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UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL ELECTRÓNICA ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA RED DOMÓTICA PARA VIVIENDAS SOCIALES Trabajo de Titulación para optar al Título de Ingeniero Civil Electrónico PROFESOR PATROCINANTE: Sr. Pedro Rey Clericus FRANCISCO JAVIER CALVO TORRES VALDIVIA 2014 I CONTENIDO I RESUMEN, INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ........................................ 1 I.1 RESUMEN .................................................................................... 1 I.2 SUMMARY .................................................................................... 2 I.3 INTRODUCCIÓN ........................................................................... 3 I.4 Objetivo general ............................................................................ 5 I.5 Objetivos específicos ..................................................................... 5 II INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA ...................................................... 6 II.1 Definición y características ............................................................ 6 II.2 Elementos de un sistema Domótico ............................................... 8 II.2.1 Controlador ............................................................................. 8 II.2.2 Nodos ...................................................................................... 9 II.2.3 Actuadores ............................................................................ 10 II.2.4 Sensores ............................................................................... 10 II.2.5 Canal de comunicación ......................................................... 11 II.3 Aplicaciones ................................................................................ 11 II.3.1 Domótica y eficiencia energética ............................................ 11 II.3.2 Seguridad .............................................................................. 14 II.3.3 Climatización. ....................................................................... 15 II.3.4 Integración de electrodomésticos inteligentes ......................... 16 II.4 Arquitectura de redes .................................................................. 16 II.4.1 Arquitectura Centralizada ...................................................... 16 II.4.2 Arquitectura distribuida ........................................................ 18 II.4.3 Arquitectura Mixta ................................................................ 19 II.5 Protocolos de comunicación ........................................................ 20 II.5.1 X.10 o Power Line Carrier (PLC) ............................................. 22 II.5.2 LonWorks .............................................................................. 23 II II.5.3 CEBus ................................................................................... 24 II.5.4 EHS (European Home System) ............................................... 25 II.5.5 KONNEX ............................................................................... 25 II.5.6 ZigBee ................................................................................... 26 II.6 Oferta de sistemas domóticos en Chile ........................................ 27 II.6.1 BTcino ................................................................................... 28 II.6.2 Control4 ................................................................................ 30 II.6.3 Functiodomo ......................................................................... 31 II.6.4 Insteon .................................................................................. 32 III OPEN DOMO, PLC y ARDUINO COMO ALTERNATIVA DE CONTROL ……………………………………………………………………………………..33 III.1 OpenDomo .................................................................................. 33 III.2 Controlador Lógico Programable (PLC) ......................................... 35 III.3 Plataforma de Hardware Arduino ................................................. 37 III.3.1 Arduino Uno .......................................................................... 38 IV Domótica y viviendas sociales ........................................................ 43 IV.1 Características físicas ................................................................. 43 IV.2 Consumo Eléctrico en viviendas .................................................. 47 IV.2.1 Consumo de electricidad en la vivienda por aparato ............... 48 IV.3 Selección de los elementos a automatizar e integrar en la vivienda social ................................................................................................... 52 IV.3.1 Elementos afectos a automatizar en la vivienda social ............ 52 IV.3.2 Análisis de elementos controlables en la vivienda social ......... 54 IV.3.3 Elementos seleccionados ....................................................... 59 V DISEÑO DE SISTEMA DOMÓTICO PARA VIIVENDA TIPO ................. 62 III V.1 Criterios de la propuesta adopatada ............................................ 62 V.2 Control de luces. ......................................................................... 63 V.3 Control de circuito de enchufes ................................................... 77 V.3.1 Disipador de temperatura para Triac de cto. de enchufes ....... 79 V.4 Control de Humedad relativa en baño y cocina ............................ 82 V.5 Fuente alimentación .................................................................... 86 V.6 Arquitectura de red ..................................................................... 87 VI INTERFAZ DE USUARIO ................................................................ 94 VI.1 Teclas control de luz por zona .................................................... 95 VI.2 Teclas Enchufes 1, 2 y 3 ............................................................. 96 VI.3 Encendido total ........................................................................... 97 VI.4 Extractor aire cocina y baño ....................................................... 97 VII COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ................................................ 98 VIII BIBLIOGRAFÍA ............................................................................. 102 IX ANEXOS ...................................................................................... 104 IX.1 Costo elementos del sistema ...................................................... 104 IX.2 Códigos de programación para los controladores Arduino del sistema domótico. .............................................................................. 105 IX.2.1 Sketch para Arudnio n°1. Control principal. ........................ 105 IX.2.2 Sketch para Arduino n°2 ..................................................... 108 IX.2.3 Sketch Arduino n°3 ............................................................. 112 IX.2.4 Sketch Arduino n°4 ............................................................. 116 IV ÍNDICE DE FIGURAS Figura II-1. Domótica, la integración de redes. .......................................... 7 Figura II-2. Módulos controladores. Logo de Siemens (iz.), ........................ 9 Figura II-3. Tarifa Chilectra Hogar Flex. .................................................. 14 Figura II-4. Sistema Centralizado. ........................................................... 17 Figura II-5. Arquitectura distribuida. ...................................................... 18 Figura II-6. Arquitectura distribuida, cada elemento es un ...................... 19 Figura II-7. Arquitectura Mixta. .............................................................. 20 Figura II-8. Tipos de protocolos para Domótica. ...................................... 21 Figura II-9. Protocolos Estándar paradomótica. .................................... 22 Figura II-10. Algunos estándares propietarios. ........................................ 23 Figura II-11. Camara (iz.) y sensor de presencia (der.) de btcino. ............. 29 Figura II-12. Comando actuador (iz.) y panel monitor .............................. 29 Figura II-13. Algunos elementos de MY HOME de BTcino. ....................... 30 Figura II-14. MY HOME WEB .................................................................. 30 Figura II-15. Sistema Control4. ............................................................... 31 Figura II-16. Dispositivos Insteon. .......................................................... 32 Figura III-1. ODControl de OpenDomo. ................................................... 34 Figura III-2. LOGO! de Siemens. ............................................................. 37 Figura III-3. Arduino Uno. ...................................................................... 38 Figura IV-1. Plano de una vivienda social tipo. ........................................ 46 Figura IV-2. Consumo en kWh/año por aparato en viviendas. ................. 48 Figura IV-3. Viviendas y dispositivos en stand by. ................................... 50 Figura V-1. Sistema de control de iluminación. ....................................... 66 Figura V-2. Diagrama flujo control de iluminación. ................................. 67 Figura V-3. Acondicionador para LDR ..................................................... 70 Figura V-4. Relación de Resistencia y luminosidad de ............................ 71 Figura V-5.Circuito detector de cruce por cero. ....................................... 72 Figura V-6. Circuito disparo triac para control de luz. ............................. 73 Figura V-7. Máxima disipación de potencia triac BTA 08 ......................... 75 V Figura V-8. Diagrama flujo control enchufes. .......................................... 78 Figura V-9. Circuito control enchufes. .................................................... 79 Figura V-10. Triac con pasta térmica y disipador. ................................... 81 Figura V-11. Circuito equivalente térmico ............................................... 81 Figura V-12. Control de humedad relativa. ............................................. 83 Figura V-13. Característica tensión de salida en función de la ............... 84 Figura V-14. Diagrama de flujo sistema control de humedad relativa. ..... 85 Figura V-15. Fuente alimentación para arduinos y circuitería general. .... 87 Figura V-16. Arquitectura de red mixta escogida para sistema domótico. 93 Figura V-17. Disposición de los elementos del sistema ............................ 93 Figura VI-1. Disposición elementos interfaz principal. ............................. 94 VI ÍNDICE DE TABLAS Figura II-1. Domótica, la integración de redes. .......................................... 7 Figura II-2. Módulos controladores. Logo de Siemens (iz.), ........................ 9 Figura II-3. Tarifa Chilectra Hogar Flex. .................................................. 14 Figura II-4. Sistema Centralizado. ........................................................... 17 Figura II-5. Arquitectura distribuida. ...................................................... 18 Figura II-6. Arquitectura distribuida, cada elemento es un ...................... 19 Figura II-7. Arquitectura Mixta. .............................................................. 20 Figura II-8. Tipos de protocolos para Domótica. ...................................... 21 Figura II-9. Protocolos Estándar para domótica. .................................... 22 Figura II-10. Algunos estándares propietarios. ........................................ 23 Figura II-11. Camara (iz.) y sensor de presencia (der.) de btcino. ............. 29 Figura II-12. Comando actuador (iz.) y panel monitor .............................. 29 Figura II-13. Algunos elementos de MY HOME de BTcino. ....................... 30 Figura II-14. MY HOME WEB .................................................................. 30 Figura II-15. Sistema Control4. ............................................................... 31 Figura II-16. Dispositivos Insteon. .......................................................... 32 Figura III-1. ODControl de OpenDomo. ................................................... 34 Figura III-2. LOGO! de Siemens. ............................................................. 37 Figura III-3. Arduino Uno. ...................................................................... 38 Figura IV-1. Plano de una vivienda social tipo. ........................................ 46 Figura IV-2. Consumo en kWh/año por aparato en viviendas. ................. 48 Figura IV-3. Viviendas y dispositivos en stand by. ................................... 50 Figura V-1. Sistema de control de iluminación. ....................................... 66 Figura V-2. Diagrama flujo control de iluminación. ................................. 67 Figura V-3. Acondicionador para LDR ..................................................... 70 Figura V-4. Relación de Resistencia y luminosidad de ............................ 71 Figura V-5.Circuito detector de cruce por cero. ....................................... 72 Figura V-6. Circuito disparo triac para control de luz. ............................. 73 VII Figura V-7. Máxima disipación de potencia triac BTA 08 ......................... 75 Figura V-8. Diagrama flujo control enchufes. .......................................... 78 Figura V-9. Circuito control enchufes. .................................................... 79 Figura V-10. Triac con pasta térmica y disipador. ................................... 81 Figura V-11. Circuito equivalente térmico ............................................... 81 Figura V-12. Control de humedad relativa. ............................................. 83 Figura V-13. Característica tensión de salida en función de la ............... 84 Figura V-14. Diagrama de flujo sistema control de humedad relativa. ..... 85 Figura V-15. Fuente alimentación para arduinos y circuitería general. .... 87 Figura V-16. Arquitectura de red mixta escogida para sistema domótico. 93 Figura V-17. Disposición de los elementos del sistema ............................ 93 Figura VI-1. Disposición elementos interfaz principal. ............................. 94 1 I RESUMEN, INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS I.1 RESUMEN Para implementar un sistema domótico enfocado a la vivienda social que consiga un mejor uso de la energía, se requiere encontrar el equilibrio entre tres variables que son el precio, comodidad y eficiencia. Diseñamos sobre la base de hacer más eficiente el sistema de iluminación de la vivienda, generando el control de los niveles de iluminación y de presencia humana en las distintas zonas, ofreciendo como solución un control de iluminación que permite el encendido/apagado de las luminarias de forma automática y manual, adaptando el nivel lumínico en relación a la disponibilidad de luz natural y a las necesidades del usuario. El consumo en modo espera de diversos aparatos existentes en la vivienda, representa el 10% del consumo energético nacional. Para reducir esta cifra, se diseña un sistema de control de enchufes que permite una reducción del consumo de energía de dispositivos en stand-by. Por otra parte, se diseña un control de ventilación para baño y cocina que busca reducir la humedad relativa al interior de la vivienda ya que esta representa un problema que contribuye a la pérdida de calor interior, aumentando la demanda por calefacción, y facilita el desarrollo de organismos en general dañinos para el ser humano. Se estima que la implementaciónde este sistema domótico, ofrece una reducción de hasta un 90% de la energía que se utilizaría en aplicaciones como ver una película o escuchar música en un ambiente de iluminación tenue y una caída del 33% del consumo en stand-by si tan solo se desconectan los circuitos de enchufes ocho horas diarias. 2 I.2 SUMMARY To implement an automated system focused on social housing get better use of energy, is required to balance three variables that are price, convenience and efficiency. Designed on the basis of making the system more efficient lighting housing, generating control lighting levels and human presence in different areas, offering as lighting control solution that enables on / off luminaires automatically and manually adjusting the light level in relation to the availability of natural light and the needs of the user. Consumption in stand-by mode various existing devices in the home, accounting for 10% of national energy consumption. To reduce this number, a system control plugs allowing a reduction in energy consumption of devices in stand-by is designed. Moreover, control of ventilation for bathroom and kitchen that seeks to reduce the relative humidity inside the house because this is a problem that contributes to indoor heat loss, increasing the demand for heating, and facilitates the development is designed generally organisms harmful to humans. It is estimated that implementation of this automation system offers a reduction of up to 90% of the energy that would be used in applications such as a movie or listen to music in an atmosphere of dim lighting and a 33% fall in consumption in stand-by only by circuit plugs are disconnected eight hours. 3 I.3 INTRODUCCIÓN El estado realiza grandes esfuerzos por mantener el equilibrio entre la generación de electricidad y la demanda por ella. Junto al desarrollo de las fuentes de energías renovables, la generación de políticas e implementación de mejoras de eficiencia energética provocan que el tema energético no pase desapercibido para ningún sector. Las políticas sociales junto al ahorro energético, tampoco se quedan atrás. Ya hace un par de años el gobierno ha impulsado proyectos para viviendas sociales que incorporan sistemas de calentadores de agua solares (1), que generan un ahorro económico para las familias de escasos recursos y un ahorro energético para el país. La Domótica es un conjunto de tecnologías que se encuentra actualmente en pleno desarrollo, si bien sus orígenes comenzaron en la automatización industrial, hoy podemos encontrar casas totalmente equipadas con este tipo de tecnología que además de aumentar el confort, proporciona una mayor seguridad en la vivienda y permite hacer un uso más eficiente de la energía. Existen en la actualidad un sin número de empresas dedicadas a la automatización de viviendas, también una gran cantidad de fabricantes de dispositivos para estos sistemas, otros cuantos protocolos, pero, los costos de estos sistemas son bastante elevados; ¿cuál sería la mejor alternativa para ser implementada en viviendas sociales?, que más que aumentar el confort, necesitan generar un ahorro energético y por ende económico para sus propietarios. En este trabajo se presenta un análisis de un sistema domótico para viviendas sociales que permite el mejor uso de la energía utilizada en 4 iluminación, calefacción y gestión de aparatos electrónicos en modo stand- by. En una primera sección de este trabajo (II) se presentan antecedentes generales sobre la Domótica, sus características principales, aplicaciones y su potencial frente al ahorro energético además de su aporte al aumento del confort humano en la vivienda, también se ofrece un estudio de la oferta del sistema domótico en Chile y en el capítulo III las alternativas que este autor destaca a los sistemas de control ofrecidos en el mercado. En IV se realiza una relación entre la potencialidad de los sistemas domóticos y su aplicabilidad en las viviendas sociales consideradas la “vivienda tipo” en este trabajo. Se muestran las características físicas de la vivienda tipo y la energía en comparativa a nivel nacional de consumo debido a iluminación, y diversos electrodomésticos. Ya en IV.3 se realiza una selección de acuerdo al criterio de eficiencia energética para escoger los elementos de la vivienda tipo a automatizar efectuando una marcada diferencia entre el objetivo que se persigue y la mejora del confort que puede llegar a ofrecer un sistema domótico. El diseño de un sistema domótico para la vivienda social en base a las características analizadas es desarrollado en la sección V, realizando una descripción de los elementos a integrar, control de luces, circuitos de enchufes, control de humedad relativa en baño y cocina, y los dispositivos necesarios para ello. En VII se presentan las principales conclusiones relacionadas con este trabajo en base a los objetivos planteados inicialmente. Se analiza el potencial ahorro energético que puede llegar a ofrecer el sistema domótico propuesto y las desventajas que pudiesen existir frente a factores adversos. 5 I.4 Objetivo general Proponer una solución tecnológica a través de la domótica que permita realizar una mejor gestión de la energía utilizada en la vivienda social, definida como vivienda tipo en este trabajo, favoreciendo el ahorro energético. I.5 Objetivos específicos a. Análisis de la arquitectura y topología de los sistemas domóticos, tecnologías aplicadas y desarrollo actual. Campo de aplicación y los beneficios de su implementación con respecto al mejor uso de la energía y recursos de un hogar. b. Determinar los consumos energéticos y características generales de una vivienda social. c. Seleccionar elementos a automatizar en la vivienda tipo con el objeto de generar un ahorro energético. d. Diseñar una red domótica para vivienda social sobre la base del ahorro energético. e. Diseñar interfaz hombre/máquina 6 II INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA La vivienda del futuro ya cada vez más cercana, es aquella casa inteligente o automatizada con la que desde hace un buen tiempo, la sociedad y el mundo en sí han estado esperando, no es para menos, porque los servicios, aplicaciones o sencillamente el confort que nos puede brindar nos ofrece simplificarnos la vida. Este capítulo se centra en la definición de la domótica, sus implicancias y características que tanto la destacan. II.1 Definición y características La Domótica como tal es un conjunto de sistemas que permite automatizar una vivienda (2), procede del latín Domus y de la palabra griega TICA que significa casa y automática correspondientemente. Consiste en la integración de los diversos sistemas (Figura II-1) o subsistemas que se encuentran presentes en cualquier vivienda, su objetivo es poner a disposición del usuario un sistema que sea capaz de albergar un conjunto de sistemas ofreciendo mayor comodidad y versatilidad de control. La idea de la integración es que en conjunto estos elementos interactúen entre sí para conseguir en muchos casos un fin en común. Para ser más precisos, la Domótica en sí, permite compartir la información sensada por todos los otros sub sistemas, analizarlos y generar una acción de acuerdo a ciertos parámetros que pueden ser de seguridad, confort o de eficiencia energética. La información del estado de los distintos sistemas, es posible ponerla a disposición del usuario a través de pantallas o indicadores luminosos, todo depende del nivel del sistema implementado. Información de como por ejemplo, 7 Estado de puertas y ventanas (abierto o cerrado) Húmeda relativa (interior como exterior) Humedad del jardín Estado de persianas Nivel de iluminación de distintas áreas de la vivienda,etc. Y en consecuencia el usuario puede tomar la decisión de generar distintas acciones a través de los comandos del sistema como, cerrar determinada persiana, accionar el sistema de riego o apagar luminarias. De otro modo, automáticamente con una previa configuración del sistema, el sistema puede ejecutar acciones determinadas si se cumplen los parámetros establecidos, como contraer toldos si el viento es demasiado fuerte o apagar las luces si no existe presencia humana en un lugar de la casa. Figura II-1. Domótica, la integración de redes. DOMÓTICA Seguridad Confort: Control persianas, luminarias, riego... Comunicación 8 II.2 Elementos de un sistema Domótico El sistema domótico puede estar constituido de una cantidad específica de redes, que pueden ser de control como de comunicación que senpueden encontrar en el interior o en el exterior de la instalación, como las redes de acceso a internet que trabajan en conjunto para generar un mayor confort, proporcionar servicios de gestión energética y servicios de comunicación (2). Gracias a la integración de los servicios de comunicación, un sistema domótico puede ser controlado desde cualquier parte del mundo. Los elementos principales de un sistema domótico son, el controlador, nodos, actuadores, sensores y canal de comunicación. II.2.1 Controlador El controlador es el encargado de realizar las gestiones necesarias para tomar los datos enviados por los nodos del sistema, como medidas de humedad, temperatura, iluminación, etc. y procesarlos para tomar una acción al respecto. Posee terminales de entrada y salida. Los terminales de entrada permiten la conexión de diversos dispositivos y transductores, los de salida en cambio, permiten el accionamiento y control de motores, válvulas, etc.. El accionar de los terminales de salida se genera en función de los terminales de entrada, en relación a las señales que los dispositivos o transductores transmitan al controlador y según el programa almacenado. Dentro de los diversos controladores que podemos encontrar en el mercado para un sistema domótico, podemos hacer una diferencia entre los controladores diseñados específicamente para tareas de control domóticos 9 y aquellos que si bien no han sido diseñados para estas tareas son posibles de utilizar y obtener las mismas o mejores prestaciones (2). Una desventaja de los controladores no específicos para domótica, es que al no estar diseñados para el control en viviendas, su configuración puede ser un tanto más complicada y sus capacidades quizás sobredimensionadas, este es el caso de los PLC, por ejemplo. Los sistemas específicos para el control domótico proveen al instalador y al usuario una configuración de software pre establecida para realizar tareas específicas e invariables dentro de la vivienda, son sistemas físicamente compactos, en general, no permiten realizar otras tareas para las que no fueron diseñados. La desventaja de estos sistemas en comparación a controladores como los PLC, es que no poseen un estándar concreto que permita la interconexión de distintos elementos provenientes de otros fabricantes como si lo permiten los PLC o autómatas programables con sus buses de datos estandarizados. Figura II-2. Módulos controladores. Logo de Siemens (iz.), ODControl de Open Domo (centro) y Domolon de ISDE. II.2.2 Nodos Son los distintos elementos que tienen capacidad de comunicación con otros dispositivos del sistema. Un ejemplo de nodo es un sensor que 10 además de controlar alguna variable física se encarga gracias a un controlador integrado de procesar el dato sensado inmediatamente antes de transmitirlo al nodo central o realizar la activación de algún relé, por ejemplo. II.2.3 Actuadores Un elemento actuador es aquel que permite concretar la operación iniciada por el controlador, se encarga de transformar un tipo de energía en la activación de un proceso cualquiera. El elemento actuador recibe la señal de control y activa por ejemplo un extractor de aire si existe humedad relativa sobre un nivel máximo o activa la electroválvula del riego automático o la electroválvula encargada de controlar el paso del gas o el agua en caso de presentarse alguna fuga. II.2.4 Sensores Son los dispositivos encargados de convertir un tipo de magnitud física en una señal eléctrica proporcional a la variable medida. Fundamentales en el control de estado de las diversas variables existentes en una vivienda usadas para posteriormente enviarlas al controlador principal o procesarlas previamente y luego transmitirlas. Las variables a sensar dentro de una vivienda son múltiples, a continuación se señalan unas cuantas que son utilizadas para el control de variables comunes. Luminosidad Humedad en plantas Humedad relativa Presencia 11 Detector de humo Detector de gas, Etc.. II.2.5 Canal de comunicación El canal de comunicación es el que hace posible el intercambio de información y captación de estados de las diversas variables de estado de la vivienda. Los sistemas domóticos ofrecidos en el mercado permiten establecer la comunicación de los elementos del sistema a través de cableado exclusivo para el sistema, de forma inalámbrica o utilizando la red eléctrica de la vivienda. II.3 Aplicaciones Gracias a la gran versatilidad y aplicaciones de un sistema domótico por el solo hecho de permitir la integración de todos los sistemas de control de una vivienda, es posible no tan solo obtener un mayor confort, por ejemplo despreocupándonos de si apagó o no las luces de su casa dado que el sistema lo hará por usted (3), sino que además, genera un valor agregado que es el correspondiente al ahorro energético por no tener una o varias luces encendidas sin necesidad alguna. II.3.1 Domótica y eficiencia energética El ahorro energético es posible de conseguir de muchas maneras (4), una de ellas es reemplazar los electrodomésticos o aparatos de la vivienda que fuesen ineficientes por otros cuya eficiencia sea mejorada, pero esto implicaría un gasto económico elevado. La domótica nos ofrece herramientas que nos permiten hacer un uso eficiente de los recursos 12 energéticos destinados a la vivienda, ya sea por consumo de electricidad, agua, gas u otro combustible. A menudo nos disponemos a realizar diversas tareas dentro de la vivienda, que pasan por labores domésticas hasta de estudio, inclusive actividades de ocio. Pero ¿es necesario? por ejemplo, que la iluminación de la habitación en que nos encontramos estudiando sea la misma iluminación que requeriríamos solo para ver una película, sin duda, la respuesta en la mayoría de los casos sería no, puesto que cuando vemos una película, la excesiva iluminación de fondo tiende a molestar, sobre todo para aquellas películas te terror. Ahora, si además de reducir el consumo de electricidad por concepto de iluminación en esa habitación controlando el nivel de luz de acuerdo a la tarea que realizamos (en este caso para ver una película), además del ahorro, obtenemos un valor agregado adicional, un nivel de iluminación cómodo creando un ambiente de película, es decir, hemos aumentado el confort del morador y además hemos reducido el consumo eléctrico. Otra forma de reducir el consumo en electricidad y en mayor medida contribuir a nivel nacional a reducir la demanda (5), es la disminución del “consumo vampiro”. El “Consumo Vampiro” es la energía que consumen los dispositivos electrónicos que aun estando apagados pero conectados a la red, siguen consumiendo un mínimo de energía en su modo de espera o “stand-by”, que si bien no tienen un gran impacto en la factura mensual, si sumamos la gran cantidad de consumo a nivel nacional, es bastante. Dispositivos como dvd´s, blu ray, microondas,cargadores de celulares, consolas de videojuegos, decodificadores de televisión, entre muchos otros. Según Chilectra, identificar los “consumidores vampiros” es sencillo, ya que son todos aquellos equipos que funcionan con un mando a distancia, 13 pantallas digitales, dispositivos con baterías recargables, los que se calientan aun estando apagados o los que no cuentan con un botón de apagado. Lo ideal, es desconectar de la alimentación eléctrica todos estos dispositivos cuando no se estén utilizando. Según consumer.es, dependiendo de la cantidad de dispositivos conectados, el consumo eléctrico puede aumentar de un 5% hasta un 20% a causa de estos aparatos. A través de la gestión energética, es posible ahorrar en energía y reducir la demanda al sistema interconectado en los periodos punta. La gestión energética a través de la domótica permite desconectar todos aquellos aparatos eléctricos y o electrónicos cuyos consumos sean elevados y sus tareas no prioritarias, por ejemplo, la lavadora o el termo acumulador de agua para uso sanitario. Esto se consigue aprovechando las tarifas en el que el kWh es menor durante el día. Chilectra, a través de su servicio de Tarifa FLEX residencial ofrece a sus clientes cambiar su tarifa plana por una variable durante el día, diseñada para optimizar el consumo eléctrico del hogar. La tarifa diferencia tres tramos: día, noche y punta. Se basa en su tarifa BT-1 regulada por la comisión nacional de energía. Los beneficios de esta tarifa es que consumir electricidad durante la noche resulta un 30% más económico que la tarifa BT-1 teniendo un recargo adicional durante el periodo punta. La gestión energética respecto a la iluminación permite fijar los niveles de iluminación óptimos a cada tarea que se realiza en una determinada habitación, pero también, permite fijar cuándo se encenderá la luz, habiendo presencia humana, y si los niveles de luz natural son mínimos, por ejemplo. 14 Figura II-3. Tarifa Chilectra Hogar Flex. (Fuente: Chilectra.cl.) Además, el control también puede ser semiautomático, el usuario puede especificar el nivel de iluminación que requiera para sus tareas en un determinado momento. II.3.2 Seguridad Las aplicaciones son diversas al igual que en confort o gestión energética, pasando desde el control de gases peligrosos dentro de la vivienda, o inflamables, como gas, que al haber una fuga, el sistema una vez detectado el hecho se encargará de cerrar la electroválvula de la red de gas, o la electroválvula de la red de agua en caso de presentarse una rotura en la red. Detectar humo. Es posible identificar un posible foco de incendio antes de que se materialice al detectar una cierta concentración de humo en la vivienda, tomando como medida la activación del sistema de incendios en la habitación alertada. 15 Alarmas de intrusos. Con un sistema domótico es posible alertar al usuario de la presencia de una persona ajena a la vivienda y generar una señal local y remota del suceso. Monitoreo. Gracias a la integración de los sistemas de comunicación, acceder a la red domótica no es un problema, siempre que se tenga acceso a internet, es posible monitorear el estado de la vivienda a través de los indicadores del sistema y/o de cámaras destinadas para ello. Además brinda mayores servicios de accesibilidad para personas que lo requieran prescindiendo del típico interruptor de luz o apertura/cierre de persianas entre otras cosas beneficiando a individuos con algún grado de discapacidad. II.3.3 Climatización. Con la domótica, la climatización no es problema, ¿demasiado calor?, ¿mucho frio?, la gestión de la climatización brinda un confort absoluto al residente. Un sistema de climatización domotizado segmenta los espacios de la vivienda por habitación, mantiene la temperatura a un nivel óptimo y calefacciona o enfría solo si existe presencia humana, pudiendo mantener temperaturas mucho más bajas en ausencia de moradores. Además dispone la alternativa de programar el horario y las zonas que el usuario requiera calefaccionar, una aplicación concreta sería programar la calefacción en invierno para que a medida que se acerque la hora de despertar se aumente la temperatura a unos 20°C y así obtener un mejor nivel de confort al desertarse, a su vez, programar el sistema para que las persianas se abran o la luces enciendan paulatinamente. 16 II.3.4 Integración de electrodomésticos inteligentes La domótica también es capaz de integrar a su sistema a todos los electrodomésticos con capacidad de ser controlados por un sistema externo. Tareas básicas como hervir agua pueden resultar ser aún más sencillas y cómodas al enviar una orden desde el teléfono móvil a la central de gestión de la vivienda para que al llegar a casa el agua esté a la temperatura deseada o el café listo para servir o iniciar el lavado de ropa habiendo dejado la carga lista para ejecutarla en horario de tarifa rebajada, aun estando lejos de casa. II.4 Arquitectura de redes La arquitectura de un sistema de control, corresponde al modo en que los diferentes elementos del sistema se encuentran interconectados físicamente y de la forma en cómo estos interactúan entre sí. Se destacan dos arquitecturas básicas; arquitectura centralizada y distribuida. II.4.1 Arquitectura Centralizada Los sistemas de control centralizados se destacan por poseer una única unidad de control lo que ello implica que cada uno de los elementos periféricos del sistema como sensores, actuadores y pulsadores se encuentran enlazados directamente al nodo de control (único nodo). Sin el controlador, el sistema es incapaz de funcionar, en él se procesan las señales enviadas por los elementos periféricos y es ahí donde utilizando la información recibida se toman las decisiones de las acciones a ejecutar en base a la configuración establecida previamente. En Figura II-4, se puede apreciar un diagrama de sistema centralizado., en el podemos ver que cada uno de los elementos del sistema se encuentra directamente comunicado con el núcleo o controlador. 17 Los dispositivos del sistema centralizado son del tipo universal, no requieren comunicarse con otros dispositivos que no sea el controlador. Cada dispositivo cuenta con un único canal de comunicación con el controlador del sistema lo que lo pone en ventaja con otros tipos de arquitecturas ya que el costo de los elementos de la red es relativamente económico, fácil instalación y sencilla configuración. Una desventaja de este tipo de arquitectura, es la cantidad de cableado necesario para implementar la red, además, si el controlador falla, el sistema deja de funcionar completamente. Al momento de querer ampliar los dispositivos de la red, la necesidad se ve truncada por la limitación de entradas/salidas del controlador. Figura II-4. Sistema Centralizado. (Fuente: Elaboración propia) 18 II.4.2 Arquitectura distribuida Un sistema de arquitectura distribuida se presenta en la Figura II-5, podemos notar la importante diferencia con respecto a la Figura II-4, aquí existe más de un núcleo de control precisamente en este caso, dos, los que permiten una escalabilidad futura de acuerdo al aumento de las necesidades a cubrir. Al existir al menos dos controladores independientes pero capaces de intercomunicarse a través de un bus de datos, la falla de uno de los dos, no deja el sistema completamente inoperable, solamente se ve afectada la porción del sistema controlada por el controlador en falla. Las redes de arquitectura distribuida requieren de protocolos de comunicación que permitan enlazar los nodos de la red. Existe una gran cantidad de protocolos de red, algunos son de carácterestandarizado, de carácter abierto y bajo licencia, y otros son propios de los sistemas creados por los fabricantes, los llamados protocolos propietarios. Figura II-5. Arquitectura distribuida. (Fuente: Elaboración propia) 19 Una red distribuida que proporcione mayor seguridad frente a fallas ocasionadas por el desperfecto de un nodo de control y que a su vez sea de gran escalabilidad se presenta en la Figura II-6 donde cada uno de los elementos de la red tiene la capacidad de control. Todos los elementos de la red interactúan entre sí a través del bus de datos principal, si un nodo de la red falla, solo se ve alterado el funcionamiento de su entorno cercano, por ejemplo si fuese un nodo con capacidad de sensar el nivel de luz de una habitación, en caso de fallar, no afecta a otros elementos de la red a no ser que otro nodo de control base su funcionamiento exclusivamente en el estado del nodo en falla. Figura II-6. Arquitectura distribuida, cada elemento es un nodo de control. (Fuente: Elaboración propia) II.4.3 Arquitectura Mixta La arquitectura de red mixta, constituye la red más completa, permite una gran escalabilidad. Dentro de una misma red existen las características de una red centralizada (Figura II-4) y de una distribuida (Figura II-5) que 20 permiten la comunicación entre todos los nodos de la red. La interconexión de los elementos controladores se realiza a través de protocolos específicos según los dispositivos de la red. Figura II-7. Arquitectura Mixta. (Fuente: Elaboración propia) II.5 Protocolos de comunicación Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas y normas aplicadas a un software que permiten comunicar un número específico de dispositivos de una red. Se encarga de definir la sintaxis y la sincronización de la comunicación, define la forma en que los mensajes circularan por la red, también permiten la detección y corrección de errores. 21 Existen tres tipos básicos de protocolos (Figura II-8) de acuerdo a la libertad de sus usos, protocolos propietarios, estándar bajo licencia y estándar libres. Los protocolos Propietarios los conforman protocolos diseñados exclusivamente por fabricantes de sistemas domóticos para uso propio de sus sistemas, es por ello que sus dispositivos solo son compatibles entre sí. En general los fabricantes se encargan de ofrecer una gran gama de productos que sean capaz de interactuar entre sí pero que obviamente no serán compatibles con productos de otros fabricantes. Protocolos estándar bajo licencia; son protocolos accesibles por cualquier empresa que previamente adquiera una licencia, en cambio, los protocolos estándar libres son protocolos de uso público que no requieren licencia alguna, cualquier fabricante puede hacer uso de ellos por lo que aumenta la compatibilidad de productos entre una empresa y otra que lo utilicen. Han sido desarrollados en conjunto a diversos fabricantes, usuarios u organismos como la IEEE, ITU, o ISO. Figura II-8. Tipos de protocolos para Domótica. Protocolo Estándar abierto Estándar bajo licencia Propietarios 22 Figura II-9. Protocolos Estándar para domótica. II.5.1 X.10 o Power Line Carrier (PLC) Es uno de los protocolos más antiguos (años ’76 y ’78) diseñado por Pico Electronics Ltd. X.10 es un protocolo estándar abierto, cuyo único requisito para elaborar productos bajo X.10 es que se utilicen circuitos de Pico Electronics. Utiliza para la transmisión de datos el tendido eléctrico de baja tensión a través de corrientes portadoras. La mayor ventaja de este tipo de protocolo de red es que no necesita de una red propia o adicional a las ya existentes en la vivienda liberando de la instalación de nuevas y molestas redes cableadas. Además, es un protocolo de arquitectura descentralizada con una máxima ESTÁNDARES BACnet BatiBus CEBus EHS EIB HBS HES Konnex LonWorks X-10 23 cantidad de dispositivos capaces de interactuar entre sí de 256 considerando una única red domótica. Al utilizar la red de baja tensión para la intercomunicación de los dispositivos de la red, X.10 es una excelente alternativa para viviendas ya construidas. Figura II-10. Algunos estándares propietarios. II.5.2 LonWorks Basado en el modelo de referencia OSI (considera las siete capas), es un protocolo estándar bajo licencia de elevado coste. Pertenece a la compañía Echelon. Sus aplicaciones se concentran en edificios de oficinas, hoteles e industrias en EE.UU. El núcleo principal del protocolo LonWorks es el micronontrolador Neuron Chip fabricado por Motorola y Toshiba. Neuron Chip posee tres procesadores, dos para efectuar la comunicación, y un tercero para las aplicaciones. Cardio Concelac Dialoc Dialogo Domolon Vantage VivimatPlus PlusControl Simon Vis DomosCope GIV Domotel Hometronic Maior-Domo Domaike Simon Vox Starbox 24 El protocolo de comunicación utilizado es LonTalk. En cuanto al medio físico, LonWorks ofrece la capacidad de utilizar los siguientes medios de comunicación, Infra rojo Cable coaxial Par trenzado cat. IV de cinco hilos Fibra Óptica Radio frecuencia Power line RS-232 II.5.3 CEBus Consumer Electronic Bus (CEBus), desarrollado por la Asociación de Industrias Electronicas (sus siglas en inglés “EIA”) pensado para la automatización de viviendas. A diferencia del LonWorks, CEBUS utiliza cuatro de las siete capas de referencia del modelo OSI, Capa física Capa de enlace Capa de red Capa de aplicación Es un protocolo de arquitectura distribuida, es decir, cada elemento de la red tiene la capacidad de operar pos sí solo. Permite para la transmisión de datos los siguientes medios, Red eléctrica Par trenzado 25 Radio frecuencia Coaxial Fibra Óptica Infrarrojo II.5.4 EHS (European Home System) El EHS es un sistema abierto, nace como una solución a la necesidad de conseguir la mayor interoperabilidad de dispositivos pertenecientes a distintos fabricantes de sistemas domóticos. Desarrollado por la Asociación de Sistemas Europeos del Hogar, (EHSA) se caracteriza por su fácil instalación y permite una fácil configuración por parte del usuario de acuerdo a sus necesidades. Se basa en tres capas del modelo de referencia OSI, las capas física, de enlace y de aplicación. El medio de transmisión soportado por este estándar abierto puede ser, Cable coaxial Radio frecuencia Par trenzado, clase 1 y 2 Red eléctrica II.5.5 KONNEX Su principal objetivo es la convergencia de los estándares BatiBus, EIB (European Installation Bus) y EHS con el fin de crear un único estándar Europeo y conseguir la máxima interoperabilidad de dispositivos entre distintos fabricantes. EIB protocolo descentralizado propuesto por la EIBA, sus medios de transmisión son el par trenzado, la red eléctrica, radio 26 frecuencia e infra rojo. Su medio de transmisión principal es el cable de baja tensión de 24 v, permite conectar alrededor de 10.000 dispositivos. II.5.6 ZigBee Es un conjunto de protocolos de comunicación inalámbrica de alto nivel para radiodifusión de bajo consumo desarrollado por ZigBee Alliance (agrupación de industrias sin ánimos de lucro), permite realizar comunicaciones de baja transferencia de datos maximizando lo mayor posible la vida útil de las baterías, se basa en el estándar IEEE 802.15.4 (capa física y control de acceso al medio) de redes inalámbricas de área personal (WPAN). Ofrece bajos consumos energéticos y una fácil integración de dispositivos en topologíade malla. Es de carácter estándar libre, por lo tanto puede ser utilizado por cualquier fabricante. Características principales Velocidad de transmisión entre 20 kB/s y 250kB/s Alcance de 10 a 75 metros Uso de bandas libres de 2,4 GHz en todo el mundo, 868MHz en Europa y 915 MHz en EEUU. Gestión automatizada de direcciones de dispsitivos Capacidad de 255 nodos por cada red ZigBee Dentro de una red ZigBee se identifican tres tipos de dispositivos fundamentales, Coordinador ZigBee. Genera las rutas de comunicación para cada dispositivo. Router Zigbee. Interconecta disp. separados de la topología de red. Dispositivo final 27 Tabla 1. Comparación estándares. Protocolo Tipo Estandar Canal comunicación soportado Total dispositivos en la red X.10 Abierto PLC 256 LonWorks Bajo Licencia Infra rojo Cable coaxial Par trenzado cat. IV de cinco hilos Fibra Óptica Radio frecuencia Power line RS-232 Casi ilimitado CEBus Abierto Red eléctrica Par trenzado Radio frecuencia Coaxial Fibra Óptica Infrarrojo 65.536 EHS Abierto Cable coaxial Radio frecuencia Par trenzado, clase 1 y 2 Red eléctrica 1012 dispositivos KONNEX Bajo Licencia par trenzado la red eléctrica radio frecuencia infra rojo 10.000 ZigBee Abierto Inalámbrico 255 II.6 Oferta de sistemas domóticos en Chile En Chile existen una gran variedad de empresas dedicadas al diseño y montaje de sistemas de automatización para viviendas, unas cuantas 28 dedicadas a la venta de kits para sistemas domóticos fácilmente instalables como lo son en su mayoría los sistemas que utilizan el protocolo X.10, eso sí, no cualquier vivienda se encuentra en condiciones de albergar este tipo de redes, depende de factores del estado de la red eléctrica, y el impacto que puede provocar las señales a través de la red eléctrica sobre otros equipos ya que los conductores de la red de BT (baja tensión) se comporta como enormes antenas. En general no podemos decir que exista un sistema domótico mejor o peor que otro dado que todo radica en las necesidades del usuario que pueden pasar de simples medidas de confort a una mejor gestión de los recursos energéticos utilizados dentro de la vivienda. II.6.1 BTcino Btcino ofrece una gran gama de productos para la automatización de la vivienda en su catálogo de productos MY HOME. Los productos ofrecidos por Btcino son todos totalmente compatibles entre sí. Se pueden encontrar de sencillos sistemas que controlen las luminarias ON/OFF o más sofisticados que permitan regular la intensidad de la luz, generar una programación horaria y por zona como también sistemas de control de calefacción por sectores de acuerdo a ciertos parámetros de confort que son posibles de definir por el usuario en función de sus necesidades (ver Figura II-13). En general, MY HOME de Tcino ofrece, aplicaciones de automatización para, Comodidad Seguridad Ahorro de energía Comunicación Control 29 Figura II-11. Camara (iz.) y sensor de presencia (der.) de btcino. Sistema My Home. Figura II-12. Comando actuador (iz.) y panel monitor de consumos de Bticino. La interconexión de los dispositivos de la red MY HOME se basa en un Bus digital basado en Openwebnet, protocolo de comunicación desarrollado por Btcino a partir del año 2.000. Este protocolo es independiente del medio de comunicación utilizado permitiendo que los elementos de red puedan ser combinados según los deseos del usuario. MY HOME (Figura II-13) permite además ampliar el sistema a través de RF si fuese necesario prescindir de trabajos de albañilería. 30 Figura II-13. Algunos elementos de MY HOME de BTcino. De izquiera a derecha, video portero, dimmer, alarma, camara de video y panel de control touch. Dispositivos de interface de usuario. Figura II-14. MY HOME WEB de BTcino. II.6.2 Control4 Control4 ofrece su sistema de automatización de viviendas basado en Control4 y su sistema Home Control. Permite agrupar uno o más sistemas eléctricos o electrónicos en una sola interface la que consiste en un control remoto o mando a distancia reconfigurable según las necesidades del usuario del sistema, pudiendo crear comandos para determinadas aplicaciones como para la activación de una programación horaria de encendido de luces. Utiliza el estándar ZigBee. 31 Figura II-15. Sistema Control4. Control4 ofrece, Home Theater en un solo click Música Multi-Zona Iluminación Inteligente Control de temperatura Seguridad y confort II.6.3 Functiodomo SXsolar, pone a disposición en Chile el sistema de control para viviendas inalámbrico Functiodomo, la interfaz de usuario consiste en dispositivos portables como tablets, celulares o laptops con los cuales los usuarios pueden controlar desde cualquier parte con acceso a red de internet su vivienda. Posee una red wifi interna para el control desde el hogar. El sistema contempla, Cámaras de seguridad Control de Climatización Control de iluminación 32 Control de riego Control de toldos y persianas. II.6.4 Insteon Insteon con su distribuidor en Chile, Insteon Chile, trae una variedad de dispositivos para controlar la vivienda. Ofrece kits (Figura II-16) de control escalables básicos como control de luminaria, control de seguridad, cada uno de ellos con un hub que permite la futura ampliación del sistema. La comunicación e interconexión de dispositivos se realiza con el protocolo Insteon (protocolo propietario), el cual se basa en transmisión inalámbrica y por red eléctrica a la vez lo que ofrece una mayor seguridad de los datos. Cada dispositivo actúa como repetidor, al recibir información, se retrasmiten al resto de los elementos del sistema asegurando la correcta transmisión de los datos. Es compatible con X.10 y A10 (protocolo X.10 mejorado). Figura II-16. Dispositivos Insteon. 33 III OPEN DOMO, PLC Y ARDUINO COMO ALTERNATIVA DE CONTROL A nivel internacional son muchas las alternativas que buscan satisfacer las necesidades de control de una vivienda, pero todas ellas con un coste elevado. Open Domo, los PLC y Arduino se pueden presentar como una alternativa a los sistemas de control domótico convencionales, su gran ventaja es que son dispositivos que tanto sus elementos físicos como de software son plataformas libres en las que el diseñador puede indagar y utilizar para ejecutar los más interesantes proyectos que se imagine, todo esto sin necesidad de gastar cuantiosas sumas de dinero en patentes. III.1 OpenDomo OpenDomo se encuentra desarrollado bajo la licencia pública general (GPL), su objetivo es el crear un sistema de automatización para viviendas que permita integrar todos los sistemas de control de forma accesible y segura. “OpenDomo se puede utilizar, copiar, modificar y distribuir libremente” (6). OpenDOmo pone a disposición del diseñador, un completo sistema de automatización para la vivienda que permite integrar los distintos sistemas presentes en la vivienda, control de luces, persianas, riego, seguridad, etc.. El elemento principal del sistema, lo conforma el ODControl, un controlador eléctrico IP con configuración estándar, no necesita ser programado, tan solo configurado de acuerdo a los requerimientos del sistema a implementar. Al ser controlado a través de IP, ODControl permite controlar el sistema desde cualquier lugar geográfico desde el cual se tenga acceso a internet. ODControl posee ocho puertos de entrada y ocho puertos de salida, los 34 puertos de entrada son ampliables a 16 con la incorporación de un módulo de 4-20mA. Figura III-1. ODControl de OpenDomo. Controlador para redes domóticas.Tabla III-1. Características físicas ODControl. Elemento Características Puertos digitales entrada 8 puertos Puertos digitales de salida de estado sólido 8 puertos Puertos ADC 8 puertos Comunicación Interfáz IP con conector RJ45 10/100M Puertos de expansión 1 interno + uno externo Reloj en tiempo real Montaje Riel DIN (Fuente: Elaboración propia en base a datos de opendomo.org.) 35 Tabla III-2. Parámetros de tensiones y corrientes de E/S controlador OpenDomo. (Fuente: Elaboración propia en base a datos de opendomo.org.) OpenDomo ofrece medidores de consumo eléctrico para controlar el gasto energético de la vivienda en tiempo real, permite gestionar alarmas de consumo anormal a través de correo electrónico entre otras características. El OD485, Pasarela Modbus/RTU está diseñado para la adquisición de datos de los elementos sensores de la red domótica OpenDomo proporciona el software necesario para el control de luces, persianas, riego automático, alarmas de emergencia, ect… por lo que a diferencia de un autómata programable, OpenDOmo solo requiere ser configurado de acuerdo a los elementos o número de ellos que pertenecen al sistema, dejando de lado la programación técnica que haría del sistema un sistema poco amigable con el usuario requiriendo de la ayuda de un programador para agregar nuevos dispositivos a la red. III.2 Controlador Lógico Programable (PLC) Otra alternativa para construir un sistema domótico es utilizando como sistema de control los ya muy utilizados PLC, que si bien su principal Parámetro Mínimo Típico Máximo Tensión alimentación 8 Vcc 12Vcc 14Vcc Corriente alimentación 150mA 180mA 1,5A Tensión puertos digitales salida Vcc-0,7 -- 12Vcc Corriente puertos digitales salida -- -- 170mA Potencia puertos digitales salida -- -- 2W Tensión puertos digitales entrada 0V -- 30V Valor Lógico alto 5V 12V 30V Valor lógico bajo 0V 0V 1,5V Tensión entrada puertos ADC 0V -- +2,5V 36 objetivo es la automatización de tareas en la industria, es posible adaptar su uso para la automatización de vivienda obteniendo de este modo una gran máquina de control. Los PLC o autómatas programables, cumplen un importante rol en los sistemas de control modernos. Son máquinas electrónicas diseñadas para controlar en tiempo real procesos secuenciales en un medio industrial. Sus principales funciones son la conversión serie/paralelo, temporizaciones, conteos, cálculos, emisión de comandos, etc.. Dispone además de facilidades para acceder a un subsistema de comunicaciones. Como todo controlador, posee terminales de entrada y/o salida A diferencia de los controladores para domótica existentes en el mercado, el PLC no trae una configuración mínima para por ejemplo el control de persianas, luces o riego automático como si lo incluyen los controladores para sistemas domóticos, es decir, el autómata programable debe de programarse en su totalidad para realizar las tareas requeridas por el diseñador. La ventaja de los autómatas programables radica en su gran cantidad de puertos de entrada y salida que permiten el control de múltiples procesos Los PLC son dispositivos que poseen grosas características, existen PLC’S en la actualidad cuyas capacidades de procesamiento, almacenamiento y de comunicación son similares a las de un computador convencional. En Figura III-2 se puede ver un controlador lógico programable, es el modelo LOGO! de siemens. 37 Figura III-2. LOGO! de Siemens. III.3 Plataforma de Hardware Arduino El proyecto Arduino nace en Italia en el año 2005 como un proyecto para estudiantes. Arduino es una plataforma de hardware libre que permite a multitud de usuarios realizar diversos proyectos dado que se basa en software y hardware fáciles de usar y posibilita la necesidad de modificarlos y contribuir además a la mejora del proyecto Arduino. El hardware dado su firma libre, nos permite adquirirla en el comercio o construirlas utilizando los planos que se encuentran a libre disposición. Si bien las placas Arduino no poseen la capacidad procesadora que pudiesen tener otros hardware disponibles en el mercado, da la posibilidad realizar proyectos que ameritan un bajo costo. Se basa en Microcontroladores Atmel AVR de 8 bits y CortexM3 de ARM de 32 bits que se programa a través de la plataforma de software IDE de Arduino que se basa en proceccing/WIRING, (processing para el entorno de desarrollo y wiring para la programación de Arduino) permitiendo de este modo que la placa pueda ser controlada de forma independiente del 38 pc (autónoma) o conectada directamente a este utilizando Processing, Matlab, Visual BASIC, Python, Java, C++, etc… Como Arduino se basa en el lenguaje de programación de alto nivel Processing, basado en C, este soporta todas las funciones de C y unas cuantas de C++ (7). III.3.1 Arduino Uno La placa Arduino Uno, posee un total de 20 pines entre entradas y salidas, de ellas 14 corresponden a pines digitales de E/S (6 permiten salida PWM), un total de 6 entradas analógicas. Cuenta con un conector USB y conector de alimentación y un HEADER ICSP además de un botón de reinicio. Figura III-3. Arduino Uno. Pines 2 y 3: pueden configurarse para realizar la activación de una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o un cambio en el valor. Pines 3 al 11: permiten salida PWM de 8 bits. Pines A0 a A5 (analógicos): proporcionan una resolución de 10 bits de 0 a 5 V permitiendo además modificar el nivel superior utilizando el pin AREF. Pin AREF: Permite establecer tensión de referencia para pines analógicos. 39 Reset: permite reiniciar el microcontrolador llevando el pin a un nivel bajo. III.3.1.1 Comunicación soportada Pines 0 y 1 (RX y TX): Los pines 0 y 1 están diseñados para la recepción y transmisión de datos en el formato serie. SPI; Comunicación Serial Peripheral Interface en los pines 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Este protocolo de comunicación serie es un protocolo registrado por Motorola y permite la comunicación entre microcontroladores o periféricos, permite la transmisión y recepción de forma simultánea de forma sincrónica (Full Duplex). La velocidad puede llegar a los 5Mbpsd. El protocolo consiste en una línea de reloj, dato entrante, dato saliente y un pin de chip select el cual conecta/desconecta la operación del dispositivo con el que uno desea comunicarse permitiendo la multiplexación de las líneas de reloj. Posee tres líneas por las cuales se transmite la información en paquetes de 8 bits, dos líneas se encargan de transmitir la información de un lado al otro en una sola dirección y la tercera corresponde a la línea del reloj. Este protocolo de comunicación seriel, permite velocidades mayores a las alcanzadas por I2C. Pines A4 (SDA) Y A5 (SCL): Comunicación TWI (I2C ) utilizando la librería Wire. TWI es un protocolo de comunicación diseñado por Philips para la comunicación de dispositivos pertenecientes al mismo circuito, al igual que SPI. Es una comunicación half duplex Permite velocidades de 100Kbps o 400Kbps en el modo de alta velocidad. Se utiliza la configuración maestro/esclavo. A diferencia de SPI, TWI tan solo necesita de dos líneas, SDA (serial data line) y SCL/CLK (serial clock line). Utiliza 8 bits para la transmisión de datos (7). 40 III.3.1.2 Características de la placa UNO Microcontrolador: Atmega328 Tensión de funcionamiento :5v Voltaje de entrada recomendado: 7-12v Límites tensión de entrada: 6-20v Pines E/S digitales: 14 Salida PWM: si (6 pines digitales) Entrada analógica: 6 Corriente CC para pines de E/S: 40mA Corriente DC parapin 3,3v: 50mA Memoria Flash: 32 kB, 0,5 kB utilizados por el gestor de arranque SRAM: 2kB EEPROM: 1kB Velocidad del reloj: 16 MHZ En general, todas las placas Arduino permiten la comunicación serie, I2C, TWI, una placa tiene más pines de E/S que otras, todo depende de las necesidades del diseñador. Arduino, además, ofrece para el diseñador, una gran variedad de placas adicionales a la arduino UNO, en la Tabla III-3 se presentan otros modelos de placas Arduino y sus características principales. Se tienen además, elementos adicionales como placas GSM que permiten conectar las placas Arduino a internet a través de la red GPRS. Arduino Ethernet shield conecta las placas Arduino a la red Ethernet, permitiendo controlar las placas desde cualquier rlugar con acceso a internet. Arduino Wifi Shield, placa de Arduino que proporciona la posibilidad de conectar a Arduino a la red inalámbrica, desligándose del molesto 41 cableado para de este modo poder comunicar la placa arduino con otras o algún/os periféricos que conforman un sistema en particular. Arduino motor Shiel: permite el control de cargas inductivas, relés o motores. 42 Tabla III-3. Otras placas de Arduino. Características generales. PLACA Arduino M ic ro . T e n s ió n fu n c io n a m ie n to (V ) T e n s ió n e n tr a d a re c o m e n d a d o T e n s ió n d e e n tr a d a l ím it e E /S D ig it a le s E a n a ló g S a n a ló g C o rr ie n te C C p a ra E /S ( m A ) M e m o ri a F la s h S R A M (K B ) E E P R O M (K B ) C lo c k (M H z ) Leonardo Atmega32U4 5 7-12 6-20 14 6 -- 40 32 KB 2,5 1 16 Due AT91SAM3X8E 3,3 7-12 6-16 54 12 2 130 512 KB 96 -- 84 Yún Atmega32U4 5 5 5 20 12 -- 40 16 MB 2,5 1 16 Micro Atmega32U4 5 7-12 6-20 20 12 -- 40 32 KB 2,5 1 16 Mega ADK Atmega2560 5 7-12 6-20 54 16 -- 40 256 KB 8 4 16 Ethernet Atmega328 5 7-12 6-20 14 6 -- 40 32 KB) 2 1 16 Mega Atmega2560 5 7-12 6-20 54 16 -- 40 256 KB 8 4 16 Mini Atmega328 5 7-9 14 8 -- 40 32 KB 2 1 16 (Fuente: Elaboración propia en base a datos de arduino.cc) 43 IV DOMÓTICA Y VIVIENDAS SOCIALES Las viviendas sociales nacen con el objetivo fundamental de entregar una solución inmobiliaria a las miles de familias cuyos recursos económicos son bajos y muchas veces insuficientes para acceder a la compra de un bien inmobiliario. Los proyectos habitacionales buscan resolver problemas de marginalidad habitacional y se caracterizan por su valor de tasación el cual no excede las 520 UF. En su totalidad, los criterios que aplican a la solución habitacional de este tipo de viviendas es la economía en equilibrio con la eficiencia de la construcción y un nivel de comodidad mínimo. El principal financiamiento que reciben estos tipos de proyectos habitacionales, corre principalmente por cuenta del estado, el cual en un claro ejemplo de mejorar la situación inmobiliaria del sector más necesitado del país, anualmente invierte grandes sumas de dinero para construir un número significativo de viviendas para así mejorar la calidad de vida de miles de chilenos. Pero el estado no queda libre una vez entregada la solución inmobiliaria, debemos considerar que dependiendo de la calidad de las construcciones y los parámetros de eficiencia que se aplicaron, estas nuevas viviendas contribuirán de una u otra forma en la demanda por más y más energía. No es lo mismo calefaccionar una vivienda cuya aislación resulta insuficiente a una que sí lo es, o iluminar una casa que poca o nada luz natural recibe a una que aprovecha al máximo la luz natural, en los primeros casos el uso de la energía será mayor. IV.1 Características físicas Una vivienda económica es aquella que se construye en conformidad a las disposiciones del D.F.L. n°2, DE1959; las construidas por las ex corporaciones de la vivienda, de Servicios Habitacionales y de 44 Mejoramiento Urbano y por los servicios de Vivienda y Urbanización y los edificios ya construidos que al ser rehabitados o remodelados se transforman en viviendas, en todos los casos siempre que la superficie edificada no supere los 140 m2 y mientras su valor de tasación no exceda las 400 UF y 520UF en el caso de condominios de viviendas sociales según LGUC, artículo 162. El Decreto 49 del año 2012 del Ministerio de Vivienda y Urbanismo, manifiesta que el metraje mínimo (ver Tabla IV-1) que deben poseer estas soluciones habitacionales debe ser de 42 m2 ampliables en el caso de casas y de 55 m2 mínimos para departamentos. Tabla IV-1. Superficie mínima de una vivienda Social. MODALIDAD SUPERFICIE MÍNIMA Construcción en sitio propio 45 m2 Densificación Predial 42 m2 Construcción en Nuevos Terrenos 42 m2 (Fuente: Elaboración propia en base a datos de MINVU.) Una vivienda social básica se encuentra constituida en una etapa inicial por una unidad sanitaria consistente en una cocina y baño con inodoro, lavamanos y ducha cuyo sitio donde se emplaza posee al menos 100m2 si la vivienda es de una planta y de 60 metros cuadrados si corresponde a vivienda de dos plantas o más. Si bien existen varios tipos de proyectos de viviendas sociales estipulados por la ley, las viviendas sociales deben cumplir con un mínimo de metros cuadrados construidos los cuales deben ser ampliables a al menos 55 metros cuadrados. La Tabla IV-2, presenta las dimensiones mínimas que deben poseer los interiores de estas viviendas. 45 Tabla IV-2. Dimensiones mínimas por habitación de vivienda social. Recinto Dimensiones mínimas Dormitorio Principal 7.3m2 Dormitorio Secundario 7m2 Dormitorio Terciario 8m2 Comedor 3.6m2 Living 3.6m2 Cocina 4.32m2-5.32m2 Baño 2.4m2-3.4m2 Escaleras 0.70 m/0.85m (ancho) (Fuente: Elaboración propia en base a datos de decreto supremo n°49 del MINVU) Deben poseer al menos una zona de estar, comedor, cocina, dos dormitorios y un baño. Existe otra alternativa de viviendas sociales en que la vivienda se encuentra inicialmente constituida por tres recintos, cuya superficie total sea al menos de 50m2 ampliables. También pueden existir aquellas viviendas con dos dormitorios siempre y cuando puedan ampliarse al menos a un tercer dormitorio. La superficie total construida mínima no podrá ser inferior a 42 m2. En general, tomando en cuenta los requisitos que impone el MINVU para soluciones habitacionales de viviendas sociales, estas viviendas deben poseer con sus ampliaciones proyectadas o la construcción final acabada un metraje de 55m2 ya sean casas o departamentos, esta será la base para el desarrollo de la solución domótica considerándola como vivienda tipo bajo las ya definidas características constructivas. Una vivienda social tipo entonces corresponderá a la presentada en la siguiente tabla cuyo metraje corresponde a 55m2. En Tabla IV-3 se resumen las dependencias de la vivienda social o “vivienda tipo” considerada. 46 Número dormitorios Baños Cocina Living Comedor 3 1 1 1 1 Tabla IV-3. Número de habitaciones. Vivienda social. Figura IV-1. Plano de una vivienda social tipo. (Fuente: Elaboración propia en base a características de la vivienda social) El ministerio de vivienda y urbanismo está buscando constantemente dar solución a los diversos problemas y necesidades a las que se ven enfrentados los habitantes de viviendas sociales, ya sea en la calidad estructural como en la eficiencia energética que se pueda conseguir en este tipo de proyectos inmobiliarios con el afán de permitir entregar un mayor conforta los residentes a la vez que se proporciona un mejor uso de las energías del hogar. De este modo, una de las iniciativas del MINVU es la 47 implementación de sistemas de agua potable sanitaria para proyectos nuevos o ya construidos los que buscan una reducción del gasto en concepto de agua caliente sanitaria. Se busca con estos sistemas generar un ahorro del 30% anual en esta materia la cual se ve reflejada directamente en los gastos del hogar. La ley 20.365 del ministerio de hacienda establece franquicia tributaria respecto de sistemas solares térmicos, un incentivo a las empresas constructoras que incluyan en sus proyectos habitacionales de viviendas sociales sistemas solares térmicos, les ofrece deducir del monto de sus pagos previsionales obligatorios por ley sobre impuesto a la renta, un crédito equivalente a todo o parte del valor de los sistemas solares térmicos y de su instalación. IV.2 Consumo Eléctrico en viviendas La demanda por la energía a nivel internacional aumenta cada día más, y los planes de eficiencia energética por hacer un mejor uso de la energía cobras más relevancia, sobre todo porque impactan directamente a la economía de forma favorable, utilizar de mejor forma la energía pasó a ser uno de los focos principales a nivel internacional. Chile en materia energética ve una clara alternativa en los planes de eficiencia energética que pasan por una mejor construcción de viviendas, mejoras en la aislación, orientación geográfica de esta, promoción de aparatos y dispositivos para el hogar eficientes y la utilización de la tecnología en sí para dar un mejor uso a la energía. En este capítulo se presenta el consumo energético que experimentan las viviendas por concepto de uso de electricidad principalmente a nivel nacional, y grupo socioeconómico D cuyas características de viviendas y gastos concuerdan con las viviendas de carácter social. 48 IV.2.1 Consumo de electricidad en la vivienda por aparato Un estudio del Sernac (8) indica que del total del presupuesto de las familias chilenas, un 15% de este era destinado a servicios básicos. Pero analizando el segmento socioeconómico bajo, un 18,9% de los ingresos familiares eran destinados a servicios básicos. Por otra parte, los segmentos socioeconómicos alto y bajo gastan más en gas, un 31,7% y 31,03%, en cambio, el grupo socioeconómico bajo, gasta más presupuesto en electricidad, un 28% y un 25,89% en calefacción. Según el Ministerio de Energía (9), el consumo promedio a nivel nacional por vivienda es de 124,60kWh para el grupo socioeconómico D, si consideramos una tarifa promedio de $113,6 pesos chilenos, una vivienda de este grupo socioeconómico desembolsa $14.154,56 pesos chilenos por concepto de electricidad. Si seccionamos el consumo por vivienda vemos que la electricidad consumida se reparte según Figura IV-2. Figura IV-2. Consumo en kWh/año por aparato en viviendas. (Fuente: Elaboración propia según antecedentes Ministerio Energía) 49 Se destaca que del total de la energía eléctrica utilizada en la vivienda, se estima que el 10% de ella se debe al consumo de aparados en modo Stand- by, 186,4kWh anuales, es decir, que a pesar de no estar encendido, ni mucho menos siendo utilizados, siguen consumiendo una mínima cantidad de energía, aunque en muchos casos el costo económico por vivienda no sea considerable, al año genera un desembolso importante para la vivienda y además una demanda adicional a nivel país por electricidad mal utilizada. Si comparamos los consumos anuales por stand-by y el consumo por concepto de iluminación, el primero corresponde al 64,4% del total debido a iluminación (289,4 kWh/año) destacando la importancia de este consumo. A nivel nacional, el consumo por concepto de iluminación al año es de 1.523GWh de los cuales el 39,9% (603GWh) provienen del grupo socioeconómico D. Un dato importante de mencionar es que el consumo mundial de electricidad en materia de iluminación es del 20% del total, lo que pone de manifiesto la importancia por tomar medidas de eficiencia aplicada a esta área. Se estima que para el 2030 la demanda de energía para iluminación crecerá en un 60%. Como consecuencia de estas cifras y de las líneas internacionales que se siguen en Chile en búsqueda de la eficiencia energética, a través del ministerio de energía se determinó eliminar del mercado nacional las lámparas incandescentes a causa de su baja eficiencia. El plan de eficiencia a través del decreto n°60 publicado por el ministerio de energía en el diario oficial, fija el estándar mínimo de eficiencia que deben cumplir los dispositivos de iluminación para su comercialización en el país, la idea es que a finales del 2015 la desaparición de este tipo de ampolletas sea absoluta iniciándose su descontinuación de manera paulatina a fines del año 2014. 50 Figura IV-3. Viviendas y dispositivos en stand by. (Fuente: Elaboración propia en base a datos CCHC.) Según estudio realizado por la cámara chilena de la construcción, en por lo menos un 69% de las viviendas se mantiene el televisor enchufado sin ser utilizado, es decir este aparato es consumidor de electricidad en modo stand-by en más de la mitad de las viviendas a nivel nacional. En la Figura IV-1 se muestran los porcentajes de viviendas a nivel nacional en la que se dejan enchufados diversos aparatos electrónicos que consumen energía aun estando apagados, aparatos que dada su fácil adquisición, están presentes en la mayoría de las viviendas del país lo que se traduce en un consumo anual por hogar de 186,4kWh/año. La Tabla IV-4, muestra el consumo eléctrico que generan un conjunto de dispositivos existentes en la vivienda al estar en “modo espera” o “stand- by” (10). 69% 55% 57,30% 28,30% 36,90% 29,90% 28,30% Televisor Radio/equipo música Computador Horno Microondas Hervidor Consola de video juego Lavadora de ropa 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 51 Tabla IV-4.Consumo en Stand-by de diversos dispositivos presentes en la vivienda. Dispositivo Potencia consumida en stand- by (W) Tenencia a nivel nacional en viviendas (%) Televisor 6,08 94 Equipo de música o radio 9,71 88,7% DVD 3,13 57,3% Consola de video juego 1,0 20,8% Cargador de celular 0,26 92,5% Lavadora de ropa 2,64 93,6% Secadora de ropa 2,2 15,2% Monitor LCD 1,13 --- PC 2,84 59,4% Laptop apagado 8,9 -- Cargador laptop solo 4,42 -- (Fuente: Elaboración propia en base a fuente: Lawrence Berkeley National Laboratory y corporación de desarrollo tecnológico, CCHC). 52 IV.3 Selección de los elementos a automatizar e integrar en la vivienda social Con la finalidad de proporcionar herramientas y tecnologías que permitan realizar un uso más eficiente de las energías consumidas en la vivienda tipo, es necesario identificar los elementos que pueden ser afectos a automatizarse y de este modo mejorar la forma en que estos consumen energía sin la necesidad de reemplazarlos por otros más eficientes y por supuesto más caros. La domótica se presenta principalmente como un conjunto de tecnologías que permiten aumentar el confort en una vivienda que incluyen como valor agregado, la seguridad y eficiencia energética, pero, muchas veces, comodidad y eficiencia no van siempre de la mano, y cuando se adiciona además otra variable como la económica, podemos comprobar que la tendencia es proporcional, a mayor confort, mayor gasto económico. Por ello es fundamental el análisis de las necesidades reales de automatizar ciertos elementos que traigan en este caso, un valor agregado que consiste en un ahorro económico más que un aumento significativo de la comodidad de la vivienda
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