)
Facilidad en
impresión 3D
(Peso: 4)
Simplicidad en
proceso de moldeo
(Peso: 5)
Puntaje
Diseño 1 2 3 2 4 2 41
Diseño 2 1 2 3 3 3 40
Diseño 3 4 1 1 1 1 15
Diseño 4 3 4 4 2 4 51
53
6.3. Resultados de la construcción del módulo de comunicación entre el
dispositivo Alexa y el protocolo Loxone
La construcción del módulo de comunicación supuso:
La obtención de un producto final que cumple con los requerimientos de funcionamiento.
El incremento del nivel de control al protocolo Loxone implementando la función de
comandos de voz.
La actualización del estado de los dispositivos conectados al miniservidor en tiempo real
a diferentes servidores accesibles desde cualquier parte del mundo mediante conexión a
internet.
La optimización de la comunicación entre el asistente de voz y el miniservidor mediante
códigos de programación que ingresan y envían los datos directamente a una nube
controlada y que puede ser encriptada para mayor seguridad.
La solidificación de un dispositivo capaz de interpretar datos de dos tecnologías distintas
y asociarlas.
Para la construcción de la carcasa se partió del diseño escogido impreso en 3D, la impresión
facilitó el proceso de fabricación de la carcasa puesto que se usó como guía para la cavidad
del molde de arena. El prototipo resultó elegante y su diseño con acople para rieles DIN TS35
dio comodidad en lo que respecta a optimización del espacio.
54
Figura 48
Módulo de comunicación implementado en el hogar.
Nota: Módulo de comunicación implementado en el hogar.
6.4. Resultados de la evaluación del módulo de comunicación entre el
dispositivo Alexa y el protocolo Loxone
La puesta en marcha en un entorno de aplicación real del módulo de comunicación brindó