Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Facultad de Ingenierıa

PROYECTO DE GRADO

Camilo Fernando Garcıa RuedaLuis Alberto Caro Lopez

Diseno de un sistema Inalambrico modular debajo costo con protocolo de comunicacion para

servicios y/o aplicaciones domoticas

Proyecto Curricular de Ingenierıa Electronica

Tutor: Jaime Humberto Angulo Chavarro

Proyecto Curricular: Programa de Ingenierıa Electronica

Bogota 2017

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Indice general

Indice de figuras VII

Indice de cuadros XIII

1. Introduccion 11.1. Presentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Objetivos 32.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3. Estado del arte 53.1. X10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1.1. Caracterısticas relevantes del sistema X10. . . . . . . . . . . . . . 53.2. El Estandar EIB [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.2.1. Caracterısticas del Estandar EIB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3. LONWORKS [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.3.1. Caracterısticas relevantes de LONWORKS. . . . . . . . . . . . . 63.4. SIMON [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.4.1. Caracterısticas relevantes de SIMON. . . . . . . . . . . . . . . . 63.5. Ambito nacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.5.1. Proyectos Domoticos desarrollados en el ambito academico . . . 73.5.1.1. Control de luces y persianas con el movimiento de la

mano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.5.1.2. Estufa inteligente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.5.1.3. Diseno de un Sisitema Domotico para el control de Ilu-

minacion y Monitoreo de Consumo Electrico . . . . . . 83.5.1.4. Diseno de un prototipo para un sistema de control Domoti-

co por medio de Arduino y Processing. . . . . . . . . . 83.5.2. Clasificacion de tecnologıas para redes domesticas actuales: . . . 9

3.5.2.1. Interconexion de dispositivos: . . . . . . . . . . . . . . . 9

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INDICE GENERAL

3.5.2.2. Redes de control y automatizacion: . . . . . . . . . . . 93.6. Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4. Marco teorico 114.1. Conceptos basicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1.1. Tasa de error de bit (BER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.1.2. Latencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1.3. Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1.4. Decibel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1.5. Domotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1.6. ¿Que aporta la Domotica? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1.7. Redes Inalambricas de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1.8. Modulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.1.9. Senal portadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2. Fundamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2.1. Modulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2.1.1. ASK (Modulacion por desplazamiento de amplitud) . . 184.2.1.2. Modulador ASK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.1.3. Demodulacion ASK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.2. Modelo de referencia OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2.2.1. Capa Fısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2.2.2. Capa de enlace de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2.3. Sensores y actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2.3.1. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3. Dispositivos de transmision/recepcion de RF . . . . . . . . . . . . . . . 274.3.1. PT2264 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3.1.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.3.1.2. Operacion en RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.3.1.3. Bits codificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.3.1.4. Forma de onda para el bit de sincronizacion . . . . . . 294.3.1.5. Caracterısticas de la trama . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3.1.6. Frame codificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3.1.7. Funcionamiento del oscilador . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3.2. PT2294 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.2.1. Validacion de la transmision . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.2.2. PT2294 con dato de salida momentaneo o sostenido . . 334.3.2.3. Funcionamiento PT2294 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.4. Modulos de transmision/recepcion a 433MHz . . . . . . . . . . . . . . . 344.4.1. banda ISM(Industrial Scientific Medica) . . . . . . . . . . . . . . 344.4.2. Transmisor TWS-BS-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.4.3. Modulo receptor RX433N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.5. Registros de desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.5.1. Registro de desplazamiento serie/paralelo 74HC595 . . . . . . . . 38

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INDICE GENERAL

4.6. Buffer de tres estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.6.1. 74LS125 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.6.1.1. Caracterısticas Electricas . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.6.1.2. Caracterısticas de conmutacion . . . . . . . . . . . . . . 43

4.7. Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.7.1. PIC16F1933 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7.1.1. Caracterısticas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . 444.7.1.2. Funciones Analogicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.7.1.3. Caracterısticas de los perifericos . . . . . . . . . . . . . 454.7.1.4. Especificaciones Electricas . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.8. MikroBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.8.1. Especificaciones fısicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.9. EasyVR 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.9.1. Caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.10. Familias logicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.11. Interruptores Analogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.11.1. Velocidad de Conmutacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.11.2. Tipos de interruptores analogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.11.3. CI CD4066 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.12. Bus I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.12.1. Terminologıa I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.12.2. Transferencia de datos en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.12.3. Transferencia de datos I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.12.4. Bits de direccionamiento I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.13. Lamparas CFL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.13.1. Tubo Fluorescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.13.2. Balastro electronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.13.3. Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.13.4. Funcionamiento de la lampara CFL . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.14. TRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5. Recursos 715.1. Recursos Humanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.2. Recursos Financieros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.3. Recursos Fısicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3.1. Herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.3.2. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.3.2.1. KiCad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.3.2.2. PIC C Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6. Diseno e implementacion del sistema domotico 776.1. Reconocimiento de los dispositivos de transmision: Capa fısica . . . . . . 77

6.1.1. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.2. Diseno e implementacion sistema domotico FireFly . . . . . . . . . . . . 82

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INDICE GENERAL

6.2.1. ¿Porque FireFly? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.2.2. Requerimientos y caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836.2.3. Modulo Wi-Fly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.2.4. Diseno del Registro de desplazamiento y Buffer de tres estados . 856.2.5. Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866.2.6. Selector de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876.2.7. Ahorro de energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.2.8. Integracion de los modulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.2.9. Modulo AS-Fly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.2.9.1. Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956.2.9.2. Puertos de expansion (Shields) . . . . . . . . . . . . . . 966.2.9.3. Display y taclado de configuracion . . . . . . . . . . . . 96

6.2.10. Modulos SFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.2.11. Modulos SFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.2.12. Medidas a tener en cuenta a la hora de instalar sensores . . . . . 99

6.2.12.1. Sensor de luminosidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.2.12.2. Sensor de presencia(PIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.2.12.3. Sensor de humo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.2.12.4. Sensor de ultrasonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.2.13. Modulos AFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.2.14. PowerFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016.2.15. Power Management y protecciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.3. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.3.1. Protocolo de comunicacion inalambrico ADN . . . . . . . . . . . 1046.3.2. Funcionamiento WiFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.3.2.1. Inicializacion WiFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.3.2.2. Lectura de los dispositivos mediante I2C . . . . . . . . 1076.3.2.3. Determinacion de cuantos dispositivos y de que tipo

estan conectados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.3.2.4. leer y guardar las tramas de los dispositivos conectados

a traves del bus I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.3.2.5. Leer cada trama guardada y poner el decoder (PT2294)

en la direccion del dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . 1106.3.2.6. Lectura de cada trama guardada y escritura mediante

el bus I2C a todos los dispositivos conectados . . . . . . 1116.3.2.7. Leer trama del N-esimo dispositivo virtual y escribir

mediante bus I2C a todos los dispositivos conectados . 1116.3.2.8. Enviar datos almacenados en WiFly si se requiere . . . 111

6.3.3. Funcionamento SFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.3.3.1. Inicializacion SFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.3.3.2. Estado del sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.3.3.3. Comunicacion con WiFly . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.3.3.4. Primer ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

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INDICE GENERAL

6.3.3.5. Segundo ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.3.4. Funcionamiento AFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.4. Programacion de la tarjeta de reconocimiento de voz EasyVR 3 . . . . . 1236.4.1. Comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.4.2. Reconocimiento de un comando definido por el usuario . . . . . . 124

6.5. Aplicacion implementada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7. PCB 1297.1. PCB WiFly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.2. PCB AS-FLY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.2.1. mikroBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.2.2. Logos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

8. Resultados 1378.1. Caracterısticas electricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.1.1. Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1388.1.2. Recursos del microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9. Conclusiones 141

A. Codigo/Manuales/Publicaciones 143A.1. Apendice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Bibliografıa 145

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Indice de figuras

4.1. Aplicacion vıa tablet de un sistema domotico. Fuente: tudomotica.com . 144.2. Sistema domotico. Fuente: CASADOMO.com . . . . . . . . . . . . . . . 154.3. Modulacion ASK. Fuente: www.udb.edu.sv . . . . . . . . . . . . . . . . 184.4. Demodulacion ASK. Fuente: www.udb.edu.sv . . . . . . . . . . . . . . . 204.5. Modulador ASK. Fuente: www.udb.edu.sv . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.6. Demodulador ASK. Fuente: www.udb.edu.sv . . . . . . . . . . . . . . . 214.7. Modelo OSI. Andrew Tanembaum. (2003) Redes de Computadores. Ams-

terdam. Pearson Education. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.8. Capa fısica. Fuente: www.valortop.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.9. Sensor de barrera. Fuente: www.editores-srl.com.ar. . . . . . . . . . . . . 254.10. Sensor de humedad. Fuente: articulo.mercadolibre.com.mx. . . . . . . . 264.11. Sensor de temperatura. Fuente: www.fae.es. . . . . . . . . . . . . . . . . 264.12. Diagrama de bloques del CI PT2264. Fuente:www.princeton.com.tw . . 284.13. Terminales para el PT2264. Fuente: www.princeton.com.tw . . . . . . . 294.14. Forma de onda de los bits codificados. Fuente: www.princeton.com.tw . 294.15. Forma de onda para el bit de sincronizacion. Fuente: www.princeton.com.tw 304.16. Formato de la trama de comunicacion. Fuente: www.princeton.com.tw . 304.17. Trama bit a bit. Fuente: www.princeton.com.tw . . . . . . . . . . . . . . 304.18. Forma de onda para la senal TE en una comunicacion. Tomado de

http://www.princeton.com.tw/Portals/0/Product/PT2264-s.pdf. . . . . 314.19. Distintos valores de resistencia de oscilacion con su respectiva frecuen-

cia(PT2264). Fuente: www.princeton.com.tw . . . . . . . . . . . . . . . . 314.20. Diagrama de flujo para el funcionamiento(PT2264). Fuente: www.princeton.com.tw 324.21. Senal de comunicacion VT(PT2294). Fuente: www.princeton.com.tw . . 334.22. Comportamiento de los datos de salida para los modos de funcionamiento

del PT2294. Fuente: www.princeton.com.tw . . . . . . . . . . . . . . . . 344.23. Comportamiento de los datos de salida para los modos de funcionamiento

del PT2294. http://www.princeton.com.tw/Portals/0/Product/PT2294-s.pdf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.24. Transmisor de RF (433MHz). Fuente: articulo.mercadolibre.com.pe . . . 364.25. Transmisor de RF (433MHz).Fuente: articulo.mercadolibre.com.pe . . . 364.26. Receptor de RF (433MHz). Fuente: www.josehervas.es . . . . . . . . . . 37

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INDICE DE FIGURAS

4.27. Transmisor de RF (433MHz). Fuente: articulo.mercadolibre.com.pe . . . 384.28. Diagrama de pines del CI 74HC595. Fuente:electrocirc.blogspot.com.co . 394.29. Circuitos electronicos internos CI 74HC595. Fuente: electrocirc.blogspot.com.co 394.30. Esquema electrico Buffer de tres estados. . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.31. Esquema electrico para los circuitos integrados 74LS125 y 74LS126.

Fuente: www.solecmexico.com . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.32. Esquema interno y terminales para el 74LS125 Fuente: pdf.datasheetcatalog.com 424.33. Caracterısticas Electricas para el CI 74LS125. Fuente:pdf.datasheetcatalog.com 434.34. Caracterısticas de conmutacion para el CI 74LS125. Fuente: pdf.datasheetcatalog.com 444.35. Diagrama de bloques interno para el microcontrolador 16F1933. Fuente:

ww1.microchip.com . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.36. Estandar mikroBUS. Fuente: www.mikroe.com[18] . . . . . . . . . . . . 474.37. Medidas fısicas MiKroBUS. Fuente: www.mikroe.com [18] . . . . . . . . 484.38. Tarjeta EasyVR 3. Fuente: www.veear.eu . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.39. Programacion bootloader EasyVR 3. Fuente: www.veear.eu . . . . . . . 524.40. Tecnologıa TTL. [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.41. Diagrama electrico interno de la compuerta NAND con tecnologıa CMOS.

Fuente: inewton10.blogspot.com.co . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.42. Niveles logicos de las familias TTL y CMOS. Fuente: inewton10.blogspot.com.co 534.43. Esquema de un interruptor analogico. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.44. Modelo(cuadripolo) para un interruptor analogico y sus respectiva grafi-

ca de operacion. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.45. Conductancia del canal en funcion de la tension VGS para los distintos

tipos de transistores FET. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.46. Diagrama de pines para el CD4066. [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.47. Diagrama electrico interno del CD4066. Fuente. www.ti.com . . . . . . . 584.48. Tabla de funcionamiento para el CD4066. Tomado de http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4066b.pdf.4.49. Dimensiones fısicas del CD4066. Fuente: www.ti.com . . . . . . . . . . . 594.50. Senal SDA y SCL. Tomado de http://i2c.info/i2c-bus-specification. . . . 604.51. Condicion de inicio y de parada para I2C. Fuente: i2c.info . . . . . . . . 604.52. Transferencia de datos I2C. Fuente: i2c.info/i2c-bus-specification. . . . . 614.53. Senal de reconocimiento(ACK) I2C. Fuente:i2c.info . . . . . . . . . . . . 614.54. Formato para la trama de comunicacion I2C. Fuente. i2c.info . . . . . . 624.55. Direcciones reservadas del estandar I2C. Fuente: i2c.info . . . . . . . . . 624.56. partes de la bombilla CFL. Fuente: www.asifunciona.com . . . . . . . . 644.57. Tubo Fluoresente de una lampara CFL. Fuente: www.asifunciona.com . 644.58. Diagrama electrico. Fuente: www.asifunciona.com . . . . . . . . . . . . . 664.59. Construccion interna y diagrama electrico para el Triac.[24] . . . . . . . 684.60. Curva de operacion de un Triac.[24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.61. Circuito de aplicacion basico para un Triac.[24] . . . . . . . . . . . . . . 694.62. Voltajes tanto en las terminales del TRIAC como en la carga para dos

angulos de disparo diferentes.[24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.1. Captura de pantalla (esquematico). Fuente: kicad-pcb.org/ . . . . . . . 72

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INDICE DE FIGURAS

5.2. Captura de pantalla (PCB Layout). Fuente: kicad-pcb.org/ . . . . . . . 735.3. Captura de pantalla (CCS). Fuente. electronica-basicaa.blogspot.com.co 75

6.1. Forma de onda de los datos recibida por el decodificador PT2272 parasu respectiva decodificacion. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.2. Formada de onda de los datos enviada transmisor de RF. Fuente: Autor 806.3. Forma de onda del oscilador para el decodificador con resistencias de os-

cilador 5.6Mohm y 2Mohm para los modulos codificador y decodificadorrespectivamente. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.4. Forma de onda del oscilador para el decodificador con resistencias de os-cilador 2Mohm y 620Kohm para los modulos codificador y decodificadorrespectivamente. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.5. Forma de onda del oscilador para el decodificador con resistencias deoscilador 620Kohm y 200Kohm para los modulos codificador y decodifi-cador respectivamente. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.6. Modulo Wi-Fly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.7. Plug de interconexion entre modulos. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . 856.8. Antena tipo helicoidal. Tomado de http://www.naylampmechatronics.com 866.9. Selector de frecuecias para el PT2264. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . 876.10. Selector de frecuecias para el PT2272. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . 886.11. Circuito de conmutacion para la etapa de transmsion. Fuente: Autor . . 906.12. Circuito de conmutacion para la etapa de recepcion . Fuente: Autor . . 906.13. Registros de desplazamiento, selector de frecuencias y buffer de tres es-

tados para el PT2264. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926.14. Registros de desplazamiento, selector de frecuencias y buffer de tres es-

tados para el PT2272. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926.15. PIC 16F1933. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.16. Conexiones de los modulos de transmision/recepcion 433MHz. Fuente:

Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.17. Aplicacion extra (usos futuros). Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . 946.18. Terminales para conectar otros modulos. Fuente: Autor . . . . . . . . . 946.19. Diagrama de bloques para el modulo AS-Fly. Fuente: Autor . . . . . . . 956.20. Microcontrolador del modulo AS-Fly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . 966.21. Diagrama esquematico para el display y teclado de configuracion. Fuente:

Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.22. Tarjeta SFly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986.23. Modulo AFly). Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016.24. Modulo PowerFly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.25. Red Power Management. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.26. Trama de comunicacion para el protocolo ADN. Fuente: Autor . . . . . 1056.27. Proceso de comunicacion para dos modulos WiFly. Fuente: Autor . . . . 1066.28. Comunicacion fallida. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.29. Diagrama de flujo de funcionamiento para WiFly. Fuente: Autor . . . . 1076.30. Diagrama de flujo para la inicializacion de WiFly . Fuente: Autor . . . . 108

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INDICE DE FIGURAS

6.31. Diagrama de flujo para la inicializacion de WiFly . Fuente: Autor . . . . 1086.32. Determinacion de cuantos dispositivos y de que tipo estan conectados a

WiFly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.33. Lectura y guardado de informacion de los dispositivos conectados a

WiFly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.34. Lectura y guardado de informacion de los dispositivos conectados a

WiFly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.35. Escritura mediante Bus I2C a todos los dispositivos conectados. Fuente:

Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.36. Trama de comunicacion I2C. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.37. Lectura de dispositivos virtuales. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . 1146.38. Enviar inalambricamente datos si se requiere. Fuente: Autor . . . . . . . 1156.39. Diagrama de flujo de funcionamiento para SFly. Fuente: Autor . . . . . 1166.40. Inicializacion de SFly. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.41. Comportamiento de SFly frente a cambios del sensor. Fuente: Autor . . 1176.42. Diagrama de flujo de funcionamiento para SFly. Fuente: Autor . . . . . 1186.43. Espera del primer ACK. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.44. Espera del segundo ACK. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.45. Funcionamiento del modulo AFly en las interrupciones I2C. Fuente: Autor1216.46. Diagrama de flujo para el modulo AFly (secuencia general). Fuente: Autor1226.47. Comunicacion entre EasyVR 3 y el host micro-controlador. Fuente: Autor1246.48. Comando de reproduccion de sonidos. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . 1246.49. Comando de reconocimiento de voz. Fuente: Autor . . . . . . . . . . . . 1256.50. Caracteres con los que se comunica la tarjeta EasyVR 3. Fuente: Autor 1256.51. Diagrama de bloques para el bloque 1 (sensor EasyVr 3). Fuente: Autor 1266.52. Diagrama de bloques para el bloque 2 (actuador bombilla CFL). Fuente:

Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.53. Diagrama del funcionamiento del sistema domotico implementado. Fuen-

te: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.1. PCB Wi-Fly(Cara superior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . 1307.2. PCB Wi-Fly(Cara inferior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . 1307.3. Logo mikroBUS. Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.4. Logo FireFly. Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.5. Posicion de los componentes para la capa inferior. Fuente:Autor . . . . . 1327.6. Posicion de los componentes para la capa superior. Fuente:Autor . . . . 1327.7. Diseno 3D WiFly(capa superior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . 1337.8. Diseno 3D WiFly(capa inferior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . . 1337.9. Diseno 3D AS-Fly(capa superior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . 1347.10. Diseno 3D AS-Fly(capa inferior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . . 1347.11. Diseno PCB AS-Fly(capa superior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . 1357.12. Diseno PCB AS-Fly(capa inferior). Fuente:Autor . . . . . . . . . . . . . 1357.13. Posicion componentes AS-Fly(capa superior). Fuente:Autor . . . . . . . 1367.14. Posicion componentes AS-Fly(capa inferior). Fuente:Autor . . . . . . . . 136

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INDICE DE FIGURAS

8.1. Consumo para cada uno de los componentes del sistema domotico. Fuen-te: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

8.2. RAM y ROM consumida por el microcontrolador PIC16F1933. Fuen-te:Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

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Indice de cuadros

4.1. Caracterısticas de redes inalambricas de corto alcance. . . . . . . . . . . 164.2. Tecnicas de modulacion mas importantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.3. Valores de resistencia recomendados por el fabricante (PT2264/PT2294). 314.4. Tabla logica para el buffer de tres estados. . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.5. Tabla logica para el buffer de tres estados. . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.6. Ventajas y desventajas de las familias logicas. . . . . . . . . . . . . . . . 544.7. Caracterısticas electricas para el CD4066. . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.8. Valores recomendados de operacion para el CD4066. . . . . . . . . . . . 584.9. Caracterısticas electricas de una bombilla CFL. . . . . . . . . . . . . . . 63

6.1. Pruebas de funcionamiento para los dispositivos de transmision y recepcion. 796.2. Direcciones en cada una de las parejas PT2264/72 para el ejemplo. . . . 876.3. Resistencia de oscilador implementada y su frecuencia de oscilacion para

los CI PT2264/PT2272. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

xiii

Capıtulo 1

Introduccion

1.1. Presentacion

1.2. Planteamiento del problema

Cada nucleo en el hogar tiene diferentes necesidades en su casa como son la seguri-dad, accesibilidad, iluminacion, confort y comunicaciones. En consecuencia, los siste-mas domoticos son disenados e implementados para suplir estas necesidades, siempremanejando de forma eficaz el consumo de energıa. Sin embargo, los sistemas actualesno tienen la capacidad de adaptarse a nuevas tecnologıas, es decir, estos sistemas noson flexibles a la incorporacion de nuevos servicios. Ademas, uno de los inconvenientesmas grandes dentro de los fabricantes de sistemas domoticos consiste en la incompa-tibilidad de protocolos o dispositivos entre marcas. Esto provoca a largo plazo que elusuario deba quedarse en una marca particular, limitando las posibilidades que se lepuede ofrecer al usuario[1]. Adicionalmente, el costo de sistemas de automatizacion enel hogar es elevado, lo que reduce el mercado de usuarios potenciales que deseen elproducto.Una de las problematicas actuales consiste en la instalacion de estos sistemas en los ho-gares, esto se debe a que tanto el dispositivo central como los perifericos(aplicaciones),funcionan alambricamente, haciendo dispendioso, poco estetico y costoso la implemen-tacion del sistema.Es por esto que se quiere implementar un sistema domotico Inalambrico, que sea defacil instalacion, modular y, de facil manipulacion por parte del usuario. Tambien debeser portable, es decir, que se tenga la posibilidad de instalar el mismo sistema en unlugares diferentes, cumpliendo con los mismos requerimientos que contemple el usua-rio. Todo esto a un costo economico, para que mas usuarios puedan tene r acceso alproducto y con desempeno de calidad.

1

1. INTRODUCCION

1.3. Justificacion

Con el nacimiento del mercado de los sistemas domoticos se han establecido diferentesempresas que brindan los siguientes servicios: ahorro energetico, accesibilidad, segu-ridad, confort, comunicaciones, entre otras[2]. Actualmente el constante avance de latecnologıa, impulsado por la sociedad de consumo y la globalizacion, ha permitido eldesarrollo de sistemas que faciliten las tareas de seguridad y de confort dentro del hogar,una empresa o simplemente una ubicacion particular. Adicionalmente , la inseguridadcon la que se vive actualmente motiva a que se implementen cada vez mas sistemasque permitan por ejemplo la garantıa de la seguridad a los bienes que constituye lavivienda.Los sistemas domoticos que actualmente se encuentran en el mercado, no tienen lacapacidad de ser ampliados hacia nuevas aplicaciones, lo que limita el atractivo delproducto hacia un usuario que requiera un sistema domotico robusto en el cual se ne-cesiten distintos tipos de aplicaciones, como pueden ser sensorica, aplicaciones moviles,red cerrada de monitoreo, entre otras. Tambien, algunos sistemas domoticos en el mer-cado, resultan ser limitados debido a que poseen un alcance de comunicacion corto y nocuentan necesariamente con un sistema de seguridad propio que lo proteja de hackeoo manipulacion malintencionada. Adicionalmente, estos sistemas no ofrecen grandesgarantıas y si grandes costos. Es por ello que se pretende disenar e implementar unsistema domotico modular que permita monitoreo de diferentes sensores/actuadores,permitiendo la expansion hacia nuevas aplicaciones. Ademas, el producto debe ser ac-cesible a todo usuario, con consumo de energıa eficiente, de facıl instalacion y amigablecon el medio ambiente.

2

Capıtulo 2

Objetivos

2.1. Objetivo General

Disenar e implementar un sistema domotico de bajo costo de implementacion y bajoconsumo de energıa, que interconecte una amplia variedad de aplicaciones domoticasindependientes a partir de sensores y actuadores distribuidos alambrica e inalambrica-mente.

2.2. Objetivos Especıficos

Disenar e implementar un dispositivo que reciba, envıe, codifique, decodifique yencripte datos alambricamente e inalambricamente; compartiendo el espectro condiferentes canales de comunicacion en la banda ISM(UHF).

Disenar e implementar un dispositivo que permita conectar una amplia variedadde sensores/actuadores/fuentes, respondiendo a sus cambios de estado y notifi-cando dichos cambios alambricamente.

Disenar e implementar un sistema de fuentes de alimentacion que administre elsuministro electrico de los modulos conectados.

Disenar un protocolo de comunicacion, que garantice el enlace de los dispositivosalambricos e inalambricos por medio de datos, frecuencia y direcciones.

Disenar e implementar a partir de un sensor y un actuador una aplicacion domoti-ca para el sistema implementado.

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Capıtulo 3

Estado del arte

3.1. X10

X10 es un protocolo de comunicaciones para el control remoto de dispositivos electri-cos que utiliza la lınea electrica (220V o 110V) preexistente para transmitir senalesde control entre equipos de automatizacion del hogar (domotica) en formato digital[1].Los dispositivos X10 que se comercializan son solo para uso individual y en entornosdomesticos de hasta 250m2, dada su limitacion en ancho de banda y en el numeromaximo de dispositivos a controlar (256). No obstante existen elementos de ultimageneracion que incorporan, entre otros, los protocolos X-10 extendidos, para dar fun-cionalidad a soluciones de comunicacion como la bidireccionalidad, solicitud de estadosy comprobacion de la correcta transmision de las tramas.Las senales de control de X10 se basan en la transmision de rafagas de pulsos de RF(120 kHz) que representan informacion digital. Estos pulsos se sincronizan en el crucepor cero de la senal de red (50 Hz o 60 Hz). Con la presencia de un pulso en un semi-ciclo y la ausencia del mismo en el semiciclo siguiente se representa un ’1’ logico y ala inversa se representa un ’0’. A su vez, cada orden se transmite 2 veces, con lo cualtoda la informacion transmitida tiene cuadruple redundancia. Cada orden involucra 11ciclos de red (220 ms para 50 Hz y 183,33, para 60Hz).

3.1.1. Caracterısticas relevantes del sistema X10.

Sistema de control domotico descentralizado, cualquier dispositivo puede tantoemitir como recibir informacion.

X10 permite controlar hasta 256 dispositivos dentro de una misma instalacion.

Reducido ancho de banda (Frecuencia de operacion = 120KHz).

Reconfigurable.

Utiliza la linea electrica para transmitir energıa e informacion.

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3. ESTADO DEL ARTE

3.2. El Estandar EIB [1]

3.2.1. Caracterısticas del Estandar EIB.

Si se produce una modificacion en la utilizacion del edificio o una ampliacion, nose precisa modificar el cableado, ya que todos los elementos estan conectados auna unica linea de bus.

Todos los sistemas estan comunicados entre sı.

Posee Software de instalacion. Esto reduce considerablemente la cantidad de con-ductores necesarios para el funcionamiento del sistema.

Ampliable.

La informacion que circula por el bus, como por ejemplo las ordenes de conmu-tacion, es intercambiada entre los componentes del bus en forma de datagramas.

La transmision de la informacion es asıncrona con una tasa de 9600bits/s, siendoel tiempo de transmision de cada datagrama de 25ms.

3.3. LONWORKS [1]

3.3.1. Caracterısticas relevantes de LONWORKS.

Sistema de control descentralizado, protocolo LonTalk, extremo a extremo.

Basado en un microcontrolador especial llamado Neuron Chip.

Sistema abierto a cualquier fabricante.

Orientado a la gestion de medianas y grandes instalaciones.

Modular y ampliable.

LonTalk controla la compatibilidad de productos y servicios.

La comunicacion se realiza mediante par trenzado y tiene tasa de transmision dehasta 1.25Mbps.

3.4. SIMON [1]

3.4.1. Caracterısticas relevantes de SIMON.

Sistema de control centralizado.

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3.5 Ambito nacional

Facil programacion.

Dispositivos inalambricos.

No requiere de herramientas de programacion complejas.

Permite supervision desde internet.

LonTalk controla la compatibilidad de productos y servicios.

La comunicacion se realiza mediante par trenzado y tiene tasa de transmision dehasta 1.25Mbps.

3.5. Ambito nacional

En Colombia existen diferentes empresas dedicadas al negocio de la Domotica, las cualesofrecen diversos servicios, entre los que cabe destacar la automatizacion de hogares,edificios y sobre todo los sistemas de seguridad y de acceso a las instalaciones. Se diceque actualmente las casas inteligentes llegan a los estratos 3, donde se ofrecen precioscompetitivos y facilidades de pago. “El costo promedio de automatizar una vivienda conacceso con huella, control de iluminacion, sonido de teatro en casa, zona social y sistemade seguridad ronda el 5 por ciento del valor del inmueble. Si quiere implementar cortinasy mas zonas de la vivienda, o agregar pantallas tactiles, el costo puede ascender al 10por ciento”, comenta Hernan Castro, especialista de Technoimport. La gran ventaja esque la gran mayorıa de los sistemas son inalambricos y por eso se reduce mucho el costode la obra civil. Los estudios a nivel mundial corroboran que por cada dolar invertido enautomatizacion el inmueble se valoriza.” (La Domotica sigue ganando terreno, 2010).A continuacion se mencionaran algunas empresas que se dedican a esta actividad enColombia[3]:

Hometech el Hogar Digital SAS.

Ebingel.

C.A.S.A constructores.

Domoworld.

Cabe destacar que la mayorıa de las empresas que practican esta actividad, estanubicadas tanto en Medellın como en Bogota.

3.5.1. Proyectos Domoticos desarrollados en el ambito academico

3.5.1.1. Control de luces y persianas con el movimiento de la mano

Este producto es un sistema que permite el control de intensidad de luces y la aperturao cierre de persianas mediante la identificacion de gestos y movimientos capturados

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3. ESTADO DEL ARTE

a traves de una camara de video. Puede ser a traves del desplazamiento horizontal overtical de la mano e identificando el gesto de un puno cerrado. Incluye un sistema deadquisicion de video, una aplicacion en computador con un menu para la seleccion detareas, una unidad de control y los actuadores finales del sistema. A cargo de los estu-diantes Carlos Maldonado Y Manuel Felipe Rivero, Escuela Colombiana de Ingenierıa[3].

3.5.1.2. Estufa inteligente

El resultado de la optimizacion de una estufa electrica se llama ’Estuftronic’, un pro-yecto en el que la idea principal fue innovar mediante la aplicacion electronica digitaly de potencia, de tal manera que se puede programar cada fogon independientemente(por medio de un teclado digital) y graduar la temperatura segun la necesidad en bajo,medio o alto, ası como el tiempo estimado de coccion. A cargo de los estudiantes LorenaGuerrero y Daniel Hernandez, Escuela Colombiana de Ingenierıa[3].

3.5.1.3. Diseno de un Sisitema Domotico para el control de Iluminacion y

Monitoreo de Consumo Electrico

En este trabajo va dirigido a intervenir el consumo de energıa electrica en la ciudad deBucaramanga el cual para muchos de los usuarios corresponde a la iluminacion residen-cial. El desarrollo del sistema esta basado en una metodologıa centrada en el usuario,que enfocada en un desarrollo paralelo entre la interfaz grafica de usuario y el sistema decontrol mediante PLC entrega resultados solidos satisfaciendo los requerimientos masimportantes para el usuario y permitiendole integrar la domotica como una tecnologıa.El proyecto basicamente consiste en el diseno de un sistema domotico para el control deiluminacion y monitorizacion de consumo electrico, esto con el objetivo de supervisar elmismo de forma facil e integrada. Desarrollado por el estudiante Roger Alonso RomanJimenez[4].

3.5.1.4. Diseno de un prototipo para un sistema de control Domotico por

medio de Arduino y Processing.

En este trabajo de grado a cargo de se desarrolla un prototipo para el control domoticoa traves de Arduino y el software Processing. Hacen uso de la plataforma Android,que transmite los datos a ser procesados por el microcontrolador Arduino medianteBluetooth[5].

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3.6 Protocolos

3.5.2. Clasificacion de tecnologıas para redes domesticas actuales:

3.5.2.1. Interconexion de dispositivos:

IEEE 1394(firewire).

Bluetooth.

USB.

IrDA.

3.5.2.2. Redes de control y automatizacion:

KNX.

LonWorks.

X10, que no requiere de instalacion, ya que utiliza la red electrica de la residencia.

Zigbee.

Z-Wave.

Bus SCS.

3.6. Protocolos

inBus: es un protocolo de comunicacion que permite la comunicacion entre distin-tos modulos electronicos, no solo con funciones para la Domotica, sino de cualquiertipo.

X10: Protocolo de comunicaciones para el control remoto de dispositivos electri-cos, hace uso de los enchufes electricos, sin necesidad de realizar nuevas instala-ciones electricas. Puede funcionar correctamente para la mayorıa de los usuariosdomesticos. Es de codigo abierto y el mas difundido. Poco fiable en ambientesdonde hay niveles de ruido elevados.

KNX/EIB: Bus de instalacion Europeo con mas de 20 anos y mas de 100 fabri-cantes de productos compatibles entre sı.

ZigBee: Protocolo estandar, recogido en el IEEE 802.15.4, de comunicacion inalambri-ca.

OSGi: Open Services Gateway Iniative. Posee especificaciones de software abier-tas que permite disenar plataformas compatibles que puedan proporcionar multi-ples servicios. Ha sido pensada para su compatibilidad con Jini o UPnP.

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3. ESTADO DEL ARTE

LonWorks:Protocolo abierto estandar ISO 14908-3 para el control distribuido deedificios, viviendas, industria y transporte.

Modbus:: protocolo abierto que permite la comunicacion a traves de RS-485 o atraves de Ethernet (Modbus TCP). Es el protocolo libre que lleva mas anos en elmercado y que dispone de un mayor numero de fabricantes de dispositivos, lejos deactualizarse, los fabricantes siguen lanzando al mercado protocolo continuamente.

Busing: es una tecnologıa de Domotica distribuida, donde cada uno de los dispo-sitivos conectados tiene autonomıa propia, es util por sı mismo.

Insteon: Protocolo de comunicacion con topologıa de malla de banda doble atraves de corriente portadora y radio frecuencia.

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Capıtulo 4

Marco teorico

4.1. Conceptos basicos

4.1.1. Tasa de error de bit (BER)

Se utiliza para cuantificar un canal que transporta los datos contando el numero deerrores en una cadena de datos. Es una caracterıstica fundamental en las telecomuni-caciones, redes y sistemas de radio y television. Aunque existen algunas diferencias enla forma en que estos sistemas funcionan y la forma en que se ve afectada la tasa deerror de bit, los fundamentos de la misma permanecen constantes[6].Cuando los datos se transmiten a traves de un enlace de datos, hay una posibilidad deerrores que se introduce en el sistema. Si los errores se introducen en los datos, enton-ces la integridad del sistema puede verse comprometida. Como resultado, es necesarioevaluar el rendimiento del sistema y, la tasa de error de bit, ofrece un metodo eficaz.La tasa de error de bit es igual al numero de errores de bit divido por el numero totalde bits enviado.

BER =bitserroneos

Cantidaddebitsenviados

Las principales causas de la degradacion de un canal de datos y la tasa de error de bitcorrespondiente, es el ruido y los cambios en la trayectoria (multi-trayectoria), dondese utilizan rutas de senal de radio. Ambos fenomenos tienen como caracterıstica comunla naturaleza de su comportamiento, siendo este aleatorio. Las principales causas dela degradacion de un canal de datos y la tasa de error de bit correspondiente, es elruido y los cambios en la trayectoria (multi-trayectoria), donde se utilizan rutas desenal de radio. Ambos fenomenos tienen como caracterıstica comun la naturaleza de sucomportamiento, siendo esta aleatoria.Para los sistemas de fibra optica, la tasa de error de bit se genera principalmente por losdefectos presentes en los componentes utilizados para realizar un enlace. Estos incluyenel conductor optico, receptor, conectores y la propia fibra optica. Adicionalmente, se

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4. MARCO TEORICO

pueden presentar errores causados por la dispersion optica y la atenuacion que puedeestar presente en cualquier instalacion. Por ultimo, otro factor que puede contribuir alaumento de la tasa de error de bit es la fluctuacion de fase que pueda estar presente enel sistema, ya que esto altera el muestreo de datos.

4.1.2. Latencia

En redes de datos se denomina latencia a la suma de retardos temporales dentro deuna red. Un retardo es producido por la demora en la propagacion y transmision depaquetes dentro de la red. Otros factores que influyen en la latencia de una red son:

El tamano de los paquetes transmitidos.

El tamano de los buffers dentro de los equipos de conectividad.

La latencia esta presente en tecnologıas de uso musical, como los transformadores deaudio digital a vinilos analogicos. El traspaso de informacion de un mecanismo a otrosufrira siempre este retardo, que normalmente esta estimado en milisegundos (1/1000s), en algunos casos, pequeno y en otros mas notorio. La latencia en el contexto delaudio digital esta directamente relacionada con la tarjeta de audio, esto se debe a quedicha tarjeta no es compatible con ASIO. Un punto muy importante es que siempreva a estar presente cierta latencia, aun cuando se hable de latencia cero. Esto se debea que este valor de latencia es imperceptible (3ms aproximadamente). En general, serefiere al tiempo que dura en llegar una accion desde su punto de inicio hasta su “puntode fuga”, es decir, cuando la accion se consuma.

4.1.3. Potencia

La potencia de una senal se define como la cantidad de trabajo que puede realizar(energıa) por unidad de tiempo.

La unidad de potencia es el watt.

En unidades electricas, la potencia promedio que disipa a traves de una resistencia’R’ se define como:

P =V 2

R= I2R (4.1)

Donde ‘V’ es el voltaje promedio, e ‘I’ es la corriente promedio de la senal electrica.

La potencia de una senal definira, entre otros factores, el alcance de la misma.

La potencia normalizada promedio es el valor promedio del cuadrado de la senal.

12

4.1 Conceptos basicos

4.1.4. Decibel

El decibel (dB) es una medida logarıtmica del cociente de dos potencias, la gananciaen decibeles de un circuito electrico esta dada por:

GdB = 10logPout

Pin

4.1.5. Domotica

Domotica es el conjunto de tecnologıas aplicadas al control y la automatizacion inteli-gente de la vivienda, que permite una gestion eficiente del uso de la energıa; que aportaseguridad, confort y la comunicacion entre el usuario y el sistema[7].Un sistema domotico es capaz de recoger informacion conveniente a traves de senso-res o entradas, procesarla y emitir ordenes a actuadores o salidas. El sistema puedeacceder a redes exteriores de comunicacion o informacion. La Domotica permite darrespuesta a los requerimientos que plantean las nuevas tendencias de nuestra forma devida, facilitando el diseno de casas y hogares mas humanos, personales, polifuncionalesy flexibles.La red de control del sistema domotico se integra con la red de energıa electrica y secoordina con el resto de redes con las que se tenga relacion: telefonıa, television, y tecno-logıas de la informacion. Las distintas redes coexisten en la instalacion de una viviendao edificio. La instalacion interior electrica y la red de control del sistema domotico estanreguladas por el Reglamento Electrotecnico para Baja Tension (REBT). En particular,la red de control del sistema domotico esta regulada por la instruccion ITC-BT-51:Instalaciones de sistemas de automatizacion, gestion tecnica de la energıa y seguridadpara viviendas y edificios.

4.1.6. ¿Que aporta la Domotica?

Ahorro energetico: gestiona eficientemente la iluminacion, climatizacion, aguacaliente sanitaria, el riego, los electrodomesticos, etc. De esta manera se apro-vechan de la mejor manera posible los recursos naturales, utilizando las tarifashorarias de menor coste.

Accesibilidad: Facilita el manejo de los dispositivos electronicos del hogar a laspersonas con discapacidades de la manera que mas se ajuste a sus necesidades,ademas de ofrecer servicios de teleasistencia para aquellos que lo requieran.

Seguridad: Aporta seguridad mediante la vigilancia automatica de personas,animales y bienes, ası como de incidencias y averıas. Mediante controles de intru-sion, cierre automatico de todas las aberturas, simulacion dinamica de presencia,fachadas dinamicas, camaras de vigilancia, alarmas personales, y a traves de alar-

13

4. MARCO TEORICO

Figura 4.1: Aplicacion vıa tablet de un sistema domotico. Fuente: tudomotica.com

mas tecnicas que permiten detectar incendios, fugas de gas, inundaciones de agua,fallos del suministro electrico, etcetera.

Confort: La implementacion del sistema domotico en el hogar permite abrir,cerrar, apagar, encender , regular los electrodomesticos, la climatizacion, ventila-cion, iluminacion natural y artificial, dependiendo de las necesidades del usuario.

Comunicaciones: Control y supervision remoto de la vivienda a traves de sutelefono o PC personal, que permite la recepcion de anomalıas e informacionparticular del funcionamiento de equipos e instalaciones. Dentro de las ventajasde los sistemas domoticos encontramos la transmision de voz y datos, incluyen-do textos, imagenes, audio (multimedia) con redes locales (LAN); compartiendoacceso a internet.

No obstante, antes de incorporar un sistema domotico y decidir que incluir y como,es necesario valorar la funcionalidad, facilidad de uso, fiabilidad, calidad, estetica y lasposibilidades de ampliacion o modificaciones de la aplicaciones. Se debe prestar especialatencion a los servicios de postventa que le ofrece el proveedor, los cuales deben incluirtelefono de atencion al usuario y garantıas de instalacion/ejecucion de obra, hasta lacontratacion de un servicio de mantenimiento una vez finalizada la garantıa local. Lasinstalaciones domoticas son de baja tension y deben ser siempre realizadas por empresasespecializadas en instalaciones de este tipo. Un sistema domotico se puede dividir en 3tipos:

Centralizados: En ellos la unidad central se encarga de controlar todos los equi-pos.

14

4.1 Conceptos basicos

Figura 4.2: Sistema domotico. Fuente: CASADOMO.com

Descentralizado: Tambien llamados sistemas de arquitectura distribuida. Secaracterizan por tener sistemas de control independiente en cada uno de los ele-mentos del sistema.

Mixto:En este caso hay varios elementos de control que transmiten informacional resto, siendo subcentrales para el sistema.

4.1.7. Redes Inalambricas de datos

Una red inalambrica es, como su nombre lo indica, una red en la que dos o mas ter-minales (por ejemplo, ordenadores portatiles, agendas electronicas, etc.) se pueden co-municar sin la necesidad de una conexion por cable. Con las redes inalambricas, unusuario puede mantenerse conectado cuando se desplaza dentro de una determinadaarea geografica. Por esta razon, a veces se utiliza el termino ”movilidadcuando se trataeste tema.Las redes inalambricas se basan en un enlace que utiliza ondas electromagnetica (radioe infrarrojo) en lugar de cableado estandar. Hay muchas tecnologıas diferentes que sediferencian por la frecuencia de transmision que utilizan, y el alcance y la velocidadde sus transmisiones. Las redes inalambricas permiten que los dispositivos remotos seconecten sin dificultad, ya se encuentren a unos metros de distancia como a varioskilometros. Asimismo, la instalacion de estas redes no requiere de ningun cambio sig-nificativo en la infraestructura existente como pasa con las redes cableadas. Tampocohay necesidad de agujerear las paredes para pasar cables ni de instalar portacables oconectores. Esto ha hecho que el uso de esta tecnologıa se extienda con rapidez [8].

15

4. MARCO TEORICO

Tipo de red Frecuencia Potencia Alcance Velocidad Ventajas Desventajas

Bluetooth 2,4GHz 1mW 10m 721Kbps Amplio uso

en aplicacio-

nes actua-

les,seguridad

integrada,

fiabilidad y

facilidad de

uso.

Consumo de

energıa, ve-

locidad de

transmision

lenta, corto

alcance.

ZIGBEE 2,4GHz 1mW 10− 75m 250Kbps Bajo consumo

de energıa,

soporte pa-

ra varias

topologıas,

enfocado a

aplicaciones

domoticas.

Tasa de trans-

ferencia muy

baja, incom-

patible con

Bluetooth,

corto alcance.

Wi-Fi 2,4GHz 100mW 30m 300Mbps Acceso en

multiples

dispositivos

sin gastos

gastos en in-

fraestructura,

portabilidad,

mayor alcance

en compa-

racion otras

tecnologıas.

Fallas de cone-

xion, facilidad

de hackeo, alto

consumo de

energıa, no

es compati-

ble con otras

tecnologıas

inalambricas.

Cuadro 4.1: Caracterısticas de redes inalambricas de corto alcance.

16

4.2 Fundamentos

4.1.8. Modulacion

Consiste en el conjunto de tecnicas que se usan para transportar informacion sobre unaonda portadora, tıpicamente una onda sinusoidal. Estas tecnicas permiten un mejoraprovechamiento del canal de comunicacion lo que posibilita transmitir mas informacionde forma simultanea ademas de mejorar la inmunidad al ruido e interferencia[9]. Deacuerdo a la American National Standard for Telecommunications, la modulacion es elproceso, o el resultado del proceso de variar una caracterıstica de una onda portadorade acuerdo con una senal que transporta informacion. El proposito de la modulaciones sobre poner senales en las ondas portadoras. Basicamente, la modulacion consisteen hacer que un parametro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con lasvariaciones de la senal moduladora, que es la informacion que queremos transmitir.

4.1.9. Senal portadora

Una senal que se le denomina portadora es una onda electrica que puede ser modificadaen alguno de sus parametros por la senal de informacion (sonido, imagen o datos) paraobtener una senal moduladora y que se transporta por un canal de comunicaciones [10].El uso de una portadora tambien soluciona muchos otros problemas de circuito, antena,propagacion y ruido. Por ello, una antena practica debe tener un tamano aproximadoal de la longitud de la onda electromagnetica de la senal que se va a transmitir. Si lasondas de sonido se difundieran directamente en forma de senales electromagneticas, laantena tendrıa que tener mas de un kilometro de altura. Usando frecuencias mucho masaltas para la portadora, el tamano de la antena se reduce significativamente porque lasfrecuencias mas altas tienen longitudes de onda mas cortas.

4.2. Fundamentos

4.2.1. Modulacion

Modulacion. Consiste en variar determinado aspecto de una senal denominada por-tadora con respecto a una segunda senal denominada senal moduladora, generandofinalmente una “senal u onda modulada”. En el proceso de modulacion, la senal dealta frecuencia (portadora) quedara modificada en alguno de sus parametros como suamplitud, frecuencia, fase, etc. de manera proporcional a la amplitud de la senal debaja frecuencia o moduladora.Dentro de las ventajas de utilizar modulacion en la transmision de informacion tenemos:

Evita interferencia entre canales, si todos lo que se transmite se hace a la frecuen-cia de la senal original o moduladora, no sera posible reconocer la informacioncontenida en dicha senal, debido a la interferencia que se crearıa entre las senalestransmitidas por cada usuario.

17

4. MARCO TEORICO

Figura 4.3: Modulacion ASK. Fuente: www.udb.edu.sv

Los sistemas de transmision son mucho mas eficientes y economicos cuando fun-cionan a alta frecuencia.

Se aprovecha mejor el espectro electromagnetico, ya que permite la multiplexacionpor frecuencias.

Disminuye dimensiones de antenas. En caso de transmision inalambrica, las an-tenas tienen medidas razonables.

Protege a la informacion de las degradaciones por ruido.

4.2.1.1. ASK (Modulacion por desplazamiento de amplitud)

En esta forma de modulacion la portadora toma dos valores de amplitud, determinadosdirectamente por la senal de datos binaria. Normalmente el modulador transmite laportadora cuando el bit de datos es “1” y la suprime completamente cuando el bites “0”. Existen tambien formas de modulacion ASK denominadas “multinivel”, en lascuales la amplitud de la senal modulada toma mas de dos valores [11] . La tecnica ASKtambien es usada comunmente para transmitir datos digitales sobre la fibra optica.Para los transmisores LED, el valor binario 1 es representado por un pulso corto de luzy el valor binario 0 por la ausencia de luz. Los transmisores de laser normalmente tienenuna corriente ”de tendencia”fija; esto hace que el dispositivo emita un nivel bajo deluz. Este nivel bajo representa el valor 0, mientras una onda luminosa de amplitud masalta representa el valor binario 1[12]. La demodulacion puede ser de tipo coherente o nocoherente; para el primer caso, mas complejo circuitalmente pero mas eficaz contra losefectos del ruido, un demodulador de producto multiplica la senal ASK por la portadoraregenerada localmente; mientras que en el segundo caso, la envolvente de la senal ASKse detecta a traves del diodo. En ambos casos el detector sigue un filtro paso bajoque elimina las componentes residuales de la portadora y un circuito de umbral queconforma la senal de los datos. Entre las principales caracterısticas de la modulacion

18

4.2 Fundamentos

Modulacion Parametro Caracterısticas

AM Modulacion de ampli-

tud.

Se varıa la amplitud de la

senal transmitida en funcion

de los datos que la componen.

Los medios receptores son ba-

ratos, al recibir informacion es

difıcil eliminar interferencias.

FM la senal portadora de tal

manera que su frecuen-

cia aumenta o disminu-

ye dependiendo del va-

lor binario que transmi-

ta.

Permite transmision de ima-

genes, llevando de forma mas

detallada de la informacion.

Mejor relacion S/N en compa-

racion con AM. Inmunidad a

las interferencias.

ASK Modulacion por despla-

zamiento de amplitud.

La frecuencia como la fa-

se permanecen constantes, la

amplitud pico de la senal du-

rante cada bit es constante y

su valor depende del bit (0 o

1), alta sensibilidad al ruido.

FSK Modificacion de fre-

cuencia de la senal

portadora.

Buena inmunidad al ruido,

ideal en transmisiones de ba-

ja velocidad, ancho banda ma-

yor respecto a otras modula-

ciones.

PSK Modificacion de fase de

la senal portadora.

Tanto la amplitud como la fre-

cuencia permanecen constan-

tes, no es suceptible a la de-

gradacion por ruido, transmi-

sores de bajo costo.

Cuadro 4.2: Tecnicas de modulacion mas importantes.

19

4. MARCO TEORICO

Figura 4.4: Demodulacion ASK. Fuente: www.udb.edu.sv

ASK tenemos:

Requiere circuitos poco complejos.

Muy sensibles a las interferencias (probabilidad de error elevada).

Siendo Fb la velocidad de transmision de los bits, el espectro mınimo Bw demodulada resulta mayor que Fb.

La eficiencia de transmision, definida como la relacion entre Fb y Bw resultamenor que 1.

El baudio, definido como la velocidad de modulacion o de sımbolo, es igual a lavelocidad de transmision Fb.

4.2.1.2. Modulador ASK

La portadora senoidal (1200 Hz o 1800 Hz) se aplica a una entrada del moduladorbalanceado 1, mientras que a la otra entrada se le aplica la senal de datos (I). El circuitorealiza la funcion de modulador balanceado y multiplica las dos senales aplicadas enlas entradas; sin embargo, desbalanceado el circuito con el desviador SW6 (en posicionASK/FSK), este funciona como modulador de amplitud de 6 dB reduce la amplitudde la senal y se activa solo con la senal QAM. Para bloquear el funcionamiento delmodulador balanceado 2 en modo ASK, la entrada de datos del mismo modulador 2debe posicionarse en ASK (J3 = d).

20

4.2 Fundamentos

Figura 4.5: Modulador ASK. Fuente: www.udb.edu.sv

Figura 4.6: Demodulador ASK. Fuente: www.udb.edu.sv

4.2.1.3. Demodulacion ASK

Un detector de envolvente de onda completa (ASK DEM).

Un filtro pasa bajo.

Un circuito de umbral (con salida en TP29), en caso de datos asıncronos querealiza de nuevo la temporizacion.

Un circuito de extraccion de reloj y temporizacion de los datos, en caso de datossıncronos (salida de datos TP31, reloj en TP32).

El filtro, el circuito de extraccion del reloj y el de temporizacion de los datos se utilizapara modular tambien otros tipos de senales.

21

4. MARCO TEORICO

4.2.2. Modelo de referencia OSI

Este modelo esta basado en una propuesta desarrollada por la ISO (Organizacion In-ternacional de Estandares) como un primer paso hacia la estandarizacion internacionalde los protocolos utilizados en varias capas ( Day y Zimmermann,1983)[13]. El modelose llama OSI (Interconexion de Sistemas Abiertos) de ISO porque trata de la conexionde sistemas abiertos, es decir, sistemas que estan abiertos a la comunicacion con otrossistemas. Para abreviar , lo llamaremos modelo OSI.El modelo OSI tiene siete capas. Podemos resumir brevemente los principios que seaplicaron para llegar a dichas capas:

Una capa se debe crear donde se necesite una abstraccion diferente.

Cada capa debe realizar una funcion bien definida.

La funcion de cada capa se debe elegir con la intencion de definir protocolosestandarizados internacionalmente.

Los limites de las capas se deben elegir a fin de minimizar el flujo de informaciona traves de las interfaces.

La cantidad de capas debe ser suficientemente grande para no tener que agruparfunciones distintas en la misma capa y lo bastante pequena para que la arquitec-tura no se vuelve inmanejable.

4.2.2.1. Capa Fısica

En esta capa se lleva a cabo la transmision de bits puros a traves de un canal decomunicacion. Los aspectos del diseno implican asegurarse de que cuando un transmisorenvıa un bit de estado logico ”1.este se reciba en el receptor como tal, no como bit0. Basicamente en la capa fısica los aspectos de diseno tienen que ver con interfacesmecanicas, electricas y de temporizacion, ası como el medio fısico de transmision.

4.2.2.2. Capa de enlace de datos

La tarea principal de esta capa es transformar un medio de transmision puro en unalınea de comunicacion que, al llegar a la capa de red, aparezca libre de errores detransmision. Logra esta tarea haciendo que el emisor fragmente los datos entrada entramas de datos (tıpicamente, de algunos cientos o miles de bytes) y transmitiendolas tramas de manera secuencial. Si el servicio es confiable, el receptor confirma larecepcion y correccion correcta de cada trama devolviendo una trama de confirmacionde recepcion. Otra cuestion que surge en la capa de enlace de datos ( y en la mayorıade las capas superiores) es como hacer que un transmisor rapido no sature de datos aun receptor lento. Por lo general se necesita un mecanismo de regulacion de trafico que

22

4.2 Fundamentos

Figura 4.7: Modelo OSI. Andrew Tanembaum. (2003) Redes de Computadores. Amster-

dam. Pearson Education.

Figura 4.8: Capa fısica. Fuente: www.valortop.com.

23

4. MARCO TEORICO

indique al transmisor cuanto espacio de Buffer tiene el receptor en ese momento. Confrecuencia, esta regulacion de flujo y el manejo de errores estan integrados. Las redesde difusion tienen un aspecto adicional en la capa de enlace de datos: como controlarel acceso al canal compartido. Una subcapa especial de la capa de enlace de datos, lasubcapa de control de acceso al medio (MAC), se encarga de este problema.

4.2.3. Sensores y actuadores

Un sensor es un dispositivo disenado para recibir informacion de una magnitud fısica delentrono y transformarla en otra magnitud, normalmente electrica, la cual sera mas facilde cuantificar y manipular. Dicho de otro modo, los sensores son como los “sentidos”de nuestra casa, a traves de ellos podemos percibir si esta frio o caliente la vivienda oel inmueble que se desea intervenir y actuar en consecuencia.

Sensor de posicion: Su funcion es medir o detectar la posicion de un determi-nado objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientessensores.

Sensores fotoelectricos: La construccion de este tipo de sensores se encuentrabasada en el empleo de una fuente de senal luminosa (lamparas, diodos LED,diodos laser etc.) y una celula receptora de dicha senal, como pueden ser fotodio-dos, fototransistores o LDR. Este tipo de sensores basa su funcionamiento en ladeteccion de emision de luz por alguna fuente particular.

Sensores de barrera: Estos detectan la existencia de un objeto, porque interfierela recepcion de la senal luminosa.

Sensores por reflexion: La senal luminosa es reflejada por el objeto y, estareflexion es captada por el sensor fotoelectrico, lo que indica al sistema la presenciade un objeto.

Sensor de contacto: Estos dispositivos, son los mas simples, ya que son inte-rruptores que se activan o desactivan si se encuentra en contacto con un objeto,por lo que de esta manera reconoce la presencia de un objeto en un determinadolugar.

Sensores de temperatura: Los sensores de temperatura son dispositivos quetransforman los cambios de temperatura en cambios electricos, que pueden ser devoltaje o corriente. El sensor de temperatura tıpicamente suele estar formado porun transductor y un material conductor que permita transmitir rapidamente loscambios de temperatura entre el elemento sensor y el cable al que va conectadoel circuito electronico para el procesamiento de la senal.

Sensor de presencia (PIR): El sensor de presencia pasivo infrarrojo (PIR)reacciona solo ante determinadas fuentes de radiacion de energıa tales como elcuerpo humano. Estos captan la presencia detectando la diferencia entre el calor

24

4.2 Fundamentos

Figura 4.9: Sensor de barrera. Fuente: www.editores-srl.com.ar.

emitido por el cuerpo humano y el espacio alrededor. Cuando un sensor de pre-sencia se activa (“una persona pasa cerca de su radio de deteccion”), se cierra elcircuito y envıa una senal al sistema domotico que este instalado.

Sensor magnetico perimetral: Este sensor varıa su campo magnetico en fun-cion de si cierra o se abre un circuito perimetral. Estas variaciones son medidaspor el sensor y cuando los contactos magneticos se alejan o se acercan lo sufi-ciente el sensor envıa una senal al circuito al que esta conectado. Dentro de lasconsideraciones de instalacion se debe prever con antelacion la colocacion de estetipo de sensores en puertas y/o ventanas (preinstalacion), porque la instalacionde este tipo de sensores es sencilla.

Sensor de humo: El sensor de humo es un dispositivo que detecta la presencia dehumo en el aire, emite una senal que podemos llevar al modulo de control domoticoy mediante la programacion adecuada lanzar las salidas correspondientes: activaruna senal acustica (sirena) avisando el peligro de incendio, emitir un mensajetelefonico a una central de alarmas, poner en marcha el sistema de extincion demanera aislada o combinada.

4.2.3.1. Actuadores

Uno de los elementos mas importantes de un sistema domotico son los actuadores.Estos dispositivos estan encargados de realizar tareas en funcion de la informacion quereciben del sensor o los sensores asociados. Los tipos de actuadores son los siguientes:

Hidraulicos: Se encuentran entre los mas antiguos hoy en dıa; funcionan me-diante fluidos a presion y estos son clasificados segun la forma de operacion.

Electricos: Si se compara con un actuador hidraulico, la estructura de estos esmucho mas simple de lo que pudiera parecer en un principio, dado que lo unicoque necesitan para funcionar es acceso y alimentacion de la red electrica.

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.10: Sensor de humedad. Fuente: articulo.mercadolibre.com.mx.

Figura 4.11: Sensor de temperatura. Fuente: www.fae.es.

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4.3 Dispositivos de transmision/recepcion de RF

Neumaticos: En este caso nos encontramos con mecanismos que tiene la capa-cidad de convertir la energıa del aire comprimido en trabajo mecanico, aunqueeste caso no se suele utilizar a nivel domestico y suele ser mas habitual a nivel in-dustrial. En cierta forma guardan ligera similitud con los actuadores hidraulicos,aunque la compresion es mayor.

Entre los actuadores mas utilizados se encuentran:

Contactores(reles de actuacion) de carril DIN.

Contactores para base de enchufe.

Electrovalvulas de corte de suministro (agua y gas).

Valvulas para la zonificacion de la calefaccion por agua caliente.

Sirenas o elementos zumbadores, para el aviso de alarmas en uso.

Motores.

Cabe mencionar que el numero de sensores y actuadores puede variar en el tiempo,ya que muchas empresas agrupan unos u otros en un solo dispositivo reduciendo cos-tos, y dado que la tendencia de cualquier sistema es siempre mejorar y simplificarsu infraestructura; esta parte del sistema Domotico siempre estara sujeta a posiblesmodificaciones a lo largo del tiempo. Sin embargo, los elementos basicos no varıan [14].

4.3. Dispositivos de transmision/recepcion de RF

4.3.1. PT2264

El CI PT2264 codificador a control remoto basado en la tecnologıa CMOS para sufuncionamiento. Este integrado codifica los pines de datos y direcciones en una formade onda que es transmitida gracias a una modulacion RF. Este integrado tiene unmaximo de 12 bits para direccionar la comunicacion, donde cada bit puede establecerseen tres estados (0, 1, flotante); de esta manera se pueden obtener 312 codigos de direcciondiferentes, reduciendo en gran medida cualquier probabilidad de colision y la posibleintervencion malintencionada de la comunicacion entre los dispositivos. Caracterısticas:

Tecnologıa CMOS.

Bajo consumo de energıa.

Alta tasa de inmunidad al ruido.

Hasta 12 pines de 3 estados para generar codigos de direccion.

Rango de voltaje de operacion. VCC : 8 – 15V.

27

4. MARCO TEORICO

Figura 4.12: Diagrama de bloques del CI PT2264. Fuente:www.princeton.com.tw

4 pines para procesamiento de datos y pines para el direccionamiento de losmismos.

oscilador interno variable, cuyo funcionamiento depende de una resistencia exter-na.

Disponible PCB tipo DIP y SOP.

4.3.1.1. Funcionamiento

El CI PT2264 codifica la direccion y el dato puestos en los pines A0 – A7 y A8/D3– A11/D0 respectivamente, convirtiendolo en una forma de onda que es transmitida atraves del pin DOUT cuando TE es puesto a tierra. Esta forma de onda es alimentaday transmitida por un modulador de RF. La onda de RF es recibida por el receptor yluego es enviada al decodificador. El CI PT2294 es utilizado para decodificar la formade onda y establecer los pines de salida del mismo con los datos transmitidos por elPT2264.

4.3.1.2. Operacion en RF

4.3.1.3. Bits codificados

Un bit codificado es el componente basico de la forma de onda codificada y, puede serclasificada como un bit (direccion/dato) o un bit SYNC de sincronizacion. Un bit dedireccion/dato puede ser establecido como Bit “0”, “1” o “f” si este es estado bajo, alto

28

4.3 Dispositivos de transmision/recepcion de RF

Figura 4.13: Terminales para el PT2264. Fuente: www.princeton.com.tw

Figura 4.14: Forma de onda de los bits codificados. Fuente: www.princeton.com.tw

o flotante respectivamente. La forma de onda para un bit consiste en dos pulsos porciclo y cada uno tiene 16 ciclos de reloj. Donde α = periodo de cada ciclo de reloj.

4.3.1.4. Forma de onda para el bit de sincronizacion

La forma de onda para el bit de sincronizacion tiene la longitud de 4 bits de los cuales1/8 de bit permanece en estado alto. Donde 1 bit equivale a 32 α.

4.3.1.5. Caracterısticas de la trama

Un grupo de bits codificados se denomina palabra codificada. Una palabra codificadaconsiste de 12 AD bits seguidos por un bit de sincronizacion. Los 12 AD bits sondeterminados por los estados correspondientes a los pines A0 – A7 y A8/D3 – A11/D0

29

4. MARCO TEORICO

Figura 4.15: Forma de onda para el bit de sincronizacion. Fuente: www.princeton.com.tw

Figura 4.16: Formato de la trama de comunicacion. Fuente: www.princeton.com.tw

en el momento de la transmision. Cuando se usa el PT2264 para transmitir datos, losbits de direccion pasan de 12 a 8.Por ejemplo el formato de transmision es el siguiente: Los bits codificados A0 – A7y A8/D3 –A11/D0 son determinados por los estados de los pines A0-A7 y A8/D3 –A11/D0. Por ejemplo, cuando el pin A0 se estable en estado “1” (VCC), el bit codificadoA0 es sintetizado como un bit ‘1’. De la misma manera, cuando el pin A0 es puesto aestado “0” (VSS) o en estado flotante, el bit codificado A0 es sintetizado como un bit‘0’ o ‘f’ respectivamente.

4.3.1.6. Frame codificado

Un frame codificado consiste en cuatro continuas palabras codificadas. Cuando PT2264detecta ‘0’ en el pin TE (pin Te en estado bajo), este pone un frame codificado en elpin DOUT. Si el pin TE mantiene activa la transmision del frame codificado termina,el PT2264 envıa otro frame codificado.

4.3.1.7. Funcionamiento del oscilador

El PT2264 cuenta con un oscilador de precision que ha sido construido conectandouna resistencia externa entre los pines OSC1 y OSC2. Para que el PT2294 decodifiquecorrectamente la forma de onda recibida, la frecuencia del oscilador del CI PT2294debe ser entre 2.5 y 8 veces mas grande en comparacion con la frecuencia del PT2264.Los valores recomendados por el fabricante se muestran en la siguiente tabla:

Figura 4.17: Trama bit a bit. Fuente: www.princeton.com.tw

30

4.3 Dispositivos de transmision/recepcion de RF

Figura 4.18: Forma de onda para la senal TE en una comunicacion. Tomado de

http://www.princeton.com.tw/Portals/0/Product/PT2264-s.pdf.

Figura 4.19: Distintos valores de resistencia de oscilacion con su respectiva frecuen-

cia(PT2264). Fuente: www.princeton.com.tw

PT2264 PT2272

1,2MΩ 120KΩ

1,5MΩ 160KΩ

3,3MΩ 390KΩ

Cuadro 4.3: Valores de resistencia recomendados por el fabricante (PT2264/PT2294).

31

4. MARCO TEORICO

Figura 4.20: Diagrama de flujo para el funcionamiento(PT2264). Fuente:

www.princeton.com.tw

32

4.3 Dispositivos de transmision/recepcion de RF

Figura 4.21: Senal de comunicacion VT(PT2294). Fuente: www.princeton.com.tw

4.3.2. PT2294

CI PT2294 al ser el par decodificador del PT2264 posee caracterısticas similares a este,entre ellas se encuentra los 12 pines AD y la configuracion del oscilador a partir deuna resistencia externa. Dentro de las caracterısticas del CI podemos mencionar quea diferencia del PT2264 el rango de voltajes de alimentacion es menor (2.2 – 7V),requiriendo menor consumo de energıa para su funcionamiento.

4.3.2.1. Validacion de la transmision

Cuando el PT2294 recibe una transmision de una palabra codificada, este inicialmenteverifica que esta sea una transmision valida. Para que una transmision sea valida, pri-mero debe completar una palabra de codigo completa y segundo, los bits de direcciondeben coincidir con los que estan establecidos en el PT2294. Despues de dos transmisio-nes validas consecutivas, PT2294 toma el dato de acuerdo a los bits de datos recibidosy pone en alto el pin VT, indicando una recepcion exitosa. Tc es la longitud de unapalabra codificada.

4.3.2.2. PT2294 con dato de salida momentaneo o sostenido

EL PT2294 tiene dos tipos de salida momentaneo o sostenido dependiendo de la versiondel PT2294. El modo sostenido (PT2294-Lx) activa el dato durante la transmision y estedato es sostenido en memoria hasta que otro dato sea recibido. El modo momentaneo(PT2294-Mx), por otro lado, solo activa el dato de salida durante la transmision. Eneste modo, el dato no es guardado en memoria despues de que la transmision ha sidocompletada.

33

4. MARCO TEORICO

Figura 4.22: Comportamiento de los datos de salida para los modos de funcionamiento

del PT2294. Fuente: www.princeton.com.tw

4.3.2.3. Funcionamiento PT2294

1. Cuando se enciende el CI, este activa el modo suspension.

2. En el estado de suspension, el PT2294 se mantiene a la espera de recibir senales. Sino se recibe ninguna senal, este permanece en el modo suspension; en otro caso,los bits que corresponden a la direccion recibida se comparan con la direccionestablecidas en los terminales del PT2294.

3. Siempre y cuando los bits de direccion recibidos coincidan con los establecidosvıa hardware por el integrado, los bits son almacenados en memoria. Cuandose produce una coincidencia, entonces se espera la siguiente. Si esto ocurre, seestablece en los pines data el dato recibido y el pin VT se pone en alto. Estepin es deshabilitado cuando se presentan dos direcciones erroneas. Para el modomomentaneo el dato de salida es llevado a 0; mientras que para el modo sostenido,el dato de salida es mantenido.

4.4. Modulos de transmision/recepcion a 433MHz

4.4.1. banda ISM(Industrial Scientific Medica)

ISM(Industrial, Scientific and Medical) son bandas reservadas internalcionalmente pa-ra uso no comercial de radiofrecuencia electromagnetica en areas industrial, cientıficay medica. En la actualidad estas bandas han sido popularizadas por su uso en co-municaciones WLAN o WPAN. Las bandas ISM fueron definidas por la ITU(Union

34

4.4 Modulos de transmision/recepcion a 433MHz

Figura 4.23: Comportamiento de los datos de salida para los modos de funcionamiento

del PT2294. http://www.princeton.com.tw/Portals/0/Product/PT2294-s.pdf.

Internacional de Telecomunicaciones) en el artıculo 5 de las Regulaciones de Radio(RR), concretamente los puntos 5.138. El uso de estas bandas de frecuencia esta abier-to a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan losniveles de potencia transmitida. Este hecho fuerza a que este tipo de comunicacionestenga cierta tolerancia frente a errores y que utilicen mecanismos de proteccion contrainterferencias, como tecnicas de ensanchado de espectro[15]. Especıficamente para eltrabajo de grado se va a utilizar la banda comprendida entre 433.05 - 434.79 MHz confrecuencia central en 433.92 MHz.

4.4.2. Transmisor TWS-BS-3

Entre sus caracterısticas mas importantes encontramos:

Frecuencia de funcionamiento: 433.92MHz.

Modo de modulacion: ASK.

Compuesto por un filtro SAW (Onda acustica superficial).

Tasa de transmision: 8Kbps.

Voltaje de alimentacion: 1.5 -12V.

Potencia de salida: 14dBm.

Temperatura de trabajo: −20± 85oC.

Temperatura maxima que puede resistir :230oC (10 segundos).

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.24: Transmisor de RF (433MHz). Fuente: articulo.mercadolibre.com.pe

Figura 4.25: Transmisor de RF (433MHz).Fuente: articulo.mercadolibre.com.pe

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4.5 Registros de desplazamiento

Figura 4.26: Receptor de RF (433MHz). Fuente: www.josehervas.es

4.4.3. Modulo receptor RX433N

Dentro de sus caracterısticas mas importantes encontramos:

Frecuencia de funcionamiento: 433.92MHz.

Tipo de modulacion: ASK.

Tasa de recepcion de bits: 4800bps.

Selectividad: -108dBm.

Ancho de banda ±500KHz.

Voltaje de alimentacion: 5V.

Diseno de alta sensibilidad.

4.5. Registros de desplazamiento

Los registros de desplazamiento son circuitos secuenciales, formados por biestables oflip-flops generalmente de tipo D. Estos flip-flops a partir de una conexion serie yde algunos sistemas digitales adicionales es capaz de cargar y acceder a datos que sealmacenan. Para la transferencia de datos, cada flip-flop transfiere su informacion actualhacia el adyacente. De esta manera, la capacidad de almacenamiento del registro es lacantidad total de bits que puede contener.Para que un registro de desplazamiento funcione necesita de una senal sıncrona a partir

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.27: Transmisor de RF (433MHz). Fuente: articulo.mercadolibre.com.pe

de una senal de reloj. Los registros de desplazamiento reales incluyen una senal RESETo CLEAR asıncrona, que permite asignar simultaneamente todas las salidas en ‘0’o estado bajo, sin necesidad de ingresar ceros seguidos. Esto es vital porque limpiarapidamente el registro de desplazamiento, muy util en aplicaciones practicas.Dentro de las funciones de un registro de desplazamiento tenemos las siguientes:

Servir de almacenamiento temporal para un conjunto de bits sobre los que se estarealizando una labor de procesamiento.

Desplazamiento de datos a lo largo de los cada flip-flop que conforma el registrode desplazamiento.

Tipos de registros de desplazamiento:

Entrada serie / salida serie.

Entrada serie / salida paralelo.

Entrada paralelo / salida serie.

Entrada paralelo / salida paralelo.

Registro de desplazamiento bidireccional.

4.5.1. Registro de desplazamiento serie/paralelo 74HC595

Uno de los mas comunes y utilizados registros de desplazamiento es el integrado 74HC595.Este circuito integrado se define como un registro de desplazamiento de 8 bits con en-trada serie, salida serie o paralelo con latch (“registro guardado”) de 3 estados. De esta

38

4.5 Registros de desplazamiento

Figura 4.28: Diagrama de pines del CI 74HC595. Fuente:electrocirc.blogspot.com.co

Figura 4.29: Circuitos electronicos internos CI 74HC595. Fuente: electro-

circ.blogspot.com.co

manera puede usarse para controlar 8 salidas simultaneas usando unos pocos pones demicrocontrolador (serial). Se pueden integrar varios 74HC595, ampliando el numero desalidas. Para su empleo como expansion de salida, se necesitan por lo menos tres pinespara la comunicacion serial.

Datos (DS).

Clock (SH-CP).

Latch o Almacenamiento (ST-ST).

MR pone en cero todas las salidas de la comunicacion serial (Master Reset) y OE colocaen alta impedancia las salidas de IC (Output Enable).

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.30: Esquema electrico Buffer de tres estados.

4.6. Buffer de tres estados

Las salidas logicas tienen dos estados normales, ALTO y BAJO que corresponden alos valores logicos 0 y 1. Sin embargo, en algunos casos es necesario que el dispositivoelectronico cuente con un tercer estado electrico, el cual se denomina como estado dealta impedancia, Hi-Z, o de flotacion [16] . Para estado particular, la salida se comportacomo si aun no estuviera conectada al circuito, excepto por una corriente de fuga quepuede fluir hacia dentro o fuera de la terminal de salida del circuito integrado. De estaforma, cada terminal solo puede tener uno de los tres posibles estados: 0 logico, 1 logicoy de alta impedancia.Un dispositivo que cumple con estas caracterısticas se le conoce como salida triesta-do. Los dispositivos de tres estados tienen una entrada extra, que por lo regular sellama general corresponde a una terminal de habilitacion y que determina si la salidadel dispositivo estara en estado de alta impedancia. Un bus de tres estados los cualesson comunes en equipos computacionales o de control, se producen al conectar entre sivarias salidas de tres estados. Los dispositivos con salidas de tres estados se disenannormalmente de modo que el retardo de la senal de habilitacion de salida (de estadode alta impedancia a bajo o alto) sea un poco mas largo que el retardo de inhabilita-cion de salida (bajo o alto hacia estado de alta impedancia). Esto se debe a que si uncircuito de control activa la entrada de habilitacion al mismo tiempo que desactiva laentrada, el dispositivo tendra un estado de alta impedancia, antes de que en la entradase establezca un nivel Alto o Bajo en el bus [17].Las salidas para los circuitos de tres estados se pueden conectar en paralelo sin sacri-ficar la velocidad de conmutacion. Esto se debe a que una salida con tres estados eshabilitada, opera como una salida tipo totem, con una caracterıstica asociada de bajaimpedancia y alta velocidad. Sin embargo, cuando las salidas de tres estados se trans-miten en paralelo, solo una de ellas debe ser habilitada a la vez. En caso contrario, se

40

4.6 Buffer de tres estados

Habilitador Entrada Salida

Bajo Bajo Bajo

Bajo Alto Alto

Alto Bajo Alta Impedancia

Alto Alto Alta Impedancia

Cuadro 4.4: Tabla logica para el buffer de tres estados.

Figura 4.31: Esquema electrico para los circuitos integrados 74LS125 y 74LS126. Fuente:

www.solecmexico.com

interconectarıan dos salidas activas tipo totem y podrıan fluir corrientes perjudiciales.Dos de los circuitos con buferes de tres estados que mas comunmente se utilizan son74LS125 y 74LS126. Ambos circuitos integrados contienen cuatro buffers de tres esta-dos sin inversion. Estos circuitos difieren unicamente en el tipo de entrada para la senalde habilitacion. El 74LS125 permite a la senal de entrada A llegar a la salida cuandoE= 0, en tanto que el circuito 74LS126 pasa la entrada cuando E=1.

4.6.1. 74LS125

Este circuito integrado contiene cuatro compuertas independientes, donde cada una secomporta como un buffer sin inversion. La salida tiene tres estados independientes.Cuando la compuerta esa habilitada, en la salida se obtiene las caracterısticas basicasde un sistema de baja impedancia. Cuando esta desactivada, los dos transistores inter-nos se apagan provocando en la salida un estado de alta impedancia en la lınea del bus.Donde:

H = Nivel logico “1”.L = Nivel logico bajo.X = Nivel logico bajo o alto. Hi-z = tercer estado logico (flotante). La salida esta des-activada.

41

4. MARCO TEORICO

Figura 4.32: Esquema interno y terminales para el 74LS125 Fuente:

pdf.datasheetcatalog.com

Control Entrada Salida

Low L L

High L H

X H Hi-Z

Cuadro 4.5: Tabla logica para el buffer de tres estados.

42

4.6 Buffer de tres estados

Figura 4.33: Caracterısticas Electricas para el CI 74LS125. Fuen-

te:pdf.datasheetcatalog.com

4.6.1.1. Caracterısticas Electricas

Note 2: Valores tıpicos con VCC = 5V, TA = 25oC. Nota 3: Solo una salida deberıaestar cortocircuitada a la vez, y la duracion no deberıa exceder un segundo. Nota 4: Iccesta medida de acuerdo a la senal de control C de 4.5V y la entrada del dato aterrizada.

4.6.1.2. Caracterısticas de conmutacion

Con VCC = 5V, TA = 25oC. Nota 5: CL = 5pF .

43

4. MARCO TEORICO

Figura 4.34: Caracterısticas de conmutacion para el CI 74LS125. Fuente:

pdf.datasheetcatalog.com

4.7. Microcontroladores

4.7.1. PIC16F1933

El PIC16F1933 es un microcontrolador que cuenta con la tecnologıa nanoWatt XLP,permitiendo al microcontrolador tener un rendimiento optimo a un costo de energıa re-ducido. Este CI basa su funcionamiento cuenta 49 instrucciones para su programacion.Cuenta con oscilador interno con frecuencias seleccionables desde 31KHz hasta 32Mhz,oscilador interno de bajo consumo de 31KHz. Ademas, posee hasta 4KBytes de direc-cionamiento de memoria de programa, capacidad de recibir interrupciones con respaldoautomatico de contexto, pila de 16 niveles con reset opcional por desbordamiento.

4.7.1.1. Caracterısticas de funcionamiento

Voltaje de funcionamiento desde 4.5 hasta 5.5V.

Compatibilidad con software bootloader.

Power-on Reset (POR), Power-up Timer (PWRT) y Oscillator Start-up Timer(OST).

Programacion del CI por medio de dos pines (ICSP).

Modos de energıa de ultra-bajo consumo.

4.7.1.2. Funciones Analogicas

Conversor analogico digital 10 bits de resolucion para 14 canales.

44

4.7 Microcontroladores

Capacidad de realizar adquisiciones de datos automaticas.

Referencias de voltaje fijas internas para el ADC con voltajes de:

• 1.024V.

• 2.048V.

• 4.096V.

4.7.1.3. Caracterısticas de los perifericos

25 pines I/O, 1 pin unicamente de entrada, 4 temporizadores de 8 bits y 1 tem-porizador de 16 bits.

2 modulos de captura, comparacion y PWM (CCP).

2 modulos MSSP (Master Serial Synchronous Serial Port), modulos SPI y I2Ccon:

• Mascara de direccionamiento de 7bits.

• Compatibilidad con SMBus.

• Modulo EUSART (Enhanced universal Synchronous Asynchronous ReceiverTransmitter).

4.7.1.4. Especificaciones Electricas

Temperatura ambiente bajo condiciones Normales: −40oCa+ 125oC.

Temperatura de almacenamiento: −65oCa150oC.

Voltaje sobre la terminal VDD con respecto a VSS : −0,3V a 6,5V .

Voltaje sobre pin MCLR con respecto a VSS : .0,3V a 9V .

Corriente maxima de salida sobre la terminal VSS , −40oC < TA < +85oC :114mA.

Corriente maxima dentro de la terminal VDD : 292mA.

Corriente maxima que puede suministrar una terminal I/O: 25mA.

Nota1:La disipacion de potencia total es calculada como sigue:

PDIS = VDD(IDD −∑

IOH) +∑

((VDD − VOH)IOH) +∑

(VOL − IOL)

45

4. MARCO TEORICO

Figura 4.35: Diagrama de bloques interno para el microcontrolador 16F1933. Fuente:

ww1.microchip.com

46

4.8 MikroBUS

Figura 4.36: Estandar mikroBUS. Fuente: www.mikroe.com[18]

4.8. MikroBUS

El socket mikroBus junta un par de 8 conectores hembra, propiedad de MikroElektroni-ka y utilizado como interfaz entre boards y sensores. Por lo general las tarjetas de desa-rrollo estan compuestas por micro-controladores y microprocesadores (mainboards); sinembargo, cuando se usa el estandar mikroBUS se aumentan las posibilidades de usartodo tipo de sensores u otros modulos. Esto implica que las tarjetas de desarrollo con-vencionales a traves del estandar mikroBUS pueden evolucionar a sistemas embebidosde manera facil y economica.El estandar especifica las conexiones fısicas y los diagramas de pines para el modulo.Basicamente esta compuesto por tres grupos de pines . Comunicaciones, enfocados a lacomunicacion de dispositivos (SPI, UART y I2C); aplicaciones, seis pines adicionales(PWM, Interrupcion, entrada analogica, Reset y selector de chip) y por ultimo, alimen-tacion (3.3v y 5v) con sus respectivas tierras. Para preservar los derechos de propiedaddel estandar mikrobus, es importante siempre incluir el logo mikroBUS y las referenciaspara cada uno de los pines.

4.8.1. Especificaciones fısicas

Una tarjeta puede contener uno o mas sockets. Con varios sockets se pueden conec-tar mas y mas modulos, aumentado exponencialmente el numero de combinaciones demodulos conectados a la tarjeta principal. El lımite de modulos interconectados depen-dera basicamente del numero de pines I/O que posee el micro-controlador y por lascondiciones de diseno del ingeniero disenador.

47

4. MARCO TEORICO

Figura 4.37: Medidas fısicas MiKroBUS. Fuente: www.mikroe.com [18]

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4.9 EasyVR 3

4.9. EasyVR 3

EasyVR 3 es un modulo de reconocimiento de voz con multiples usos, disenado paraanadir capacidades de reconocimiento de voz versatil, robusta y rentable para practi-camente cualquier aplicacion. EasyVR es la version de tercera generacion del moduloVRbot exito y se basa en las caracterısticas y funcionalidad de su predecesor. Ademasde las caracterısticas de EasyVR 3 como 32 Altavoces definidos por el usuario de-pendiente (SD y 32 altavoz independientes (SI), posee conectores adicionales para laentrada de microfono, una salida de altavoz de 8 ohmios, salida con conector Jack paraaudıfonos, y el acceso a los pines de E/S del modulo EasyVR 3. Tambien se incluye unLED programable para mostrar los comentarios durante las tareas de reconocimiento.

4.9.1. Caracterısticas

32 altavoces disponibles independientes (SI) disponibles en idioma Ingles, italiano,japones, aleman, espanol y frances, y mas), todos listos para ejecutar los controlesbasicos.

Soporta hasta 32 triggers o comandos de parlantes dependientes definidos por elusuario (para cualquier lenguaje) ası como tambien soporta claves de voz.

Interface de usuario grafica simple y facil de usar para programar comandos devoz para tu robot.

El modulo puede ser usado con cualquier servidor con una interface UART (ener-gizada con 3.3V – 5V).

Protocolo simple y robusto para acceso y programacion del modulo a traves dela tarjeta controladora.

Incluye Sonicnet para controlar uno o mas EasyVR 3 wirelesly con fichas de sonidogeneradas por el modulo u otra fuente de sonido.

Hace tus propios sonidos usando la herramienta Sensory QuickSynthesis4.

El nuevo Easy VR GUI incluye comandos para procesar y descargar tablas desonido hechas a medida hacia el modulo (guardandose sobre de la tabla anterior).

Conector para entrada de microfono.

Salida de parlantes de 8 ohm.

Audıfonos Jack.

Acceso a los pins de entrada y salida del EasyVR.

49

4. MARCO TEORICO

LED programable para comprobar comunicacion durante procesos de reconoci-miento.

El microfono es del tipo omnidireccional es decir capta sonidos en un angulo de 360o

y en un margen de frecuencias que va desde los 100 Hz a los 20 KHz. Viene incluidocon el modulo por lo que solo nos tenemos que preocupar de conectarlo al conectorJ3 del EasyVR. Para el altavoz se puede utilizar cualquiera con impedancia de 8Ohmios, se conecta al conector J2 que es la salida de audio del modulo. Hay que tenercuidado con la impedancia del altavoz, el conectar un altavoz con menor impedanciapuede danar la salida de audio o el modulo entero. El modulo dispone de un modulode comunicacion serie asıncrona (UART) para comunicarse con otros dispositivos comoun micro-controlador o con un PC a traves de un puerto COM y un adaptador deniveles MAX 232 ya que el rango de tension del modulo va desde 3.3V a 5V DC. Laconexion es cruzada, es decir el pin TX del modulo EasyVR va conectado al pin RXdel micro-contralador y el pin RX del modulo al pin TX. La configuracion de la UARTdel modulo es la siguiente:

Velocidad: 9600 (defecto), 19200, 38700, 57600, 115200.

Trama: 8 bits de datos, 1 bit de parada, sin paridad y sin control de flujo.

Del conector J4 del EasyVR solo se utiliza el pin /XM para poder actualizar la ta-bla de sonidos que reside en la memoria Flash del modulo. El EasyVR dispone de unbootloader gestionado por hardware, cuando la patilla /XM se encuentre a nivel altoel dispositivo entra en modo programacion y permite actualizar la tabla de sonidos atraves de la aplicacion de escritorio. La patilla /XM se conecta a traves de un jumpery una resistencia pull-up, el valor de esta resistencia depende de la tension de alimen-tacion aplicada al modulo que como hemos comentado puede variar entre 3.5 y 5V.En la practica 680Ω es un valor de resistencia adecuado. Internamente el modulo tieneconectada a la patilla /XM otra resistencia (pull-down).

4.10. Familias logicas

Una familia logica es un grupo de dispositivos digitales que comparten una tecnologıacomun de fabricacion y tienen estandarizadas sus caracterısticas de entrada y salida;es decir, son compartidas entre sı[18]. Como consecuencia de la estandarizacion, lainterconexion entre dispositivos logicos de una misma familia es particularmente sencillay directa: no requiere etapas adicionales de acoplamiento[19].

4.11. Interruptores Analogicos

Un interruptor analogico consiste en un transistor, normalmente de efecto de campo(FET) que se lleva a conduccion o a saturacion mediante una senal de control digital.

50

4.11 Interruptores Analogicos

Figura 4.38: Tarjeta EasyVR 3. Fuente: www.veear.eu

51

4. MARCO TEORICO

Figura 4.39: Programacion bootloader EasyVR 3. Fuente: www.veear.eu

Figura 4.40: Tecnologıa TTL. [18]

52

4.11 Interruptores Analogicos

Figura 4.41: Diagrama electrico interno de la compuerta NAND con tecnologıa CMOS.

Fuente: inewton10.blogspot.com.co

Figura 4.42: Niveles logicos de las familias TTL y CMOS. Fuente: inew-

ton10.blogspot.com.co

53

4. MARCO TEORICO

Familias Ventajas Desventajas

TTL Inmunidad al ruido, nu-

merosas funciones, flexi-

bilidad logica.

Las senales de salida se de-

gradan rapidamente si no se

transmiten a traves de cir-

cuitos adicionales de transmi-

sion. Tambien generan ruido.

ECL Salidas complementa-

rias, baja generacion de

ruido, buena inmunidad

al ruido.

Alta disipacion de poten-

cia(40mW), necesita circuito

de adaptacion para otras fa-

milias.

MOS Alto fan-out, alta densi-

dad de integracion.

Incompatibilidad con otras fa-

milias, baja velocidad PMOS.

CMOS Menor disipacion de po-

tencia entre las familias,

buena inmunidad al rui-

do, alto fan-out y fan-in.

Menos rapido que la familia

TLL y ECL.

Cuadro 4.6: Ventajas y desventajas de las familias logicas.

54

4.11 Interruptores Analogicos

Figura 4.43: Esquema de un interruptor analogico. [20]

Figura 4.44: Modelo(cuadripolo) para un interruptor analogico y sus respectiva grafica

de operacion. [20]

Dato que el nivel y la velocidad de esta pueden ser insuficientes para producir unatransicion rapida entre los dos estados, suele disponerse un activador (“driver”) entre lasenal de control digital y la terminal de control (puerta) del transistor [20]. Mediante lasenal de control el interruptor se cierra inmediatamente y la tension de salida es identicaa la de entrada (cortocircuito). La apertura del interruptor es tambien instantanea yprovoca un aislamiento total entre la entrada y la salida (circuito abierto). El modeloelectrico equivalente, que es un cuadripolo se tiene que Zc >> Zs, I1 = 0 y V2 = V1 =Vs. Observese que no hay ningun dispositivo electronico (diodo, BJT, FET, etc.) quetenga una caracterıstica de este tipo.

4.11.1. Velocidad de Conmutacion

En un interruptor ideal la apertura y el cierre del circuito son inmediatos. En uninterruptor real hay un retardo desde que se da la orden, en forma de senal digital hastaque se alcanza la situacion final en el canal. Este retardo suele especificarse medianteel denominado tiempo de conmutacion tc, que se define para una senal de entrada Vs

constante (positiva o negativa). En el cierre tc (tON ) se define como el tiempo entre el

55

4. MARCO TEORICO

instante en que la senal de control pasa por el 50% de su valor final y el instante enque la salida alcanza el 90% del valor final, para una impedancia de carga concreta.En la apertura, tc (tOFF ) se define como el tiempo entre el 50% de la senal de controly el instante en que la salida alcanza el 90% del valor que tenia inicialmente (estadocerrado), para la misma carga de referencia. A veces se especifica tambien el tiempoque tarda la salida en reducirse al 10% del valor que tenıa inicialmente. La corrientey niveles de tension necesarios para la activacion dependen del tipo de interruptor.Algunos interruptores incorporan un circuito interno de activacion al que se puedenconectar directamente senales de determinadas familias logicas. Otros requieren deun activador externo. En ambos casos, el tiempo de conmutacion necesario incluye eltiempo de retardo en el circuito logico de control. Para evitar la necesidad de aplicarcontinuamente la senal de control, algunos interruptores integran un cerrojo (“latch”)en su entrada de control; estos modelos requieren solo una orden breve, simultanea conuna senal de escritura.

4.11.2. Tipos de interruptores analogicos

Los interruptores analogicos se realizan normalmente con transistores FET, actuandolas terminales drenador y surtidor como contactos, y la puerta como entrada de control.La ventaja de los FET frente a los diodos y transistores bipolares es que, dada laausencia de uniones p-n en el canal, no hay tensiones de decalaje debidas a la unionque se sumen a las senales transmitidas. El valor necesario para la tension de controldepende del que tenga la tension de entrada Vs y de la tension umbral (Vp, VGSth) deltransistor.

4.11.3. CI CD4066

Este circuito integrado es un interruptor cuadruple Bilateral, disenado para la trans-mision o multiplexado de senales digitales o analogicas, se puede considerar como uninterruptor de conmutacion. Cada uno de los interruptores de los que esta conformadodispone de un pin de control y dos pines de entrada/salida [21].

MIN MAX Unidad

Voltaje de alimentacion −0,5 20 V

Voltaje de entrada −0,5 VDD + 0,5 mA

Corriente DC de entrada ±10 mA

Temperatura de almacenamiento −65 150 oC

Cuadro 4.7: Caracterısticas electricas para el CD4066.

56

4.11 Interruptores Analogicos

Figura 4.45: Conductancia del canal en funcion de la tension VGS para los distintos tipos

de transistores FET. [20]

Figura 4.46: Diagrama de pines para el CD4066. [21]

57

4. MARCO TEORICO

Figura 4.47: Diagrama electrico interno del CD4066. Fuente. www.ti.com

Figura 4.48: Tabla de funcionamiento para el CD4066. Tomado de

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4066b.pdf.

MIN MAX Unidad

Voltaje de alimentacion 3 18 V

Temperatura de almacenamiento −55 125 oC

Cuadro 4.8: Valores recomendados de operacion para el CD4066.

Todas la entradas de control estan protegidas por la red de tipo CMOS.

Todos sustratos tipo p estan conectados a VDD.

Rango de senal: 3 ≤ Vis ≤ VDD.

4.12. Bus I2C

Un sistema embebido tıpico consiste en uno o mas micro controladores y dispositivosperifericos, como memorias, convertidores, I/O, expansores controladores de LCD, sen-sores, conmutadores matriciales, etc. La complejidad y el costo de la conexion de todos

58

4.12 Bus I2C

Figura 4.49: Dimensiones fısicas del CD4066. Fuente: www.ti.com

los dispositivos mas lentos pueden comunicarse con el sistema sin ralentizar los masrapidos[22]. Para satisfacer estos requisitos se necesita un bus serie. Un Bus significauna especificacion para las conexiones, protocolos, formatos, direcciones y procedimien-tos que define las reglas en el mismo.El bus I2C utiliza dos terminales, los datos en serie (SDA) y de reloj en serie (SCL).Todos los dispositivos maestros I2C y esclavo estan conectados unicamente con los doscables. Cada dispositivo puede ser un transmisor, un receptor o ambos. Algunos dis-positivos son maestros que generan la senal reloj del bus e inician la comunicacion enel mismo; otros dispositivos son esclavos y responden a los comandos en el bus. Conel fin de comunicarse con un dispositivo especıfico, cada dispositivo esclavo debe teneruna direccion que es unica en el bus. Los dispositivos maestros I2C (generalmente mi-crocontroladores) no necesitan una direccion ya que ningun otro (esclavo) dispositivoenvıa comandos al maestro.

4.12.1. Terminologıa I2C

Transmisor: Este es el dispositivo que transmite los datos al bus.

Receptor:Este es el dispositivo que genera un reloj, se inicia la comunicacion,envıa comandos I2C y se detiene la comunicacion.

Maestro:este es el dispositivo que genera la senal de reloj cuando se inicia lacomunicacion, envıa comandos I2C y tambien detiene la comunicacion. Puedeexistir mas de un maestro y cada uno puede enviar comandos.

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.50: Senal SDA y SCL. Tomado de http://i2c.info/i2c-bus-specification.

Figura 4.51: Condicion de inicio y de parada para I2C. Fuente: i2c.info

Esclavo:Este es el dispositivo que escucha a bus y esta dirigida por el maestro.

Arbitraje: es un proceso para determinar cual de los maestros en el bus se puedeutilizar cuando se necesitan mas maestros para usar el bus.

Las senales SCL y SDA son bidireccionales. Estan conectadas a traves de resistenciasa una tension de alimentacion positiva. Esto significa que cuando el bus esta libre,ambas lıneas se mantienen en estado alto. Todos los dispositivos en el bus deben tenerterminales de colector abierto o drenador abierto. El numero de dispositivos en ununico bus es casi ilimitado, el unico requisito es que la capacitancia del bus no excedalos 400pF.

4.12.2. Transferencia de datos en serie

Para cada impulso de reloj se transfiere un bit de datos. La senal SDA solo puedecambiar cuando la senal SCL esta en nivel bajo, cuando la senal de reloj esta en alto elestado del SDA debe mantenerse estable. Cada comando I2C iniciado por un dispositivomaestro comienza con una condicion de inicio y termina con un estado de parada. Paraambas condiciones SCL debe estar en alto. Un flanco de bajada en SDA se consideracomo comienzo y un flanco de subida como parada. Despues de la condicion de arranquedel bus este se considera ocupado y puede ser utilizado por otro maestro solo despuesde que se detecta una condicion de parada. Despues de la condicion de inicio el maestropuede generar un arranque repetido. Esto es equivalente a un arranque normal y porlo general es seguida por la direccion I2C del esclavo.

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4.12 Bus I2C

Figura 4.52: Transferencia de datos I2C. Fuente: i2c.info/i2c-bus-specification.

Figura 4.53: Senal de reconocimiento(ACK) I2C. Fuente:i2c.info

4.12.3. Transferencia de datos I2C

Los datos sobre el bus I2C se transfieren en paquetes de 8bits. No hay limitacion en elnumero de bits; sin embargo, cada byte debe ser seguido por un bit de reconocimiento.Este bit indica si el dispositivo esta listo para proceder con el siguiente byte. Para todoslos bits de datos, incluyendo el bit de reconocimiento, el maestro debe generar pulsosde reloj. Si el dispositivo esclavo no reconoce la transferencia esto significa que no haymas datos o el dispositivo no esta preparado para la transferencia aun. El dispositivomaestro o bien debe generar un comando de parada o el comando de inicio repetido.

4.12.4. Bits de direccionamiento I2C

Una direccion de esclavo puede contener una parte fija y una parte programable. Al-gunos dispositivos esclavos tienen pocos bits de la direccion I2C dependientes del nivelde pines de direccion. De esta manera es posible tener en el mismo bus I2C mas de undispositivo I2C con la misma parte fija de la direccion I2C. La asignacion de direccionesI2C es administrado por el comite de bus I2C que se encarga de las asignaciones. Dosgrupos de 8 direcciones I2C estan reservados para usos futuros y para el bus I2C de10bits. La direccion de llamada general se utiliza para los dispositivos esclavos del bus.Si algun dispositivo esclavo no tiene que responder a tales llamadas o llamada generalno es compatible, la llamada debe ser ignorada. Si el dispositivo es compatible con

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.54: Formato para la trama de comunicacion I2C. Fuente. i2c.info

Figura 4.55: Direcciones reservadas del estandar I2C. Fuente: i2c.info

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4.13 Lamparas CFL

llamadas generales y quiere recibir los datos que debe reconocer la direccion y leer losdatos como receptor esclavo.

4.13. Lamparas CFL

Las lamparas ahorradoras de energıa denominadas CFL (Compact Fluorescent Lamp-Lampara Fluorescente Compacta) son una variante mejoradas de las lamparas de tubosrectos fluorescentes, que fueron presentadas por primera vez al publico en la Feriamundial de New York efectuada en el ano 1939. Desde su presentacion al publico enesta fecha, las lamparas de tubos fluorescentes se utilizan para iluminar variados tipos deespaciados, incluyendo nuestras casas. En la practica el rendimiento de esas lamparases mucho mayor, consumen un valor mas bajo de energıa y el calor que disipan espracticamente despreciable en comparacion con las lamparas incandescentes[23]. Las

Potencia 11W

Potencia luminosa emitida por la bombilla 600lm

Vida util 8000− 10000h

Consumo electrico en% (respecto a bombilla incandescente) 18,3

Cuadro 4.9: Caracterısticas electricas de una bombilla CFL.

lamparas fluorescentes CFL constan de las siguientes partes:

4.13.1. Tubo Fluorescente

Se componen de un tubo de unos 6 mm de diametro aproximadamente, doblados enforma de “U” invertida, cuya longitud depende de la potencia en watt que tenga lalampara. En todas las lamparas CFL existen siempre dos filamentos de tungsteno oWolframio (W) que se alojan en los extremos libres, con el proposito de calentar losgases inertes, como el Neon (Ne), el Kripton(Kr) o el argon, que se encuentran alojadosen su interior. Junto con los gases inertes, este tubo tambien contiene vapor de mercurio(Hg). Las paredes interiores del tubo se encuentran recubiertas por una fina capa defosforo[23].

4.13.2. Balastro electronico

Las lamparas CFL son de encendido rapido, por lo tanto no requieren de cebador(starter-encendedor) para encender el filamento. Por el contrario, emplean un balas-tro electronico en miniatura, encerrado en la base que separa la rosca Edison(tornillo

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.56: partes de la bombilla CFL. Fuente: www.asifunciona.com

Figura 4.57: Tubo Fluoresente de una lampara CFL. Fuente: www.asifunciona.com

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4.13 Lamparas CFL

Edison) de la lampara. El balastro suministra la tension o voltaje necesario para en-cender el tubo de la lampara y regular, posteriormente, la intensidad de corriente quecircula en el tubo despues del encendido. El balasto electronico se compone, funda-mentalmente, de un circuito rectificador de onda completa y un oscilador, encargadode elevar la frecuencia de la corriente de trabajo de la lampara entre 20 000 y 60 000Hertz aproximadamente, en lugar de los 50 o 60 Hertz con los que operan los balastoselectromagneticos e hıbridos que emplean los tubos rectos y circulares de las lamparasfluorescentes comunes antiguas.

4.13.3. Base

La base de la lampara ahorradora CFL se compone de un receptaculo de materialplastico, en cuyo interior hueco se aloja el balasto electronico. Unido a la base seencuentra un casquillo con rosca normal E-27(rosca Edison), la misma que utilizanla mayorıa de las bombillas o lamparas incandescentes. Se pueden encontrar tambienlamparas CFL con rosca E-14 de menor diametro (conocida como rosca candelabro).No obstante, existen variantes con otros tipos de conectores, de presion o bayoneta, enlugar de casquillos con rosca, que funcionan con un balasto electronico externo, que noforma parte del cuerpo la lampara.

4.13.4. Funcionamiento de la lampara CFL

El funcionamiento de una lampara fluorescente ahorradora de energıa CFL es el mismoque el de un tubo fluorescente comun, excepto que es mucho mas pequena y manipula-ble. Cundo enroscamos la lampara CFL en un portalamparas (igual al utilizado por laslamparas incandescentes) y accionamos el interruptor de encendido, la corriente electri-ca fluye hacia el balastro electronico, donde un rectificador diodo de onda completa seencarga de convertirla en corriente directa y mejorar, a su vez, el factor de potencia dela lampara. A continuacion un circuito oscilador, compuesto fundamentalmente por unared transistorizada en funcion de un amplificador de corriente, un enrollado o transfor-mador (reactancia inductiva) y un capacitor o condensador (reactancia capacitiva), seencarga de originar una corriente alterna con una frecuencia, que llega a alcanzar entre20KHz y 60KHz.Se usan estas frecuencias porque se desea disminuir el parpadeo que provoca el arcoelectrico que se crea dentro de las lamparas fluorescentes cuando se encuentran en-cendidas. De esta forma se anula el efecto estroboscopico que normalmente se crea enlas antiguas lamparas fluorescentes de tubo recto que funcionan con balastros elec-tromagneticos (no electronicos). En las lamparas fluorescentes antiguas el arco quese origina posee una frecuencia de solo 59 o 60 Hz, la misma que proporciona la redelectrica domestica a la que estan conectadas. Para el alumbrado general el efecto estro-boscopico es practicamente imperceptible, pero en la industria donde existe maquinariafuncionando, impulsada por motores electricos, puede resultar peligroso debido a que lafrecuencia del parpadeo de la lampara fluorescente se puede sincronizar con la velocidad

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.58: Diagrama electrico. Fuente: www.asifunciona.com

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4.14 TRIAC

de giro de las partes moviles de las maquinas, creando la ilusion optica de que no estanfuncionando, cuando en realidad se estan moviendo.En las lamparas CFL no se manifiesta ese fenomeno, pues al ser mucho mas alta lafrecuencia del parpadeo del arco electrico en comparacion con la velocidad de giro delos motores, nunca llegan a sincronizarse, eliminado la posibilidad de que se presenteel efecto estroboscopico.Desde el mismo momento en que los filamentos de una lampara CFL se encienden, elcalor que producen ioniza el gas inerte que contiene el tubo en su interior, creando unpuente de plasma entre los dos filamentos. A traves de ese puente se origina un flujo deelectrones, que proporcionan las condiciones necesarias para que el balastro electronicogenere una chispa y se encienda un arco electrico entre los dos filamentos. En este puntodel proceso los filamentos se apagan y se convierten en dos electrodos cuya mision serala de mantener el arco electrico durante todo el tiempo que permanezca encendida lalampara. El arco electrico no es precisamente el que produce directamente la luz enesas lamparas, pero su existencia es fundamental para que se produzca ese fenomeno.A partir del momento en que los filamentos de la lampara se apagan, la unica misiondel arco electrico sera continuar y mantener el proceso de ionizacion del gas inerte. Deesa forma los iones desprendidos del gas inerte al chocar contra los atomos del vapor demercurio contenido tambien dentro de tubo, provocan que los electrones del mercuriose exciten y comiencen a emitir fotones de luz ultravioleta. Dichos fotones, cuya luz noes visible para el ojo humano, al salir despedidos chocan contra las paredes de cristaldel tubo recubierto con la capa fluorescente. Este choque de fotones ultravioletas con-tra la capa fluorescente provoca que los atomos de fluor se exciten tambien y emitanfotones de luz blanca, que sı son visibles para el ojo humano, haciendo que la lamparase encienda.

4.14. TRIAC

El TRIAC es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para contro-lar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduceen ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversion de la tension o al disminuirla corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparadoindependientemente de la polarizacion de puerta, es decir, mediante una corriente depuerta positiva o negativa[24].Cuando el Triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistenciade una terminal a la otra, dependiendo la direccion de flujo de la polaridad del voltajeexterno aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el Triac se comportacomo un interruptor cerrado. Cuando el Triac deja de conducir no puede fluir corrienteentre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicadopor tanto actua como un interruptor abierto. Debe tenerse en cuenta que si se aplicauna variacion de tension (dv

dt) importante al Triac aun sin conduccion previa, el Triac

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.59: Construccion interna y diagrama electrico para el Triac.[24]

Figura 4.60: Curva de operacion de un Triac.[24]

puede entrar en conduccion directa. La estructura contiene seis capas, aunque funcionasiempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a traves deP1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a traves de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el dis-paro con intensidad de puerta negativa. La complicacion de sus estructura lo hace masdelicado que un tiristor en cuando a di/dt y dv/dt y su capacidad de soportar sobre-corrientes altas. Estos dispositivos se fabrican para intensidades de algunos amperioshasta unos 200A eficaces y desde 400 a 1000V de tension pico repetitivo. Los Triacsson fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a fre-cuencias medias son denominados alternistores. El Triac actua como dos rectificadorescontrolados de silicios (SCR) en paralelo, este dispositivo es equivalente a dos latch.El punto VBD (tension de ruptura) es el punto donde el dispositivo pasa de un valorde alta resistencia a una de valor bajo y la corriente, a traves del Triac, crece con unpequeno cambio en la tension entre los anodos.El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de lacorriente de mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminucion de la ten-

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4.14 TRIAC

Figura 4.61: Circuito de aplicacion basico para un Triac.[24]

sion en la fuente. Una vez que el Triac entra en conduccion, la compuerta no controlamas la conduccion, por esta razon se acostumbra dar un pulso de corriente corto y deesta manera se impide la disipacion de energıa sobrante en la compuerta. El mismoproceso ocurre con respecto al tercer cuadrante cuando la tension en el anodo MT2es negativa con respecto al anodo MT1 y obtenemos la caracterıstica invertida. Estaes una caracterıstica simetrica en cuanto a conduccion y estado de bloqueo se refiere,pues el valor de esta en el primer cuadrante de la curva es igual en comparacion con eltercer cuadrante. Las formas de onda de los Triacs son muy parecidas a la formas deonda de los SCR, a excepcion de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo.En la figura 4.62 se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga comopara el voltaje del Triac (a traves de los terminales principales) para dos condicionesdiferentes. En esta misma figura, las formas de onda muestran el apagado del Triacdurante los primeros 30o de cada semiciclo, durante estos 30o el Triac se comportacomo un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de lınea se cae atraves de las terminales principales del Triac, sin aplicar ningun voltaje a la carga. Porlo tanto no hay flujo de corriente a traves del Triac y la carga.

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4. MARCO TEORICO

Figura 4.62: Voltajes tanto en las terminales del TRIAC como en la carga para dos

angulos de disparo diferentes.[24]

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Capıtulo 5

Recursos

5.1. Recursos Humanos

El trabajo de grado fue desarrollado por los estudiantes Camilo Fernando Garcıa Rue-da,Luis Alberto Caro Lopez y el docente director Jaime Humberto Angulo Chavarro,adscritos al proyecto curricular de Ingenierıa Electronica de la Universidad DistritalFrancisco Jose de Caldas.

5.2. Recursos Financieros

El capital necesario para llevar a cabo el proyecto de grado seran los recursos propiosde los integrantes del proyecto.

5.3. Recursos Fısicos

5.3.1. Herramientas

2 computadores procesador core I3 3GHz, memoria RAM de 3GB, sistema ope-rativo de 64 bits.

Motortool.

Osciloscopio Hantek 6022BE.

Multimetro.

Lapız Dremel.

Prototipadora.

Herramientas varias (cortafrıo, pinzas, prensa, etc.).

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5. RECURSOS

Figura 5.1: Captura de pantalla (esquematico). Fuente: kicad-pcb.org/

5.3.2. Software

5.3.2.1. KiCad

KiCad es un entorno de software open-source usado para el diseno de circuitos electri-cos, muy flexible y adaptable, en el que se pueden crear y editar un gran numero decomponentes y usarlos en Eeschema. KiCad permite el diseno de circuitos impresosmodernos de forma sencilla e intuitiva. Ademas, en Pcbnew, los circuitos se puedendisenar con multiples capas y ser visualizados en 3D.KiCad esta organizado en cinco partes:

kicad- Amdministrador de proyectos.

Eeschema – El editor de esquematicos.

cvpcb – Selecionador de huellas (footprint’s) de los componentes usados en elesquematico.

pcbnew – Entorno de diseno de los circuitos impresos (PCB).

Gerbview – Visualizador de archivos Gerber.

Kicad puede considerarse lo suficiente maduro para ser utilizado en el desarrollo exitosoy mantenimiento de tarjetas electronicas complejas[25]. KiCad no presenta ningunalimitacion en cuanto al tamano de la placa de circuito y puede gestionar facilmentehasta 32 capas de cobre, hasta 14 capas tecnicas y hasta 4 capas auxiliares. KiCad puedecrear todos los archivos necesarios para la construccion de placas de circuito impreso,archivos Gerber para foto-plotters, archivos para taladrado, archivos de ubicacion delos componentes y mucho mas.

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5.3 Recursos Fısicos

Figura 5.2: Captura de pantalla (PCB Layout). Fuente: kicad-pcb.org/

5.3.2.2. PIC C Compiler

CCS desarrollo el primer compilador de C para microntroladores Microchip hace masde 20 y continua proporcionando soluciones de software para desarrolladores de apli-caciones embebidas utilizando PIC MC[26]. El compilador CCS es facil de usar y porende rapido de aprender. Este software incluye un compilador con optimizacion de ni-vel profesional, la mayor biblioteca de funciones integradas, de gran alcance PIC, concomandos pre-procesador y listo para correr programas de ejemplo para hacer rapi-damente implementaciones para cualquier proyecto. Nuestra base masiva cliente nosproporciona acceso a la comprension de los requerimientos del cliente, mientras que eldesarrollo de las funciones avanzadas con lanzamientos frecuentes.

Facil migracion entre todos los micro controladores PIC.

Reduccion al mınimo del tiempo de desarrollo con: controladores perifericos yconstrucciones estandar en C.

Utilizacion de las bibliotecas de CCS y el codigo objeto para archivos libres.

Funciones utiles como bit y byte que permiten que a variables del lenguaje C seles pueda asignar direcciones absolutas.

El tipo Short Int permite que el compilador pueda generar codigo eficiente orien-tado al manejo de bits.

El manejo de interrupciones es facil de definir, configurar y gestionar.

Gestion eficiente de funciones.

Vinculacion automatica: manejo practico de multiples archivos de codigo.

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5. RECURSOS

Sobrecarga de funciones: Permite varias funciones con el mismo nombre con di-ferencias en sus parametros.

Manejo inteligente de interrupciones.

Configuracion automatica de fusibles.

I2C y SPI.

Conversores A/D.

EEPROM.

Controladores LCD.

Controles de procesador.

Pantallas tactiles capacitivas.

Reloj en tiempo real.

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5.3 Recursos Fısicos

Figura 5.3: Captura de pantalla (CCS). Fuente. electronica-basicaa.blogspot.com.co

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Capıtulo 6

Diseno e implementacion del sistema

domotico

Para llevar a cabo el diseno y la implementacion del sistema domotico se llevaron acabo los siguientes pasos:

Reconocimiento de los dispositivos PT2264/PT2272: En esta seccion se explica-ran las pruebas de funcionamiento realizadas a los circuitos integrados PT2264 yPT2272; especıficamente obtener el comportamiento de las frecuencias de oscila-dor cuando se varıa la resistencia externa. A pesar que en las hojas de datos sesugieren algunos valores, es conveniente realizar las respectivas pruebas con estosy otros valores de resistencia.

Diseno e implementacion del Hardware: En esta seccion se mencionaran todoslos aspectos que se tuvieron en cuenta a la hora de realizar implementacionescon sensores, ası como las pautas de diseno sujetas a los circuitos electronicosimplementados (capa fısica).

Software: En esta seccion se explicara todo el proceso de comunicacion entre losdispositivos interconectados al sistema domotico, el protocolo de comunicaciondesarrollado y la programacion de la tarjeta de reconocimiento de voz EasyVR 3.

6.1. Reconocimiento de los dispositivos de transmision:

Capa fısica

Primero se realizo una recopilacion de las caracterısticas electricas del PT2264 y PT2272.Usando como herramienta las hojas de datos de estos dispositivos se obtuvieron las si-guientes conclusiones.

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Una de sus caracterısticas mas importantes es la posibilidad de realizar direccio-namiento de la informacion, es decir, tiene un mecanismo propio de seguridadpara evitar la interferencia de dispositivos externos.

Tanto el codificador PT2264 como su pareja decodificadora PT2272 cuentan contres posibles estados en sus pines de direccion (cero, uno, flotante). Esto aumentaenormemente el numero de direcciones que se pueden implementar.

Estos circuitos integrados permiten enviar/ recibir en cada enlace 4 bits de datos.

Estos integrados estan constituidos basicamente por un generador de senal, quecodifica la senal a partir de un oscilador que es controlado por una resistenciaexterna. Esta ultima controla la cantidad de ciclos de reloj necesarios para generarcada codigo.

El CI PT2264 cuenta con una terminal de habilitacion para la comunicacion(TE), esto permite controlar si se desea comunicar o no el integrado con su parejareceptora.

El CI PT2272 cuenta una terminal (VT) que permite visualizar si ha recibidode manera exitosa un paquete de datos; esto permite en conjunto con el incisoanterior realizar un control en cada enlace que se realice en la comunicacion.

Dentro de las caracterısticas electricas podemos observar que ambos dispositivosfuncionan a una tension de 5V, lo cual simplifico mucho el diseno del sistema dealimentacion del dispositivo.

Debido a que el consumo de potencia del CI PT2264 es considerable (300mWa maxima potencia) y mas cuando su fuente de alimentacion sera una baterıa,se hace indispensable mantener el integrado en stand-by mientras no se deseetransmitir datos.

La operacion del dispositivo es estable dentro de la temperatura ambiente, pre-sente en gran parte de lugares donde se instale el sistema domotico.

Respecto a la pareja de transmision/recepcion de RF se recopilaron las siguientes con-clusiones:

Estos modulos RF a 433MHz funcionan como un enlace de datos simplex, es decir,solamente transmiten informacion en un solo sentido. Aun ası resultan utiles sise establecen bloques independientes de comunicacion, es decir, en conjunto conun codificador/decodificador.

Este tipo de modulos al poseer receptor super-regenerativo permite ganar sensi-bilidad perdiendo selectividad, por lo tanto, estos modulos son generalmente sen-sibles, pero son poco selectivos, teniendo en cuenta un ancho de banda bastanteamplio (1MHz), haciendo que la sintonıa no sea critica. Estos mismos detalles

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6.1 Reconocimiento de los dispositivos de transmision: Capa fısica

de diseno hacen que la presencia de grandes capacidades hacia el plano de tierra(cuerpos metalicos, blindajes, la mano del usuario, la antena); puedan ocasionarcorrimientos en la frecuencia de sintonıa. Esto puede compensarse, para situacio-nes particulares, operando sobre la bobina ajustable con la que esta equipado elmodulo.

Otra caracterıstica importante a tener en cuenta es que los receptores super-regenerativos tienen un ancho de banda que cambia de acuerdo a la intensidadde excitacion, presentando mayor ancho de banda a senales fuertes; por lo queun transmisor de frecuencia relativamente cercana a una corta distancia puedeinterferir, y por su puesto ser sintonizado si no hay nada que lo enmascare.

6.1.1. Pruebas de funcionamiento

Se realizo la implementacion de un modulo receptor con su respetivo PT2272 y, unmodulo transmisor con su respectivo PT2264. Para entender el funcionamiento deloscilador interno en los modulos se observo su comportamiento para diferentes valoresde resistencias.Las pruebas se realizaron implementando dos circuitos. El primero con una resistenciade oscilacion variable para el codificador. El segundo, con una resistencia de oscilacionvariable para el decodificador. Las resistencias escogidas cumplen con la relacion 2.5-8que recomienda el fabricante. Los resultados encontrados se muestran a continuacion.

Montaje Resistencia codificador Resistencia decodificador Frecuencia Osc. PT2264 Frecuencia Osc. Pt2272

1 5,6MΩ 2MΩ 7KHz 41,3KHz

2 2MΩ 620KΩ 13,1KHz 110,65KHz

3 620KΩ 220KΩ 14,2KHz 127KHz

Cuadro 6.1: Pruebas de funcionamiento para los dispositivos de transmision y recepcion.

Podemos observar que conforme aumenta la resistencia de oscilador del decodificador(PT2272) y codificador(PT2264), la frecuencia del mismo disminuye; esto significa queel valor de la resistencia de oscilacion es inversamente proporcional a la frecuencia delmismo:

K

Rα F

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.1: Forma de onda de los datos recibida por el decodificador PT2272 para su

respectiva decodificacion. Fuente: Autor

Figura 6.2: Formada de onda de los datos enviada transmisor de RF. Fuente: Autor

Figura 6.3: Forma de onda del oscilador para el decodificador con resistencias de oscilador

5.6Mohm y 2Mohm para los modulos codificador y decodificador respectivamente. Fuente:

Autor

80

6.1 Reconocimiento de los dispositivos de transmision: Capa fısica

Figura 6.4: Forma de onda del oscilador para el decodificador con resistencias de oscilador

2Mohm y 620Kohm para los modulos codificador y decodificador respectivamente. Fuente:

Autor

Figura 6.5: Forma de onda del oscilador para el decodificador con resistencias de oscila-

dor 620Kohm y 200Kohm para los modulos codificador y decodificador respectivamente.

Fuente: Autor

81

6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Donde R es la resistencia del oscilador, K es una constante de proporcionalidad y F esla frecuencia interna del decodificador.Adicionalmente, las graficas muestran que hay una relacion directamente proporcionalentre la resistencia de oscilador del codificador y el periodo de la trama de datos. Apartir de esto podemos inferir dos cosas. Primero, a partir de las resistencias de osci-lador podemos aumentar la velocidad de transmision hasta el lımite 8Kbps. Segundo,podemos controlar si un enlace es efectivo o no simplemente cambiando el valor de laresistencia de oscilador, esto se debe a que siempre debe guardarse la relacion 2.5 a8 entre las frecuencias de oscilador entre el codificador y decodificador. Si la relacionno se guarda, entonces aun teniendo todas las condiciones en enlace no sera efectivo.Esta caracterıstica es muy importante para el diseno del sistema domotico, porque deesta manera podemos ir cambiando pseudo-aleatoriamente el valor de resistencia en losPT2264/PT2272, dificultado enormemente posibles interferencias y manejo malinten-cionado de terceros.

6.2. Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

6.2.1. ¿Porque FireFly?

¿Se han preguntado cuanto tiempo consumes en estar pendiente del dispositivo electroni-co o tecnologico desde que lo compras hasta su cambio?. Ahora imaginen si son muchos(todos los electrodomesticos televisores, computadores, iluminacion, puertas, camaras,calefaccion, alarmas, etc.). Uno de los objetivos de la tecnologıa es facilitar las tareasdiarias de las personas.Desde que apagas un interruptor, hasta cambiar los canales de tu televisor son acti-vidades repetitivas que realizas por cada uno de todos estos dispositivos que tienes yadquieres, ademas no solo tu estas realizando estas repeticiones sino tambien las per-sonas con las que convives. Esto no te esta facilitando tus tareas, sino por el contrario,ahora estas mas pendiente de tus dispositivos que tus mismas tareas. (Familia, ocio,deportes, trabajo, descanso, etc.). Por esta razon hemos creado el sistema domoticoFirefly y ası es como funciona:

Instalalo tu mismo y personaliza tu espacio: Elige que dispositivo quierescontrolar y su ubicacion. Por ejemplo, escogemos un bombillo, ahora solo tienesque retirar el adhesivo, pegar y conectar el firefly junto a tu dispositivo. Ahoraya puedes dejar de preocuparte por tu dispositivo (bombillo), teniendo el controlde el.

Los cables no seran un problema: Por ser un sistema que se comunicainalambricamente entre sus dispositivos y ademas maneja su propia alimenta-cion, no veras cables invadiendo tu espacio.

Tranquilızate: Firefly cuenta con un protocolo de seguridad de hardware y desoftware que impedira que acciones malintencionadas manipulen tus dispositivos.

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Juega con las posibilidades: Modulos SFly, los cuales pueden tomar informa-cion que tu quieras que lean (movimiento, voz, celular, etc.). Modulos Afly, loscuales ejecutan acciones que quisieras que algo o alguien hiciera por ti. ModulosWiFly si quisieras que solo se comunicaran por ti.

Ayuda al planeta: Por su sistema de ahorro de energıa, el consumo de tusdispositivos y del mismo sistema Firefly se suspenderan cuando no se esten usandoy se activaran cuando lo necesites.

Al alcance de todos: Firefly es economico, tendras la comodidad de escoger losdispositivos que necesites de acuerdo a tus posibilidades.

6.2.2. Requerimientos y caracterısticas

El sistema domotico debe ser distribuido (sin unidad central que la controle).

El sistema domotico debe ser modular: interconexion entre dispositivos y posibi-lidad de ampliar modulos (Puertos de interconexion).

El sistema debe realizar la comunicacion entre modulos sin interferir con otrosdispositivos electronicos (electrodomesticos, Radio, Television, etc.).

Cada modulo estara identificado por una direccion que es generada aleatoriamen-te, de esta manera cada elemento del sistema domotico esta diferenciado de losdemas.

El sistema domotico estara abierto a la incorporacion de todo tipo de sensores(Compatibilidad).

El sistema domotico debe ser inalambrico, es decir, sera alimentado por una ba-terıa; ademas sus modulos de comunicacion enviaran sus senales inalambricamente(RF) y alambricamente(I2C).

Los modulos de transmision pueden enviar 4 bits de datos por enlace, controladospor un indicador de transmision recibida (VT).

Tanto los dispositivos actuadores como sensores, tendran una resolucion de 8 bits.

El sistema domotico debe ser facil de instalar.

FireFly debe ser escalable y flexible a la integracion de nuevas tecnologıas(Bluetooth,IR,WiFi,etc.).

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

6.2.3. Modulo Wi-Fly

WiFly es el corazon del sistema domotico FireFly, por tanto implica el diseno mascomplejo. Esto se debe a que es el encargado mediante I2C de recibir informacion delos modulos PowerFly, AS-Fly para luego enviarla a otros bloques WiFly del sistemadomotico. Para cumplir con estos objetivos se hara uso de los modulos PT2264/PT2272,encargados de codificar/decodificar la informacion que se vaya a transmitir a traves delos modulos de transmision de RF (433MHz).

Figura 6.6: Modulo Wi-Fly. Fuente: Autor

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Figura 6.7: Plug de interconexion entre modulos. Fuente: Autor

Los modulos del sistema domotico FireFly tendran 4 conectores, cada uno esta com-puesto de 5 terminales: 3 pines de alimentacion y dos para la comunicacion I2C (SDA-SCL). Ası cualquier modulo podra ser alimentado por otro y a su vez estara interco-nectado por el bus I2C.

6.2.4. Diseno del Registro de desplazamiento y Buffer de tres estados

La pareja receptor/transmisor PT2272 y PT2264 respectivamente, esta compuesta por8 terminales que corresponden a la direccion que se desea recibir o transmitir datos.Para el diseno del sistema domotico es necesario poder manipular estas terminales,con el objetivo de controlar el flujo de la comunicacion. Sin embargo, si utilizamosunicamente un microcontrolador el numero de pines necesaros reducira las terminalesdisponibles para usar en otras aplicaciones; por lo tanto, es fundamental reducir almınimo el uso de pines del microcontrolador. Para cumplir con esta restriccion, sepropuso la implementacion de una red de registros de desplazamiento 74HC595. Estecircuito integrado es un registro de desplazamiento de 8 bit con entrada serie y salidaparalelo, la gran ventaja de usar este integrado es que permite controlar 8 salidas apartir de 3 entradas (Latch/Clock/Data). De esta manera en lugar de usar 8 pinesdel microcontrolador se usan 3. Entonces para cada bit que se recibe serialmente porla terminal data del CI 74HC595, se va a transferir a cada una de las terminales delsalida del mismo, estas terminales a su vez iran conectadas a los pines de direccion delcodificador y decodificador.Por otro lado, la pareja PT2264/72 tiene la posibilidad no solo de trabajar con 2 estados(“0” y “1”), si no que adicionalmente, cuenta con un tercer estado (Flotante o de altaimpedancia). Esta particular caracterıstica, nos permite no solo usar 28 direccionesdiferentes que generalmente cuentan los Circuitos integrados; si no que ahora podemosprogramar 38 direcciones diferentes. Debido a que, tanto los microntroladores como losregistros de desplazamiento no proveen estados flotantes en sus terminales de salida, sehizo necesario la busqueda de un circuito integrado que a partir de una senal de controlpermitiera generar los tres estados (logicos: “0”, “1” y flotante).El circuito integrado que cubre esta necesidad es el 74HC125 que es un buffer de tresestados con senal de control. Este CI opera a partir de una senal de control, quedetermina si a la salida se establece un estado flotante o el estado logico presente en laentrada. Ası, para cada terminal de salida de la red el CI 74HC595 se conectara unaentrada del 74LS125 a excepcion de las terminales que van a los datos del decodificador.

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

De esta manera cada una de las terminales de direcciones de la pareja codificador/decodificador tendra la posibilidad de estar en los tres estados antes mencionados, deacuerdo a la direccion que se desee establecer.

6.2.5. Antena

La antena puede ser de tipo latigo y por lo tanto debe medir un cuarto de la longitudde onda de la portadora. La longitud de una onda es el perıodo espacial de la misma,es de cir, la distancia a la que se repite la misma. En este caso la portadora tieneuna frecuencia de 433.92MHz, frecuencia a la cual funcionara FireFly. Las ondas elec-tromagneticas se propagan a una velocidad que en el vacio es de 300.000 Km/s, paracalcular la longitud de la antena debemos encontrar la longitud de onda de la siguientemanera:

λ =C

f

λ =300,000KM/s

433,92MHz= 0,69m

λ

4= 17cm

De esta manera podemos usar una antena con una longitud de 17cm para obtener lamaxima eficiencia se recomienda utilizar antenas de tipo latigo de 1/4 de onda(16.5cm).Sin embargo, para equipos pequenos puede utilizarse antenas de tipo helicoidal connucleo de aire. Este tipo de antena esta disenada para montarse en circuitos impresos,tiene 3/8 de pulgada de diametro y 1.5 pulgadas de longitud, pero es menos eficienteque la antena tipo latigo.

Figura 6.8: Antena tipo helicoidal. Tomado de http://www.naylampmechatronics.com

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

6.2.6. Selector de frecuencias

Como observamos en la seccion de pruebas, la resistencia de oscilador determina lafrecuencia a la que codifica o decodifica el PT2264 y PT2272 respectivamente. A partirde las hojas de datos se obtiene que la relacion entre las frecuencias de oscilador internoes de 2.5 a 8 veces, siendo mayor la frecuencia en el decodificador. Ahora cuando estarelacion no se mantiene, el PT2272 no es capaz de decodificar la senal recibida y porlo tanto, la recepcion fracasa.Observemos un ejemplo:Tenemos dos 3 bloques y cada uno tiene un modulo WiFly. Ahora supongamos lassiguientes direcciones de codificador:

WiFly 1 WiFly 2 WiFly 3

PT2264 PT2272 PT2264 PT2272 PT2264 PT2272

1 4 2 1 3 1

Cuadro 6.2: Direcciones en cada una de las parejas PT2264/72 para el ejemplo.

Figura 6.9: Selector de frecuecias para el PT2264. Fuente: Autor

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

PT2264 PT2272

R. Oscilador F. Oscilador R. Oscilador F. Oscilador

7,72MΩ < 1KHz 3,09MΩ 15KHz

5,72MΩ 3KHz 2,27MΩ 35KHz

2,62MΩ 10KHz 1,09MΩ 67KHz

620KΩ 30KHz 270KΩ 180KHz

Cuadro 6.3: Resistencia de oscilador implementada y su frecuencia de oscilacion para los

CI PT2264/PT2272.

Como podemos observar WiFly 1 tiene como direccion en su encoder el valor “1” ytanto el WiFly 2 como el WiFly3 tiene como direccion en su decoder el valor ”1”.Esto significa que si WiFly 1 envıa un dato, los otros WiFly van a recibirlo, lo que esindeseable si se desea enviar unicamente informacion a un WiFly, por ejemplo WiFly2.Para eliminar este problema, se hace uso del integrado CD4066 que funciona comointerruptor analogico y permitira cambiar el valor de resistencia en las terminales OSC1y OSC2 de la pareja PT2264/PT2272. Cuando la resistencia de oscilador cambia, lafrecuencia tambien y, si no se conserva la relacion entre frecuencias, simplemente elPT2272 no podra decodificar la senal. Los posibles valores que puede tomar la parejaPT2264/PT2272 se pueden observar en el cuadro 6.3. La conmutacion de resistenciasfunciona tambien como una proteccion en Hardware, dificultado enormemente que unindividuo malintencionado aun sintonizando la frecuencia y la direccion del codificador,no tenga la frecuencia de oscilador que periodicamente estara cambiando.

Figura 6.10: Selector de frecuecias para el PT2272. Fuente: Autor

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

6.2.7. Ahorro de energıa

El ahorro de energıa es un aspecto en el que se ha pensado y para ello se ha imple-mentado dos circuitos de conmutacion, estan controlados mediante el microcontroladory cortan el suministro de energıa a los circuitos integrados del modulo que no se esteusando. Cuando se necesite de su funcionamiento, el micro-controlador se encargarade levantar los circuitos de conmutacion y por ende, volvera el suministro electrico alos circuitos. El primer circuito de conmutacion se encarga de la alimentacion de lossiguientes CI.

2 CI 74HC595 encargados de transformar los datos seriales del micro-controladoren datos paralelos para los 74HC125 y el PT2264..

2 CI 74HC125 encargados de transformar los datos de los registros de desplaza-miento en valores (‘0’, flotante, ‘1’) para las terminales de direccion del PT2264.

PT2264 encargado de la codificacion de la informacion.

Transmisor de RF 433MHz.

El circuito de conmutacion esta compuesto por dos mosfets (canal p y canal n). Cuandose requiera transmitir un dato inalambricamente, el microcontrolador envıa un 1 logicoa la compuerta del mosfet canal N y este entra en saturacion, permitiendo que elvoltaje entre puerta y source del mosfet de canal P sea negativo, permitiendo el pasode corriente a traves de el. Por el contrario, cuando la senal en el gate del mosfet canalN es 0V, el mosfet canal P se comporta como un circuito abierto impidiendo el paso decorriente hacia los circuitos integrados. Cuando el mosfet canal P se encuentra en cortela corriente consumida es de 1uA (corriente de fuga), reduciendo el gasto innecesario deenergıa. Para el bloque de recepcion se usa el mismo circuito. Sin embargo, el circuito deconmutacion controla unicamente dos 74HC595 y dos 74HC125 asociados al PT2272;los demas elementos son conectados directamente a VDD.

6.2.8. Integracion de los modulos

Despues de observar cada una de las funciones de estos modulos, vamos a establecerconcretamente el diseno final del hardware para el sistema domotico. Recordando lahoja de datos del CI PT2264 se observa que posee ocho terminales para establecimientode la direccion, cuatro para datos y una para el control de envıo. Tambien sabemos quecada CI 74HC595 nos permite ocho(8) salidas en paralelo. Por ultimo, debemos teneren cuenta que, para controlar cada terminal de direccion en el codificador necesitamosun buffer de tres estados, el cual necesita de dos terminales para su funcionamiento;esto quiere decir que necesitamos un total de 16 terminales para asignar una direccional codificador.A partir de los datos encontrados, el calculo del numero de 74HC595 y 74LS125 que se

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.11: Circuito de conmutacion para la etapa de transmsion. Fuente: Autor

Figura 6.12: Circuito de conmutacion para la etapa de recepcion . Fuente: Autor

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

deben implementar es el siguiente:

(8 direcciones) ∗ (2 compuertas 74HC125) = 16 terminales

Esto significa que se requieren 2 circuitos 74HC595. Ahora vamos a calcular el numerode CI de 74LS125 se requiere:Cada CI 74LS125 tiene 4 compuertas en su interior, como se necesitan 8 compuertasel numero de CI que se requiere es 2. El diseno para el decodificador es el mismo aexcepcion de los siguientes ıtems:

El microcontrolador recibe la senal VT proveniente del decodificador y no envıauna senal como lo hace el codificador, esto lo realiza a traves de otra terminal.

Los datos que antes eran de entrada en el codificador ahora son de salida endecodificador. Estas terminales van conectadas al microcontrolador y seran losdatos que se reciban de otros Wi-Fly.

En total el modulo Wi-Fly estara constituido por los siguientes elementos:

PIC 16F1933.

4 CI 74HC595(Registro de desplazamiento).

4 CI 74HC125(Buffer de tres estados).

1 CD 4066 (selector de frecuencias).

Power Management (encargado de la alimentacion y las protecciones).

2 conectores hembra (5 terminales).

2 conectores macho (5 terminales).

Ahorro de energıa (Source Enco/Source Deco).

Pines de programacion (debug).

Otras aplicaciones, posibilidad de conectar un motor o una carga especıfica paraaplicaciones como robotica.

3 Leds indicadores de estado (configuracion, funcionamiento normal).

3 botones (configuracion, aplicacion y reset).

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.13: Registros de desplazamiento, selector de frecuencias y buffer de tres estados

para el PT2264. Fuente: Autor

Figura 6.14: Registros de desplazamiento, selector de frecuencias y buffer de tres estados

para el PT2272. Fuente: Autor

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Figura 6.15: PIC 16F1933. Fuente: Autor

Figura 6.16: Conexiones de los modulos de transmision/recepcion 433MHz. Fuente: Autor

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.17: Aplicacion extra (usos futuros). Fuente: Autor

Figura 6.18: Terminales para conectar otros modulos. Fuente: Autor

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Figura 6.19: Diagrama de bloques para el modulo AS-Fly. Fuente: Autor

6.2.9. Modulo AS-Fly

Uno de los objetivos del sistema domotico es que sea modular y que permita la in-terconexion de amplia variedad de sensores. Bueno, superar estos requerimientos seha disenado el modulo AS-Fly compuesto por un microcontrolador PIC16F1933, dosinterfaces que permiten la conexion de modulos SFly, AFly y fuente; dos display visua-lizadores que permiten la configuracion por parte del usuario de las tarjetas conectadasal modulo, pulsadores de configuracion (mini keyboard) y Power Management. La fun-cion de AS-Fly es tomar los datos de los sensores/actuadores conectados, interpretarlosy transmitirlos al modulo Wi-Fly conectado a el. Ademas, permite la personalizaciony configuracion de modos de operacion para las Shields que se conecten, dando versa-tilidad y modularidad al sistema domotico. En las secciones siguientes se muestran loscomponentes que hacen posible estas prestaciones.

6.2.9.1. Microcontrolador

El microcontrolador PIC16F1933 tiene la funcion de recibir , controlar e interpretar losdatos provenientes de la Shield A y B; controlar la alimentacion de las mismas(ahorrode energıa), definir que tipo de tarjetas estan conectadas (SFly/AFly/Fuente) y seencarga del control de teclado y display de configuracion para las tarjetas conectadas.

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.20: Microcontrolador del modulo AS-Fly. Fuente: Autor

6.2.9.2. Puertos de expansion (Shields)

El modulo AS-Fly cuenta con dos puertos de conexion para dos tipos de placas Shield,modulos SFly y modulos AFly. Esto permite por ejemplo contar con sensor y actuadoren un mismo modulo AS-Fly. Estos puertos de expansion estan basados en el estandarmikrobus, para la comunicacion. Adicionalmente, cuenta con puertos de alimentacionsi el sensor/actuador requiere de alimentacion especial, puertos interconectados al mi-crocontrolador y puertos para aplicaciones futuras.

6.2.9.3. Display y taclado de configuracion

Por ultimo, el modulo AS-Fly cuenta con una interfaz de configuracion compuesta por3 botones y 16 leds, estos permiten personalizar y configurar las Shields conectadas.Definitivamente le da un plus al sistema domotico por que una pareja sensor/actuadorpuede funcionar en diferentes modos. Por ejemplo, se tiene un sensor de paso y unbombillo; mediante la interfaz se podrıa configurar en 3 modos diferentes. El primeroserıa el modo dimmer, en donde se podrıa a partir de los leds de visualizacion establecerel nivel de iluminacion deseado. El segundo modo serıa el de temporizacion, donde elbombillo estara encendido por un tiempo X segun se desee. Finalmente, el bombillose encenderıa o apagarıa manualmente vıa pulsador. Los leds de visualizacion deter-minan el modo o el nivel (maximo/mınimo) del parametro que se este configurando(iluminacion, temperatura, presion, velocidad, etc.)en funcion del sensor/actuador aconfigurar.

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Figura 6.21: Diagrama esquematico para el display y teclado de configuracion. Fuente:

Autor

6.2.10. Modulos SFly

El modulo AS-Fly tambien cuenta con sistemas de ahorro de energıa. El bloque EnableShield controla la alimentacion de las shields conectadas, habilitando o deshabilitandola misma si es necesario o no que el modulo consuma energıa electrica. Por ultimo, elmodulo AS-Fly cuenta con una interfaz de configuracion compuesta por 3 botones y 16leds, estos permiten personalizar y configurar las Shields conectadas. Definitivamentele da un plus al sistema domotico por que una pareja sensor/actuador puede funcionaren diferentes modos. Por ejemplo, se tiene un sensor de paso y un bombillo; mediante lainterfaz se podrıa configurar en 3 modos diferentes. El primero serıa el modo dimmer,en donde se podrıa a partir de los leds de visualizacion establecer el nivel de iluminaciondeseado. El segundo modo serıa el de temporizacion, donde el bombillo estara encendidopor un tiempo X segun se desee. Finalmente, el bombillo se encenderıa o apagarıamanualmente vıa pulsador. Los leds de visualizacion determinan el modo o el nivel(maximo/mınimo) del parametro que se este configurando (iluminacion, temperatura,presion, velocidad, etc.)en funcion del sensor/actuador a configurar.

6.2.11. Modulos SFly

La tarjeta SFly se encarga de acondicionar el sensor (temperatura, luminosidad , hume-dad , etc) para pueda enviar senales que pueda interpretar el microcontrolador, siendointerfaz entre sensor y AS-Fly(control). Esta tarjeta esta constituida generalmente poracondicionadores de senal e alimentacion. Por ejemplo, si se desea sensar temperatura,la tarjeta estara compuesta por el sensor LM35 y todo su acondicionamiento (filtro,compensacion, amplificacion, etc). El diseno de la tarjeta dependera del sensor que sedesea utilizar. Sin embargo, gracias a la modularidad que ofrece el modulo AS-Fly,

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

se pueden utilizar gran variedad de sensores. Como se puede observar en la figura ??

Figura 6.22: Tarjeta SFly. Fuente: Autor

la tarjeta SFly, a partir de sus terminales permite tanto el acondicionamiento comola comunicacion del sensor con el modulo AS-Fly. La parte inferior de la tarjeta estacompuesta por el estandar mikroBUS, donde las terminales AN y PWM sensara ycontrolara el estado del sensor respectivamente; las demas terminales del mikroBUScorresponden a la comunicacion entre la tarjeta AS-Fly y SFly, en caso de que estaultima posea un microcontrolador. La parte media de la tarjeta esta constituida porterminales de alimentacion, tanto para DC (izquierda) como AC(derecha). Por ultimo,la parte superior esta compuesta por pines de entrada/salida que estaran conectadosal microcontrolador del modulo AS-Fly. Entre sus funciones esta informarle al micro-controlador que tipo de sensor esta conectado, controlar la alimentacion de la tarjeta(ahorro de energıa) y aplicaciones futuras.El funcionamiento de SFly consiste en la obtencion de datos a traves del sensor. Elmodulo SFly esta conectado a el modulo AS-Fly, este ultimo, mediante bus I2C estaconectado al modulo WiFly el cual se encarga de propagar la informacion que vayasuministrando cada modulo SFly hacia otros modulos, como por ejemplo el moduloAFly.

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

6.2.12. Medidas a tener en cuenta a la hora de instalar sensores

6.2.12.1. Sensor de luminosidad

Hay que tener en cuenta que el resultado esperado va en funcion de la regulacion deintensidad luminosa el patron que se desea controlar[27]. Es importante proteger elsensor de la radiacion solar directa para incrementar la vida util del mismo. Tambien,es importante tener en cuenta en el diseno el tiempo de retardo del sensor, algunossistemas domotico cuentan con la posibilidad de variar esta caracterıstica. Esto permiteincrementar el tiempo a partir de un temporizador asociado a la entrada del sensor, deesta manera el sensor enviara su senal tiempo mas tarde. Este tipo de consideracionesevita por ejemplo, que se suban y bajen continuamente las persianas(actuador) en dıasdonde la luminosidad del lugar cambie rapidamente.

6.2.12.2. Sensor de presencia(PIR)

Para la instalacion de este tipo de sensores se debe tener en cuenta la posicion, orien-tacion y altura donde se desea colocarlo, ya que la zona de deteccion y los angulosmuertos dependen de la ubicacion del sensor. Otras consideraciones son las siguientes.

Se pueden combinar varios sensores a distintos angulos (90oC, 180oC, 360oC) enla misma zona para cubrir todos lo angulos posibles de la misma.

Este tipo de sensores solo funcionan bien en interiores, en exteriores daran res-puestas incorrectas(Viento).

Por ultimo, en algunos sensores podemos desactivar el LED senalizador. En es-tancias como dormitorios puede parecer molesta esta luz que se activa mientrasse mueve la persona.

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

6.2.12.3. Sensor de humo

Hay que prever con antelacion la colocacion de este tipo de sensores en techosy/o paredes (preinstalacion), teniendo en cuenta situarlo cerca de las fuentes decalor (vitroceramica, chimenea, caldera de calefaccion, depositos de combustible,etc.) y de corto circuito (Caja de potencia) que se tenga en el inmueble.

Evitar colocar el sensor de humo en zonas de corrientes de aire que puede n dirigirel humo en direccion opuesta al sensor.

6.2.12.4. Sensor de ultrasonico

Para lograr un gran alcance y reducir las interferencias acusticas es importanteque el haz emitido sea estrecho.

Si el tamano del objeto es menor que la longitud de onda, la radiacion reflejadaes debil, por lo que para objetos pequenos se debe trabajar en alta frecuencia.

El efecto de las interferencias acusticas es menor a altas frecuencias pero la ate-nuacion de la onda es mayor.

Si la temperatura ambiente no es constante hay que recompensar la variacion de lavelocidad c de propagacion (a menor temperatura mayor tiempo de recepcion). Lavelocidad tambien depende de la presion, la densidad o la presencia de sustanciasdisueltas. Por ello, se suele calcular primero el valor de c mediante la reflexion enun objeto a una distancia conocida.

6.2.13. Modulos AFly

La tarjeta AFly se encarga de acondicionar el actuador (Bombillo, persiana, motor, etc)para que pueda ser controlado mediante senales digitales, siendo interfaz entre Actuadory AS-Fly(control). Esta constituida generalmente por drivers de potencia, ya sea AC oDC. Por ejemplo, si se desea controlar un bombillo la tarjeta AFly estara constituidapor un optoacoplador y un TRIAC, funcionando como interruptor a partir de una senalde control. Tambien, puede presentarse que el actuador necesite tension alterna perodiferente a 120V; en este caso, adicionalmente al optoacoplador y TRIAC se necesitarıaun reductor (transformador) que ajuste el voltaje de funcionamiento del actuador. Estoquiere decir que AFly puede ser de tipo X para un actuador X y una tarjeta Y paraun actuador tipo Y, pero siempre teniendo como estandar dimensiones y terminalescomunes. Como se puede observar en la figura ?? y al igual que la tarjeta SFly la tarjetapermite la conexion de una amplia variedad de actuadores; incluyendo de tipo AC yDC. La parte inferior de la tarjeta esta compuesta por el estandar mikroBUS, donde lasterminales AN y PWM sensara y controlara el estado del actuador respectivamente; lasdemas terminales del mikroBUS corresponden a la comunicacion entre la tarjeta AS-Fly

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Figura 6.23: Modulo AFly). Fuente: Autor

y AFly, en caso de que esta ultima posea un microcontrolador. La parte media de latarjeta esta constituida por terminales de alimentacion, tanto para DC(izquierda) comoAC(derecha). Por ultimo, la parte superior esta compuesta por pines de entrada/salidaque estaran conectados al microcontrolador del modulo AS-Fly. Entre sus funcionesesta informarle al microcontrolador que tipo de actuador esta conectado, controlar laalimentacion de la tarjeta(ahorro de energıa) y aplicaciones futuras.El funcionamiento de AFly consiste en el control del actuador a partir ya sea del moduloPWM, que depende de la senal que reciba del sensor asociado o un sistema ON/OFF,donde es controlado por una senal logica (“0”-“1”). El circuito de acondicionamientodependera del actuador mismo, donde los actuadores reactivos (motores, Reles) tendranun acondicionamiento acorde a sus caracterısticas y necesitaran circuitos adicionales.

6.2.14. PowerFly

Este modulo es el encargado de suministrar la alimentacion necesaria para que losmodulos conectados al bloque operen en condiciones nominales. Esta compuesto poruna baterıa LiPo de 3.7V con su respectivo cargador, un PIC 16F1933, un circuitoelevador y un circuito de conmutacion(Power Management). Este ultimo permite el usode fuentes auxiliares, dando la oportunidad de alimentar el bloque con fuente externa

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.24: Modulo PowerFly. Fuente: Autor

mientras la misma carga la baterıa.

6.2.15. Power Management y protecciones

Como observamos en las secciones anteriores, tanto los modulos PowerFly como AFly-SFly tienen la posibilidad de ser alimentados por una fuente externa, ya sea directa-mente a un tomacorriente, si la tarjeta cuenta con un conversor AC/DC o una fuenteDC (Adaptador). Es decir que podemos alimentar el sistema Domotico FireFly de va-rias maneras dependiendo del modulo que tenga una fuente conectada. Tambien, puededarse el caso que se tenga una fuente auxiliar conectada en el modulo PowerFly, peropor ejemplo si el actuador conectado al AFly es un bombillo, este necesita 120V dela red para funcionar, esta fuente de energıa tambien puede proporcionar energıa alsistema si la tarjeta del actuador cuenta tambien con un conversor AC/DC. En vistade estas situaciones en las cuales dependiendo de la aplicacion (sensores/actuadores), sepueden tener varias posibilidades de alimentar el sistema, se tomo la decision de disenaruna red (Power Management) en cada uno de los modulos que permita la conmutacionde fuentes, es decir, entre fuente propia del modulo o una fuente de otros modulos. Lared tiene el siguiente funcionamiento.

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6.2 Diseno e implementacion sistema domotico FireFly

Figura 6.25: Red Power Management. Fuente: Autor

Si el bloque en el momento de encendido no tiene alimentacion y el modulo encuestion se le conecta una fuente de alimentacion, entonces dicha fuente alimen-tara todo el bloque.

Si el bloque en el momento de encendido cuenta con una fuente ya conectada(baterıa/fuente auxiliar) en alguno de los modulos y otro modulo conecta unafuente mas entonces dicha fuente es aislada y el bloque se alimentara con lafuente que ya estaba conectada.

Si el bloque en el momento de encendido esta alimentado unicamente por unabaterıa (PowerFly) y seguidamente se conecta una fuente auxiliar, dicha fuentealimentara el sistema domotico y cargara la baterıa.

En todos los casos anteriores, en caso de existir una fuente auxiliar conectadaesta cargara la baterıa.

Para el diseno de esta red se definio que la alimentacion de cada modulo va a estarestablecida por tres terminales (VBAT, VCC y GND). Donde VBAT es una lınea queproporcionara la alimentacion por parte de la baterıa en caso de que este conectada;VCC es la lınea de alimentacion en caso de que exista en algun modulo una fuenteauxiliar conectada y por ultimo, GND que sera la tierra comun para todo el bloque.Como podemos observar en la figura 6.25 la red esta compuesta de 3 mosfets de enri-quecimiento (2 canal p, 1 canal p), 2 diodos de conmutacion rapida y dos resistencias.La red tiene dos entradas VBAT y VCC y una salida (VDD), esta ultima es la quesuministrara energıa al modulo. El funcionamiento es el siguiente:

Cuando unicamente se encuentra conectada la baterıa, en la terminal VBAT seencontrara en 5V y la terminal VCC se encontrara en 0V, como los mosfets A y

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

B son canal P, el mosfet B tendra VGS = −5V dejando pasar corriente a travesde VBAT hacia VDD. Por el contrario, el mosfet A tendra VGS = −0V debido aque el mosfet C estara en corte y el voltaje en el Drain es VDD, por lo tanto estemosfet actuara como interruptor abierto.

Cuando se encuentre conectada fuente auxiliar, la terminal VCC tendra un vol-taje de 5V y la terminal VBAT tendra 0V, el mosfet B tendra VGS = −0Vtransformandose en un circuito abierto. El mosfet A tendra VGS = −5V debidoa que el mosfet C estara en saturacion y su voltaje en el Drain sera 0V. De estamanera el modulo es alimentado por la fuente auxiliar VCC.

Cuando se encuentren conectadas tanto fuente auxiliar (VCC = 5V) como baterıa(VBAT=5V), el mosfet A tendra VGS = −5V ,suficiente para que actue comointerruptor cerrado y deje pasar corriente a traves de la terminal VCC.

Por el contrario, el mosfet B tendra VGS = −0V convirtiendose en un circuitoabierto evitando el paso de corriente proveniente de la baterıa. Los diodos D2y D4 son protecciones a cortocircuito por conexion de alimentacion invertida ypara proteger las fuentes de corrientes inversas, bloqueando el paso corrientesprovenientes de otros modulos por la terminales VBAT y VCC.

El condensador electrolıtico de 47uF se usa para mantener el voltaje en los CI cuandolos MOSFET conmutan, evitando que el voltaje descienda a niveles indeseables y sereinicie los microcontroladores. Finalmente, la resistencia de 100KΩ es para disminuirel consumo de corriente a traves del gate y asegurar el voltaje VGS . La resistencia de10KΩ es para la polarizacion del mosfet canal N.

6.3. Software

6.3.1. Protocolo de comunicacion inalambrico ADN

ADN por sus siglas en ingles (Aleatory Device Number) es un protocolo de comunica-cion a nivel de capa de enlace. Este protocolo esta encargado de que la informacion queun modulo WiFly sea unicamente recibida correctamente por su destinatario y no porotros dispositivos (intrusos o modulos del sistema domotico para los que esta informa-cion es transparente). Para lograrlo, cada modulo ya sea SFly, AFly o PowerFly reservados direcciones aleatorias guardadas en memoria; a partir de la direccion establecida encada modulo WiFly, el enlace de comunicacion sera exclusivo para los modulos WiFlyque establezcan coincidencia en sus direcciones. Cabe mencionar que, estas direccionesson establecidas por el microcontrolador PIC16F1933, en conjunto con los registros dedesplazamiento y por los buffer de tres estados; esto se explicara mas adelante.Como se menciono en la seccion dedicada a disenar el Hardware, los dispositivos detransmision/recepcion en RF cuentan con un campo de direccion y uno de datos, sien-do 8 y 4 bits respectivamente. Esto significa que por enlace, es posible enviar cuatro

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6.3 Software

bits de datos. Sin embargo, el objetivo del sistema domotico consiste en implementarsensores y actuadores con resolucion hasta de 8bits. Para solucionar este inconvenien-te, el protocolo de ADN se vale de este inconveniente y lo convierte en una ventaja.Como el objetivo es enviar y recibir datos de 8bits, se requiere hacer dos enlaces cadauno con un paquete de 4bits. En consecuencia se decidio que el protocolo permitiera laverificacion de envio para cada enlace, de esta manera un dispositivo WiFly envio laprimera parte del dato (4bits) con una direccion aleatoria numero uno y esperara unaconfirmacion de recepcion. Para verificar que el modulo WiFly envio satisfactoriamenteel dato, debe recibir el mismo dato durante un intervalo de tiempo; si el intervalo detiempo expira, WiFly asumira que la transmision fallo y que debe intentar de nuevo.Sin embargo, si recibe la confirmacion WiFly enviara la segunda parte del dato conuna segunda direccion aleatoria, entrara en un estado de espera en el cual repetira elmismo proceso; verificando su enlace concluyendo satisfactoriamente la comunicacion.Esto quiere decir que tanto el dispositivo WiFly transmisor como receptor deben teneruna secuencia comun de direcciones aleatorias, haciendo posible los enlaces, esto seexplicara con detenimiento mas adelante. Por el momento es fundamental entender deuna manera sencilla el funcionamiento del protocolo.

Figura 6.26: Trama de comunicacion para el protocolo ADN. Fuente: Autor

6.3.2. Funcionamiento WiFly

WiFly es el corazon de cada sensor o actuador que este interconectado a el; esta encar-gado de la gestion y control de la comunicacion entre sensores y actuadores en el sistemadomotico. Para explicar su funcionamiento, se haran algunas observaciones sobre suscaracterısticas:

WiFly realiza comunicacion alambrica mediante el bus I2C y a partir de estebus es capaz de enviar y recibir informacion de los modulos SFly, AFly y Po-werFly interconectados a el. La trama de comunicacion para el protocolo ADNes transportada mediante el bus I2C.

WiFly realiza comunicacion inalambrica entre dispositivos WiFly haciendo uso delos dispositivos de transmision/recepcion (PT2264 y PT2294); esta comunicacionse hace en la banda de 433MHz y con modulacion ASK.

El flujo de operacion para el modulo WiFly es cıclico y seguira de esa manera mientrasel dispositivo permanezca alimentado. A partir de este diagrama de flujo se puedeobservar a grandes rasgos el funcionamiento de WiFly; en las secciones siguientes seexplicara paso a paso cada proceso que ejecuta el dispositivo.

105

6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.27: Proceso de comunicacion para dos modulos WiFly. Fuente: Autor

Figura 6.28: Comunicacion fallida. Fuente: Autor

106

6.3 Software

Figura 6.29: Diagrama de flujo de funcionamiento para WiFly. Fuente: Autor

6.3.2.1. Inicializacion WiFly

Cuando se energiza WiFly lo primero que realiza es inicializar todos sus dispositivos.

6.3.2.2. Lectura de los dispositivos mediante I2C

WiFly en este paso realiza un barrido por todas las direcciones I2C de dispositivos quese pueden conectar al modulo (SFly/AFly).

6.3.2.3. Determinacion de cuantos dispositivos y de que tipo estan conec-

tados

En este paso WiFly a partir de los datos que recibe del bus I2C determina cuantosdispositivos SFly y AFly estan conectados a el. Esto es primordial, sin esta informacionel dispositivo WiFly intentarıa comunicarse con dispositivos que no estan conectadoshaciendo mas lenta la comunicacion.

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.30: Diagrama de flujo para la inicializacion de WiFly . Fuente: Autor

Figura 6.31: Diagrama de flujo para la inicializacion de WiFly . Fuente: Autor

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6.3 Software

Figura 6.32: Determinacion de cuantos dispositivos y de que tipo estan conectados a

WiFly. Fuente: Autor

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.33: Lectura y guardado de informacion de los dispositivos conectados a WiFly.

Fuente: Autor

6.3.2.4. leer y guardar las tramas de los dispositivos conectados a traves

del bus I2C

Cuando WiFly ha establecido los dispositivos que estan conectados, procede a comuni-carse con ellos mediante el bus I2C, en busca de datos nuevos por enviar.

6.3.2.5. Leer cada trama guardada y poner el decoder (PT2294) en la

direccion del dispositivo

Despues de guardar todas las tramas leıdas por WiFly y partir de su informacion,WiFly determina la direccion de decoder que debe establecer. Esto quiere decir quecada dispositivo conectado a WiFly tendra una direccion que se envıa mediante I2C.Esta direccion se mantendra por un tiempo, en el cual, WiFly podra recibir informacion

110

6.3 Software

proveniente de otro modulo WiFly; cuya direccion de encoder coincide con esta direc-cion. En caso de que reciba algun dato por parte de otro WiFly, este crea un dispositivo“virtual”; este se guarda de igual manera que las tramas recibidas por el bus I2C. Esteproceso se hace para cada una de las tramas de los dispositivos guardados.

6.3.2.6. Lectura de cada trama guardada y escritura mediante el bus I2C

a todos los dispositivos conectados

En esta paso se envıa la trama de comunicacion con el ADN y el dato, si y solo si elcampo de control de envıo esta habilitado. Este campo de control se habilita cuandoun sensor (Modulo SFly) quiere enviar un dato o cuando un actuador (AFly) deseaenviar un Acknowledge. Esto quiere decir que WiFly estara leyendo constantemente losmodulos que esten conectados el; sin embargo, solo propagara esta informacion a otrosdispositivos conectados cuando el campo de control valga “1”.

6.3.2.7. Leer trama del N-esimo dispositivo virtual y escribir mediante bus

I2C a todos los dispositivos conectados

En este paso WiFly los dispositivos virtuales creados en el proceso de lectura, en casode existir alguno los datos almacenados: la direccion y el dato, son enviados mediantebus I2C. Esto se repite para todos los dispositivos virtuales guardados.

6.3.2.8. Enviar datos almacenados en WiFly si se requiere

En este ultimo paso WiFly evalua si debe propagar inalambricamente tramas guardadasen el mismo. De manera analoga a la propagacion por I2C, si el campo de control seencuentra en “1” WiFly tomara la direccion que debe establecerse en el PT2264, eldato que debe enviarse y lo enviara inalambricamente.

6.3.3. Funcionamento SFly

El modulo SFly esta conectado al modulo AS-Fly mediante el estandar mikroBUS.Este bus sirve de interfaz entre el sensor conectado en el modulo SFly y Wi-Fly. Cabeaclarar que acknowledge que SFly espera es el mismo dato que envıo. El funcionamientogeneral y por etapas del modulo SFly se explicara a continuacion:

6.3.3.1. Inicializacion SFly

El primer paso es inicializar tanto el microcontrolador PiC16f1933, ası como el sensora utilizar.

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.34: Lectura y guardado de informacion de los dispositivos conectados a WiFly.

Fuente: Autor

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6.3 Software

Figura 6.35: Escritura mediante Bus I2C a todos los dispositivos conectados. Fuente:

Autor

Figura 6.36: Trama de comunicacion I2C. Fuente: Autor

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.37: Lectura de dispositivos virtuales. Fuente: Autor

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6.3 Software

Figura 6.38: Enviar inalambricamente datos si se requiere. Fuente: Autor

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.39: Diagrama de flujo de funcionamiento para SFly. Fuente: Autor

Figura 6.40: Inicializacion de SFly. Fuente: Autor

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6.3 Software

Figura 6.41: Comportamiento de SFly frente a cambios del sensor. Fuente: Autor

6.3.3.2. Estado del sensor

En este paso el microcontrolador evalua si el estado del sensor ha cambiado. Si es ası, sehabilita el campo de control de envıo; asignandose en el vector de envıo el primer ADNy la primera parte del dato. Este vector de envıo sera tomado por el modulo WiFlymediante el bus I2C.

6.3.3.3. Comunicacion con WiFly

En este punto el microcontrolador a traves de su interrupcion SSP (I2C) determina siWiFly requiere datos del vector de envıo o, por el contrario, esta enviando informacionpara ser procesada por SFly. Si WiFly requiere datos SFly primero evalua si el campode control esta habilitado, si es ası, determina si esta por enviar la primera o la segundaparte del dato; en funcion de esto enviara la primera o la segunda direccion, ası comola primera o la segunda parte del dato respectivamente.

117

6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.42: Diagrama de flujo de funcionamiento para SFly. Fuente: Autor

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6.3 Software

Figura 6.43: Espera del primer ACK. Fuente: Autor

6.3.3.4. Primer ACK

Despues de enviar la primera parte del dato, SFly entra espera y debe recibir un ack-nowledge que le indicara que debe asignar al vector de envıo I2C el segundo ADN y lasegunda parte del dato. Si esto no ocurre y el tiempo de espera concluye, SFly sabraque la comunicacion fallo y debe intentar de nuevo la comunicacion.

6.3.3.5. Segundo ACK

Cuando se recibe el primer ACK, SFly cambia el vector de envıo a la segunda direcciony la segunda parte del dato, como se explico en la seccion comunicacion con WiFly.A continuacion por un tiempo SFly espera recibir el segundo ACK; si esto sucede, lacomunicacion tuvo exito y se da por terminada.

119

6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.44: Espera del segundo ACK. Fuente: Autor

120

6.3 Software

6.3.4. Funcionamiento AFly

AFly es el modulo que actuara en funcion de los datos que reciba del modulo WiFlyvinculado; este a su vez recibe esos datos de un modulo SFly que puede pertenecer almismo modulo WiFly u otro. El funcionamiento general del modulo AFly se explica acontinuacion. Basicamente el modulo AFly funciona de la misma manera que SFly, ex-cepto por que en vez enviar datos su funcion es recibirlos, enviar un ACK y finalmenteactuar en relacion a los mismos. El modulo AFly esta conectado modulo AS-Fly, encar-gado de servir de interfaz entre la aplicacion y el modulo Wi-Fly mediante el protocoloI2C.

Figura 6.45: Funcionamiento del modulo AFly en las interrupciones I2C. Fuente: Autor

121

6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.46: Diagrama de flujo para el modulo AFly (secuencia general). Fuente: Autor

122

6.4 Programacion de la tarjeta de reconocimiento de voz EasyVR 3

6.4. Programacion de la tarjeta de reconocimiento de voz

EasyVR 3

Para realizar la programacion de la tarjeta EasyVr 3 debemos ahondar en el protocolode comunicacion que se debe emplear en el modulo EasyVR 3 para comunicarse con el,esta se realiza mediante comunicacion serial.

Los caracteres que se utilizan para los comandos que recibe el modulo ası comola respuesta que da el modulo a esos comandos, ambos seran siempre caracteresen minuscula.

Los caracteres que se utilizan para enviar los parametros de los comandos trans-mitidos como los recibidos seran siempre caracteres en mayuscula.

Cada comando que se transmite por la lınea Tx (del Host-MCU al EasyVR) con losparametros necesarios (cero o mas caracteres) genera la correspondiente respuesta porparte del EasyVR que sera recibida por el Host-MCU por la lınea Rx, esta respuestatambien puede tener argumentos o parametros de cero o mas caracteres.Hay un retardo mınimo entre cada byte enviado al host-MCU por parte del moduloEasyVR que inicialmente es de 20 ms pero que despues podremos modificar en losrangos siguientes: 0 - 9 ms, 10 - 90 ms y 100 ms - 1 s para adaptar la velocidad detransmision a la velocidad de proceso del host-MCU.La comunicacion es controlada por el host-MCU y cada byte que envıa el moduloEasyVR en respuesta a un comando enviado por el host debe de ser reconocido poreste que envıa el caracter espacio (0x20)Cuando el host-MCU envıa una combinacion incorrecta de comandos y/o argumentos eleasyVR responde con un byte de estado que debe ser tratado correctamente por partedel host-MCU. Tambien se debe de tener en cuenta el programar un retardo aceptablepara recuperarse de fallos inesperados.Si el host-MCU no envıa todos los argumentos necesarios de un determinado comando,el comando es ignorado por el modulo, en este caso el modulo no envıa en respuestaningun byte de estado y el host-MCU puede enviar otro comando.El modulo pasa automaticamente al modo sleep o de bajo consumo despues de unapuesta en marcha, para sacarlo de ese estado e iniciar la comunicacion se envıa uncaracter cualquiera.

6.4.1. Comandos

Los comandos mas importantes utilizados en la demo, ası como los argumentos requeri-dos por cada uno de ellos, para ver todos los comandos implementados en el protocolover el manual del fabricante. [1] [2] establecen el ındice que ocupa el sonido a reproduciren la tabla de sonidos segun la siguiente formula: ındice = [1] * 32 + [2], [3] configurael volumen de la reproduccion: 0 = Mınimo, 15 = Medio, 31 = Maximo. [1] como argu-

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6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.47: Comunicacion entre EasyVR 3 y el host micro-controlador. Fuente: Autor

Figura 6.48: Comando de reproduccion de sonidos. Fuente: Autor

mento se debe pasar el ındice del grupo donde se encuentra las voces a reconoce: (0 =trigger, 1-15 = generic, 16 = password). Estas voces se pueden grabar en el programaEasyVRcomander v.3.3.7 y sera las que comparara con las que el usuario vocalice.Los argumentos de los comandos como hemos dicho antes son caracteres imprimiblesque siguen el siguiente criterio de codificacion:

6.4.2. Reconocimiento de un comando definido por el usuario

En este caso el comando que utilizamos es RECOG-SD cuyo codigo es ’d’ y que tienecomo argumento el grupo donde se encuentra la voz a reconocer. Si el comando esaceptado el modulo respondera con un reconocimiento caracter (‘r’), en ese caso ten-dremos que enviarle un caracter en blanco, con esto le decimos al modulo que envıe elsiguiente valor que contendra la posicion del comando en el grupo. Si el comando no esreconocido mandara un STS-ERROR en cuyo caso se entrara el default-case, se enviaraun beep de error cadena (”wAAP”) y pondremos el modulo otra vez en modo escuchaa la espera del siguiente comando a reconocer.

6.5. Aplicacion implementada

Especıficamente para este proyecto se va a implementar una aplicacion la cual consisteen el control de encendido y apagado para un bombillo a partir de comandos de voz.Para llevar a cabo esta aplicacion se requiere la utilizacion de dos bloques de modulos.El primero consiste en un modulo WiFly, un modulo PowerFly y un modulo SFly. Este

124

6.5 Aplicacion implementada

Figura 6.49: Comando de reconocimiento de voz. Fuente: Autor

Figura 6.50: Caracteres con los que se comunica la tarjeta EasyVR 3. Fuente: Autor

ultimo esta compuesto por una tarjeta de reconocimiento EasyVR 3, la cual se encargade procesar los comandos de voz que son realizados por un usuario en funcion de loque desee que haga la aplicacion; para este caso, sera el encendido y apagado de unbombillo. El segundo bloque esta compuesto por los modulos WiFly y AFly. El moduloAFly esta compuesto por una interfaz de control DC/AC para controlar a partir demicro-controlador el encendido y apagado de una bombilla CFL. El funcionamiento delsistema FireFly para esta aplicacion es el siguiente:

El primer modulo (sensor) estara a la espera constantemente de que el usuarioejecute algun comando con su voz, por ejemplo encender o apagar.

Mientras el modulo SFly con la tarjeta EasyVR 3 no detecten ningun comandovalido por voz, el bloque estara en estado de ahorro de energıa, pero siempre a laespera de encenderse con un comando valido..

Sı el usuario vocaliza un comando valido como prender o apagar, entonces elmodulo EasyVR 3 enviara mediante comunicacion serial un reconocimiento ha-cia el micro-controlador. Cuando el micro-controlador recibe este reconocimientoentabla una comunicacion con el modulo EasyVR 3 para determinar que tipo decomando fue el que realizo el usuario. Por ejemplo, si el comando fue encenderentonces EasyVR 3 envıa un caracter mediante RS232 como se vio en la seccionanterior, indicando que ese fue el comando que se realizo y por ende, el microcon-trolador lo interpreta como una accion que debe transmitir a traves del moduloWiFly.

Para que la orden de encendido pueda llegar al segundo bloque (AFly) el micro-controlador debe guardar en el buffer de I2C la direccion de destino AFly y laorden, en este caso encender bombillo.

125

6. DISENO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DOMOTICO

Figura 6.51: Diagrama de bloques para el bloque 1 (sensor EasyVr 3). Fuente: Autor

Figura 6.52: Diagrama de bloques para el bloque 2 (actuador bombilla CFL). Fuente:

Autor

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6.5 Aplicacion implementada

Figura 6.53: Diagrama del funcionamiento del sistema domotico implementado. Fuente:

Autor

Cuando WiFly mediante I2C lee las tramas de los dispositivos conectados y de-tecta que debe enviar informacion, configura la direccion del PT2264 y envıa laorden hacia el bloque 2(AFly).

Una vez enviada la orden de encendido, el bloque 2 la recibe y el WiFly de estebloque 2 le envıa mediante I2C la orden al modulo AFly y este en consecuenciale envıa una senal a la interfaz DC/AC para que el bombillo prenda. En casode que el usuario desee apagar el bombillo, se repetiran los pasos anteriores perousandose el comando de voz “apagar”.

127

Capıtulo 7

PCB

Como observamos en la seccion anterior, para implementar el sistema domotico necesi-tamos dos bloques el primero constituido por los modulos WiFly1, AS-Fly1(EasyVR 3)y PowerFly. El segundo esta constituido por los modulos Wi-Fly2 y AS-Fly2(BombilloCFL). Por lo tanto, se requiere el diseno PCB para cada una de las placas anteriormentemencionadas.

7.1. PCB WiFly

Para la implementacion de esta unidad se decidio disenar una placa doble cara. Elobjetivo del proyecto es realizar un dispositivo pequeno y portable, por ende, se hizonecesaria esta decision. Tambien se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos antes dedisenar la placa:

7.2. PCB AS-FLY

Para la construccion de estas unidades se implemento una placa base, siendo la mis-ma para las 3 unidades. Esta placa base esta conformada por un microcontroladorPIC16F1933, puertos de interconexion I2C, 2 puertos para conexion de Shields de ex-pansion, teclado y displays de configuracion.

7.2.1. mikroBUS

MikroBUS es un estandar que sirve de interfaz para microcontroladores con circuitosintegrados y modulos (sensores, actuadores, etc.). El proposito de este estandar es crearmodularidad entre dispositivos de diferentes tecnologıas, facilitando la compatibilidadentre las mismas.Este socket mikroBUS servira de interfaz entre la placa base (AS-Fly) y los modulosexternos (SFly y AFly) que se deseen interconectar. De esta manera, solo se requiere

129

7. PCB

Figura 7.1: PCB Wi-Fly(Cara superior). Fuente:Autor

Figura 7.2: PCB Wi-Fly(Cara inferior). Fuente:Autor

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7.2 PCB AS-FLY

Figura 7.3: Logo mikroBUS. Fuente:Autor

Figura 7.4: Logo FireFly. Fuente:Autor

el diseno de una placa comun y sus respectivas aplicaciones. Por ejemplo, si se deseaimplementar una unidad SFly con sensor de temperatura, solo basta con tomar unaplaca base y a traves del mikroBUS interconectar el modulo sensor de temperatura; opor el contrario, se desea implementar un modulo AFly, en este caso, se cambiarıa latarjeta del sensor de temperatura por la tarjeta de aplicacion que se plantee para AFly.

7.2.2. Logos

Mikroelektronika permite el uso del mikroBUS con algunas normativas, una de ellasconsiste en colocar su logo (marca registrada) en la placa donde se quiere utilizar elbus. Adicionalmente, para el diseno de las PCB se diseno un logo que sea la banderade presentacion para el sistema domotico.

131

7. PCB

Figura 7.5: Posicion de los componentes para la capa inferior. Fuente:Autor

Figura 7.6: Posicion de los componentes para la capa superior. Fuente:Autor

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7.2 PCB AS-FLY

Figura 7.7: Diseno 3D WiFly(capa superior). Fuente:Autor

Figura 7.8: Diseno 3D WiFly(capa inferior). Fuente:Autor

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7. PCB

Figura 7.9: Diseno 3D AS-Fly(capa superior). Fuente:Autor

Figura 7.10: Diseno 3D AS-Fly(capa inferior). Fuente:Autor

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7.2 PCB AS-FLY

Figura 7.11: Diseno PCB AS-Fly(capa superior). Fuente:Autor

Figura 7.12: Diseno PCB AS-Fly(capa inferior). Fuente:Autor

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7. PCB

Figura 7.13: Posicion componentes AS-Fly(capa superior). Fuente:Autor

Figura 7.14: Posicion componentes AS-Fly(capa inferior). Fuente:Autor

136

Capıtulo 8

Resultados

Despues de la implementacion del sistema domotico se realizaron las pruebas de fun-cionamiento, ası como la extraccion de especificaciones tecnicas. En esta seccion estaraorientada a presentar las caracterısticas electricas del sistema domotico y el analisispertinente del mismo.

8.1. Caracterısticas electricas

El voltaje nominal para el sistema domotico es 5V, esto quiere decir que los circuitosque lo componen trabaran a voltajes ttl (microcontroladores, circuitos integrados, com-ponentes pasivos y activos). En la figura 8.1 se puede observar el consumo de energıapara el sistema domotico implementado. En general, el consumo de cada componente seestablecio a partir de la hoja de datos del fabricante a excepcion del microcontroladorpic 16F1933, registro de desplazamiento 74HC595 y buffer de tres estados 74HC125.Los calculos para estos componentes se muestran a continuacion. El microcontroladorPIC 16F1933 cuenta con un consumo nominal que depende fundamentalmente de lafrecuencia de operacion y de los modulos que se esten utilizando (timers, comunica-cion, comparador, etc.). Aproximadamente en el modulo WiFly 1, el microcontroladorconsume en 10mA. Ahora si sumamos el consumo de los puertos que controlan losTristate-shift-register y Encoder/Decoder (12 terminales) resulta un consumo total de70mA; donde cada terminal consume en promedio 5mA. En el modulo WiFly2 el con-sumo del microcontrolador se calcula de la siguiente manera:

Consumo base: 10mA.

Consumo debido a conmutacion de mosfets: Cada mosfet en su compuerta con-sume aproximadamente 50uA. Como son 6 mosfets el consumo es de 300uA.

Control de otros circuitos integrados: 5 terminales con consumo promedio de10mA resulta un consumo aproximado de 50mA.

137

8. RESULTADOS

Esto quiere decir que aproximadamente el microcontrolador consume 50.3mA Podemosobservar que el consumo en ambos modulos es cercano a 1A, lo que puede parecerrealmente elevado. Sin embargo, este consumo solo se presenta una parte reducida deltiempo, solo cuando es necesario. Para entenderlo debemos pensar en lo siguiente:Cuando se desee enviar datos inalambricamente, se requiere que los registros de des-plazamiento, buffer de tres estados, Encoder y transmisor se encuentren energizados.Pero en general este proceso dura en promedio 100ms. Ahora, supongamos que en unahora el sensor se activa 5 veces, esto implica que debe transmitir sus datos hacia elactuador 10 veces (protocolo ADN) y por lo tanto, el tiempo en que consumirıa estoscomponentes seria 1s cada hora.Para el proceso de recepcion sucede lo mismo. Los circuitos integrados solo se utili-zan cuando es estrictamente necesario, permaneciendo sin alimentacion cuando no seles requiere. Esto reduce el consumo de energıa de la baterıa y por ende, aumenta suduracion.

Figura 8.1: Consumo para cada uno de los componentes del sistema domotico. Fuente:

Autor

8.1.1. Limitaciones

Tarjeta de reconocimiento de voz sensible a zonas ruidosas.

138

8.1 Caracterısticas electricas

Comunicacion half-duplex.

Cuando no hay toma cercana(modulo completamente inalambrico) se debe car-gar la baterıa a atraves del modulo Powerfly en un tomacorriente de maneraindependiente. El modulo tendra un indicador de nivel bajo baterıa.

Velocidad maxima de transmision de 8Kbps.

8.1.2. Recursos del microcontrolador

Figura 8.2: RAM y ROM consumida por el microcontrolador PIC16F1933. Fuente:Autor

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Capıtulo 9

Conclusiones

Los conocimientos adquiridos durante el proceso de diseno e implementacion delsistema domotico son invaluables. Comenzando por el diseno electronico de latarjeta WiFly; despues, con el diseno de los circuitos impresos de la misma enel Software Kicad. Las prestaciones de esta herramienta gratuita son incalcula-bles, desde disenos sencillos hasta PCB multicapa, con Throughole y montajesSMD. Por ultimo, la consideraciones de diseno mecanico para las placas (dimen-siones, geometrıa, distribucion de elementos) y aspectos tecnicos (maquinado ysoldadura). Estos permitieron el enriquecimiento de habilidades adquiridas en laacademia y forjaron nuevas como la resolucion de problemas de diseno y desarrollode la capacidad de disenar circuitos que se adapten a requerimientos.

A lo largo de las etapas tanto de diseno como de implementacion, se presentarondificultades en la obtencion de dispositivos y/o circuitos necesarios. En Colombiaes difıcil conseguir tanto herramienta como dispositivos electronicos que permitanhacer desarrollo de hardware. Esto limita enormemente las posibilidades de creardispositivos electronicos a la vanguardia y de calidad. Esta situacion llevo a pro-blemas como cambios constantes entre el diseno pre-implementacion (simulacion)y lo que es el diseno de hardware (PCB). Debe existir un proceso en paraleloteniendo claros los parametros de diseno en ambos casos, con el objetivo de irencontrando soluciones que puedan satisfacer tanto los requerimientos electroni-cos como los de diseno de hardware. Por ejemplo, si se desea utilizar un circuitointegrado que cumple con alguna funcion especıfica, se debe primero, evaluar sies facil adquirir; segundo, relacion costo-beneficio; por ultimo, establecer que tipode paquete se desea utilizar, SMD o DIP. Si se siguen estos pasos, el diseno dehardware sera efectivo y con contratiempos reducidos.

El sistema domotico implementado cumple con los requerimientos establecidoscomo metas del proyecto de grado. El sistema es modular, permite la interconexionde modulos externos de acuerdo a las necesidades del cliente. Por ejemplo, siel cliente desea en primera instancia, un modulo sensor y uno actuador, peroluego desea ampliar las prestaciones de su sistema domotico, FireFly le permite

141

9. CONCLUSIONES

al usuario ampliar o disminuir los servicios del sistema domotico, sin perder suestructura ni su funcionalidad.

Tambien es portable, cuenta con un sistema de baterıa tipo LiPo que le da in-dependencia y permite realizar instalaciones mas flexibles y tecnicamente masseguras. FireFly realiza la comunicacion de manera inalambrica a traves de lamodulacion ASK en la frecuencia de 433MHz.

Para aplicaciones futuras se ha pensado en implementar modulos que trabajen encapa de red, es decir, que los modulos tengan la capacidad de conectarse a internet,y que desde este medio los usuarios puedan gestionar su sistema domotico. Estaaplicacion bien podrıa ser de escritorio o un App de Smarthphone.

142

Apendice A

Codigo/Manuales/Publicaciones

A.1. Apendice

Apendice

143

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