domotica

DISADomtica:

Redes de Sensores y

Actuadores

Tema 4. Tecnologas domticas:

Departamento de Ingeniera de Sistemas y Automtica

Tema 4. Tecnologas domticas: sistemas, redes de sensores y

actuadores.

Pepe Maestre

Teora de control automtico

Compendio de las tcnicas que permiten a las cosas funcionar solas

Con cosas nos referimos a sistemas, es decir Un conjunto de COMPONENTESque se RELACIONAN entre s

DISADomtica: Redes de Sensores y Actuadores

que se RELACIONAN entre s dentro de un cierto ENTORNO con un OBJETIVO dado

Ejemplo: Calefactor

Automtica presente todas partes (entorno)

Cuerpo humano Temperatura, presin sangunea, frecuencia cardiaca, humedad de la piel, proceso digestivo ...

Entorno inmediato Presin agua redes


Presin agua redes Electricidad (voltaje y forma de onda ...) Temp. Habitacin

Automtica en todas partes (telecos)

Telefona movil Terminal (control de potencia de emisin) Carga y descarga de baterias Control de la red y trfico Control de antenas

Telefona fija


Telefona fija Control de redes Control en centralitas

Automtica en todas partes (informtica)

Computadores Fuente de alimentacin Control de discos Control de impresoras ....

Fabricacin


Fabricacin Hornos obleas. Fabricacin de placas Inspeccin

Automtica en todas partes (industria)


DISA


Automtica en todas partes (coches)


La tecnologa oculta

Ampliamente utilizadaAmpliamente utilizada Muy exitosaMuy exitosa Rara vez se habla de ellaRara vez se habla de ella Salvo cuando hay problemasSalvo cuando hay problemas


Salvo cuando hay problemasSalvo cuando hay problemas Por quPor qu??QQuiz porque resulta ms sencillo hablar de uiz porque resulta ms sencillo hablar de dispositivos que de ideasdispositivos que de ideas

Operacin manual de un proceso

ObservarCompararDecidir


Actuar

Operacin de un proceso

Proceso

Cambios RespuestasCompararDecidir


Proceso

MedirActuar

Respuesta dinmica

Operacin manual o en lazo abierto

Operacin automtica Operacin automtica

Proceso

Cambios Respuestas

controlador


MedirActuarValores Deseados

Operacin en lazo cerrado

Componentes

Proceso

Variablesa controlar

Controlador Actuador

Variables para actuar


Valores Deseados

Sensor

Valores medidos

Terminologa

Perturbacin

Variable


Variable Manipulada

Variable Controlada Referencia

LT LC

Hacer que el sistema se comporte como

se desea

Mantener variables en torno a un valor

constante

La magia de la realimentacin


Estabilizar sistemas inestables

Reducir el efecto de las perturbaciones y

de las variaciones en los componentes

Mayor libertad para el ingeniero


Las relaciones causa/efecto que se producen en los sistemas pueden ser caracterizadas mediante modelos matemticos

Modelos de Entrada/Salida: Y=f(Y,U,t) Y = salida U = entrada


U = entrada t = tiempo


El conocimiento del modelo que caracteriza el sistema permite calcular acciones de control sobre el sistema para que ste se comporte como deseamos

MPC (Model Predictive Control) emplea el modelo del sistema para calcular las acciones ptimas de control desde el punto de vista de una cierta funcin de coste


desde el punto de vista de una cierta funcin de coste definida a lo largo de un horizonte temporal de N pasos hacia el futuro

Sistemas Reales

Gran cantidad de sistemas en el mercado

Poca estandarizacin y ausencia de normativas bien desarrolladas como las existentes para ICT o instalaciones de baja tensin


No hay tecnologa perfecta: Necesidad de familiarizarse con las tecnologas existentes, sus pros y contras

La mayora de ingenieras eligen un sistema de los cada tipo de los que veremos para trabajar

Clasificacin de Sistemas

Atendiendo al medio de transmisin empleado:

Cableados (cableado especfico) Mayor seguridad en comunicaciones pero exigen mayor

infraestructura y obra


PLC (Power Line Communications) Emplean la lnea elctrica, que es un medio poco apto para

las comunicaciones

Inalmbricos Fcil despligue pero posibles problemas de interferencias.

Necesidad de alimentar los nodos


Atendiendo a la topologa fsica: Modo en que los nodos de la red estn conectados.

Estrella




Anillo




Bus




rbol




Mixta



Atendiendo a la topologa lgica: Modo en que los nodos de la red intercambian informacin.

Centralizada

Elemento central que lo controla todo, lo que permite optimizar globalmente


Dada su simpleza suelen ser sistemas baratos y muy aptos para sensores y actuadores estndar

Poco verstil y riesgo de cuellos de botella

No apto para grandes instalaciones



Jerarquizada

Mayor modularidad


Posibilidad de nodos controladores especializados segn funcin

Posibilidad de nodos controladores responsables de ciertas zonas

Permite abarcar instalaciones mayores



Distribuida

Inteligencia presente en los nodos de red.


de red.

Tolerancia a fallos en caso de cada de un nodo.

Elementos incorporan electrnica de comunicaciones capaz de recablear por software el sistema.

Mayor precio


Atendiendo al carcter de la tecnologa

Sistemas cerrados: no se tiene acceso a todos los detalles relativos a su tecnologa. Obedecen al deseo de las empresas de llevarse el gato al agua.

Sistemas abiertos: la tecnologa es pblica y cualquiera puede


Sistemas abiertos: la tecnologa es pblica y cualquiera puede desarrollar para estos sistemas. Dos posibilidades: Empresas que hacen pblica su tecnologa para que todos puedan desarrollar para ella. Sistemas cuyas especificaciones quedan recogidas en normas o estndares.

Otros Criterios

Normalizacin del sistema

Facilidad de instalacin y mantenimiento

Facilidad de programacin

Posibilidades multimedia

Simpleza de interfaces de usuario


Simpleza de interfaces de usuario

Existencia de mltiples fabricantes

Servicio post-venta

Seguridad del sistema a ataques o ante fallos

Posibilidades de integracin con otros sistemas, CRA, infrarrojos, etc.

Y, por supuesto, el precio

Sistemas Existentes en el Mercado

X10

EIB-KNX

LonWorks

IPDomo


IPDomo

Zigbee

Cardio


X10: Medio: PLC Topologa Fsica: Bus Topologa Lgica: Distribuida Carcter: abierto Otras:


Otras: Sistema muy barato y antiguo (1975 PicoElectronics) Muy popular en EEUU Poca capacidad y propenso a fallos 50 bps en Europa y 60bps en EEUU Instalacin muy sencilla, casi de bricolaje Diferentes proyectos realizados en ESI con este sistema Existen evoluciones en el mercado: A-10

Red X.10

Tipos de dispositivos Emisores de rdenes Receptores de rdenes E/R de rdenes Inalmbricos

Cada receptor tiene su identificador compuesto


Cada receptor tiene su identificador compuesto de: Cdigo de hogar: A-P Cdigo de dispositivo: 1-16

En total puede haber 256 receptores

Red X.10. Funcionamiento

Paso por cero de la tensin de red

Rfagas de seal de 1ms, con 0.5W de potencia

El 1 = pulso de 1ms a 120KHz


120KHz El 0 = ausencia de pulso Redundancia => 50bps Una trama completa necesita 11 ciclos CA

Red X.10. Funcionamiento


Red X.10


Red X.10

Gama de productos: Interruptores Selectores de intensidad Detectores varios Alarmas Pantallas tctiles


Pantallas tctiles


EIB-KNX: Medio: Cableado (similar a RS485), PLC o RF Topologa Fsica: Bus Topologa Lgica: Distribuida Carcter: abierto Otras: Norma EN-50090Sistema Europeo de los aos 90


Sistema Europeo de los aos 90 Elevadas prestaciones de control y elevado precio Elevado precio Escasas posibilidades multimedia por su reducido ancho de banda 9.6kbps KNX es una evolucin de EIB con algunos elementos de Batibus y EHS Bus alimenta algunos dispositivos Requiere diseo, instalacin y programacin en ETS2 por personal certificado (EIB-KNX partner)

Red KNX

Alianza KONNEX Alemania 1999

Unificacin del mbito europeo

Rene trabajos de EIBA, BCI y EHSA

Unifica sistemas: EIB, EHS (Maior Domo de Fagor) y BatiBUS para combatir con LonWorks o CEBus (EEUU)


CEBus (EEUU)

Incluye compaas como Siemens (D) Bosch (D) Schneider (F) Electricit de France (F)

Red KNX

Modo S Sistema Necesita configuracin avanzada mediante aplicacin en PC

Modo E Easy Se usa configuracin de fbrica para funciones concretas

Modo A Automtico


Modo A Automtico Basta con conectar el dispositivo

Red KNX. Dispositivos

Tres tipos de dispositivos (modos A, E y S)


Red KNX. Dispositivos

Compatible con productos EIB, EHS previos

No es compatible con BatiBUS (Merlin Gerin)

Dispositivos conectables: 256 por lnea 60k en total


Red KNX


Red KNX. EIB

EIB (European Installation Bus)

Basado en modelo OSI

Productos: Instabus EIB de Jung ABB i- bus EIB de NiessenSigma i-BUS Modular de ABB Stotz Kontakt


Sigma i-BUS Modular de ABB Stotz Kontakt

Existe gama completa de sensores y actuadores

Permite el uso de un PC para supervisar y controlar

Se basa en un par trenzado con CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Red KNX. EIB

Direcciones de 16b Organizacin distribuida Los mensajes llevan la direccin del destinatario


Red KNX EIB


Red KNX EIB

Adems de la direccin fsica, cada dispositivo puede tener una direccin lgica de grupo:


Red KNX-EIB

Telegrama:


Existen tambin tramas de asentimiento, negacin y terminal ocupado.

Red KNX-EIB

Programacin con ETS3 Interfaces grficos con ELVIS



Zigbee: Medio: Inalmbrico Topologa Fsica: Bus Topologa Lgica: Mallada Carcter: abierto Otras:


Otras: Capas bajas PHY y MAC de 802.15.4 Sistema poco maduro a nivel de mercado: OSIRIS y

Control4 Elevadas prestaciones de control Precio reducido, medio Hasta 250kbps y alcances ms que razonables para redes

PAN (varias decenas de metros) Contamos con varios kits de desarrollo en dpto

Red Zigbee

Enlace de radio bandas industrial, mdica y cientfica (868MHz y 2,4GHz) 2003


Red Zigbee

Baja tasa (250kbps) y alcance (10 a 70 m)

Funcionamiento con bateras de duracin > 2aos


Red Zigbee

Especificaciones capa fsica para acceder al medio (PHY) y control de acceso al medio (MAC) especificados por IEEE802.15.4

Los dispositivos se caracterizan por perfiles = capacidades y funciones

Cada perfil dispone de funciones (API)


Cada perfil dispone de funciones (API)

Todos los perfiles comparten PHY y MAC

Cada dispositivo tiene una direccin MAC de IEEE de 64 bits

Red Zigbee. Topologas

Estrella

Interconexin total

Jerrquica o Racimo


Eight promoter companies

Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips and Samsung

A rapidly growing list (Now over 175) of industry leaders from 29 countries

Red Zigbee


industry leaders from 29 countries spanning 6 continents committed to providing ZigBee-compliant products and solutions

Companies include chip suppliers, wireless IP providers, OEMs, test equip manufacturers and end users

The ZigBee Platform

Public Application Profile Certified Product


IEEE 802.15.4

ZigBee Stack

Compliant Platform

The ZigBee Platform

Private Application Profile


IEEE 802.15.4

ZigBee Stack

Compliant Platform

Basic Radio Characteristics


ZigBee technology relies upon IEEE 802.15.4, which has excellent performance in low SNR environments

65,536 network (client) nodes

Optimized for timing-critical applications and power management

Time to Join Network:

ZigBee Mesh Networking


Slide Courtesy of

Cluster Tree Networks

Cluster tree networks enable a peer-peer network to be formed with a minimum of routing overhead.

1214

20 CH2


DD/CH0

1

0

23

4

6

7

8

12

10

11

9

13

22

5 CH1CH2

CH3

CH5

CH4

CH6Parent

Child

Links indicate familial relationship, not communications capability

Cluster Tree Networks

Employ multi-hop routing

Can be very large: 255 clusters of 254 nodes each = 64,770 nodes

May span physically large areas


May span physically large areas

Suitable for latency-tolerant applications

ZigBee Device TypesZigBee Coordinator (ZC) One and only one required for each ZB network. Initiates network formation. Acts as 802.15.4 2003 PAN coordinator (FFD). May act as router once network is formed.

ZigBee Router (ZR) Optional network component.


May associate with ZC or with previously associated ZR. Acts as 802.15.4 2003 coordinator (FFD). Participates in multihop routing of messages.

ZigBee End Device (ZED) Optional network component. Shall not allow association. Shall not participate in routing.

Network Structure


ZigBee Channel Access

Options

Two channel access mechanisms:

Non-beacon network

A simple, traditional multiple access system used in simple peer and near-peer networks

Standard ALOHA CSMA-CA communications Positive acknowledgement for successfully received packets


Beacon-enabled network

Superframe structure- network coordinator transmits beacons at predetermined intervals

Dedicated bandwidth and low latency Low Power Consumption mode for Coordinator


Z-Wave: Medio: Inalmbrico Topologa Fsica: Bus Topologa Lgica: Mallada Carcter: abierto, aunque pertenece a Zensys Otras:


Otras: Capas bajas PHY y MAC de 802.15.4 Mayor competidor de Zigbee y con mayor impacto real de

mercado Elevadas prestaciones de control Precio reducido, medio Estamos esperando unos kits de desarrollo en dpto

ZWave


ZWave

Es el competidor ms serio que tiene Zigbee en cuanto a aplicaciones tecnolgicas

Estndar propietario de la compaa Zensys que amenaza con posicionarse como estndar de facto

Dispositivos de muy bajo coste y consumo


Dispositivos de muy bajo coste y consumo

Lleva algunos aos de ventaja a Zigbee en lo que a llegada al mercado se refiere

Comparacin Zwave vs Zigbee

Zigbee Z Wave

N Miembros fundacin 100 70

Tipo de tecnologa Basado en estndar abierto Propietaria

Mercado Domstico e industrial Luces y Residencial

Consumo Muy bajo Muy bajo


Interoperabilidad Difcil en v.1.0 S

Coste Bajo Muy bajo

Interferencias con WLAN S No

N mx dispositivos en malla 254 232

Madurez [1-5] 1 3

Dispositivos comerciales [1-5] 1 3


IPDomo: Medio: Cableado e inalmbrico (IP) Topologa Fsica: rbol Topologa Lgica: Jerarquizada Carcter: abierto Otras:

sistema abierto (UPnP)


sistema abierto (UPnP) Un solo fabricante (SERVITEL) Poco desarrollo de UPnP fuera de multimedia Gama media Precio medio Cableado un poco engorroso, pero permite mecanismos

universales Diferentes proyectos realizados en ESI con este sistema

IPDomo

Componentes:


IPDomo



Vivimat: Medio: Cableado RS-485 Topologa Fsica: Estrella Topologa Lgica: Centralizada Carcter: Propietario Otras:


Otras: Sistema de bajo coste Fabricado en Pas Vasco por Dinitel, similar a otros

productos como Cardio de Domoval Nulas posibilidades multimedia ms all de la integracin

del videoportero de AUTA en el sistema Gama baja en versin Integra y media en versin Confort Escasas posibilidades de configuracin Sistema apto para promociones de viviendas

Vivimat



SIMON VIS: Medio: Cableado Par trenzado Topologa Fsica: Estrella Topologa Lgica: Centralizada Carcter: Propietario Otras:


Otras: Sistema de bajo coste Es un producto dans adaptado al mercado espaol por la

empresa Simn Est basado en un PLC (Controlador Lgico Programable) Permite la utilizacin de pulsadores elctricos como interfaz

de usuario Muy orientado a control en el propio cuadro elctrico de la

vivienda: elementos de carril DIN

Simn VISSimn VIS

CaractersticasCaractersticas

Sistema centralizado para pequeas y medianas instalaciones.

El sistema alberga como parte principal el Mdulo Mdulo de Controlde Control.

Control de 128 entradas y 128 salidas.

Dispone adems de 128 programadores


Dispone adems de 128 programadores semanales independientes.

Simn VISSimn VIS

Caractersticas de las entradasCaractersticas de las entradas

16 entradas distintas por mdulo.

8 conexiones distintas de mdulos de entradas al mdulo de control.

Total: 16 x 8 = 128 entradas

Cableado de entradas a 24 V (0,8 mm2).


Distancia mxima entre los mdulos de entradas y el mdulo de control 100m.

Simn VISSimn VIS

Caractersticas de las salidasCaractersticas de las salidas

8 salidas distintas por mdulo.

16 conexiones distintas de mdulos de salidas al mdulo de control.


al mdulo de control.

Total: 8 x 16 = 128 salidas.

Cableado de salidas a la tensin que se desee.

Simn VISSimn VIS

Software TERMVISSoftware TERMVIS

Programacin en castellano. Programacin mediante dilogo pregunta-respuesta.


pregunta-respuesta. Requerimientos mnimos del PC. (Con un 286 funciona correctamente)

DISA

Simn VISSimn VIS

Elementos VISElementos VIS



Mdulo de alimentacin Mdulo de alimentacin 15W15W

Tensin continua y estabilizada de 24 V en el secundario (0,6A)

Posibilidad de interconexin

Simn VISSimn VISElementos VISElementos VIS


Posibilidad de interconexin con otros mdulos de alimentacin.

4 Mdulos TE de cuadro

Mdulo de ControlMdulo de Control 128 entradas 128 salidas 128 programadores

Consumo 30 mA

Simn VISSimn VISElementos VISElementos VIS


Consumo 30 mA RS232 para conexin a

PC 8 Mdulos TE de cuadro

Simn VISSimn VIS


Mdulo de Entradas 24VMdulo de Entradas 24V 16 entradas digitales

independientes. Tensin de entradas

24 V c.c. 4 Mdulos TE de cuadro.


Simn VISSimn VIS


Mdulo de Salidas 230 VMdulo de Salidas 230 V 8 Salidas de rel

(en 2 grupos de 4). Tensin de salidas configurable

por grupo


por grupo Imx. por grupo 10A. 4 Mdulos TE de cuadro.

Simn VISSimn VIS


Mdulo de Salidas 24 VMdulo de Salidas 24 V 8 Salidas de transistor (PNP). Tensin de salidas 24 V c.c. Ideal para conectar rels para

salidas a otras tensiones. 4 Mdulos TE de cuadro.


4 Mdulos TE de cuadro.

Simn VISSimn VIS


Mdulo de Mdulo de TemporizadoresTemporizadores

Interfaz de usuario para modificar los 128 temporizadores semanales


temporizadores semanales del mdulo de control.

Hora y fecha actual 8 Mdulos TE de cuadro.

Simn VISSimn VIS


Mdulo de MdemMdulo de Mdem Mdem telefnico de tonos y

pulsos. Comunicacin bidireccional

(RS485). Homologado. 8 Mdulos TE de cuadro.


8 Mdulos TE de cuadro.

Simn VISSimn VIS


Mdulo de DimmerMdulo de Dimmer Regulador de intensidad de luz. Carga mnima 40 W Carga mxima 350W 300 VA

(cos 0,85) Fusible 1,6 A


Fusible 1,6 A Utilizable con transformadores

convencionales 2 Mdulos TE de cuadro

Simn VISSimn VIS


Mdulo de BateriasMdulo de Baterias Mantiene operativa la

informacin del reloj de 3 a 6 meses.

Bobina de rel a 24V c.c. 2 Baterias de 3V Litio tipo CR

2032.


2 Mdulos TE de cuadro

Mdulo de alimentacin

Mdulo de control

Montaje en Montaje en

el cuadroel cuadro

Configuracin mnimaConfiguracin mnima


Mdulo de control

Mdulo de entradas

Mdulo de salidas

Simn VISSimn VIS

CableadoCableado

AlimentacinContro

l

Entradas


l

Salidas


Delta Dore: Medio: Inalmbrico (434, 868 MHz), protocolo X2D Topologa Fsica: Bus Topologa Lgica: Distribuida Carcter: Propietario Otras:


Otras: Sistema de coste medio Es un producto de una empresa francesa que tiene

divisiones fuertes en control, regulacin y seguridad RF Sistema Bibanda para dificultar inhibidores Conceptualmente es similar a X-10, pero de forma RF y

con mayores posibilidades Fundamento: A cada receptor se le pueden asociar 8

emisores

Delta Dore


Otros Sistemas en el Mercado

Amigo. Empresa: Eunea Merlin Gerin (Schneider Electric Espaa, S.A.).

Topologa: Bus. Protocolo: Batibus.


Sistema BIODOM. Empresa: Bioingeniera Aragonesa, S.L. Topologa: Corrientes portadoras. La topologa ser la dela propia red elctrica.

Protocolo: Se basa en el estndar EHS (European HomeSystem).


BJC Dialogo. Empresa: BJC. Fbrica Electrnica Josa, S.A. Topologa: libre, es decir, permite hacer anillos, bus, estrellas, etc. Loms habitual es un bus donde se conectan los mdulos del sistema.

Protocolo: Utiliza el bus de control Lonworks.

DIAloc. Empresa: Weidmller.


Empresa: Weidmller. Topologa: Utiliza una topologa libre.

Protocolo: DIAloc utiliza el protocolo Lonworks.

CARDIO. Empresa: Secant, comercializado en Espaa porDomoVal Electronic, S.L.

Topologa: rbol Protocolo: protocolo propio

SII.



SII. Empresa: SGI Sistemas. Topologa: Admite diversas topologas en funcin delmedio de transmisin utilizado.

Protocolo: El control de las entradas se realiza medianteun cableado dedicado en estrella. Tambin admitecomunicaciones por bus y corrientes portadoras para elcontrol de las salidas.

Starbox CPL1. Empresa: Delta Dore. Topologa: La propia de la red elctrica de la vivienda, alutilizarla como medio de transmisin.

Protocolo: Utiliza un protocolo de comunicaciones propio para lacomunicacin a travs de la red elctrica (corrientesportadoras), denominado X2D.



portadoras), denominado X2D.

INELI Empresa: Sonaval S.L. Topologa: Estrella, desde el mdulo de control a los diferentesmdulos de entrada/salida.

Protocolo: Se trata de un sistema por cableado dedicado, nosigue ningn protocolo de estandarizacin.

A destacar: integra bien el temas relacionados con distribucinde audio.


PLC: Propio de grandes instalaciones. Ejemplo tpico S7 de Siemens. Proyectos completamente realizados ad hoc.


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