domotica habitacion controlada por voz para personas con discapacidades fisicas

PROYECTO DE GRADO

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

UNIVERSIDAD EL BOSQUE

Sistema de control en el hogar para personas cuadrapléjicas

Autores: Cesar Mauricio Perdomo Rozo, Javier Enrique Bocanegra Palma

Bogotá, Enero de 2009

SISTEMA DE CONTROL EN EL HOGAR PARA PERSONAS

CUADRAPLÉJICAS

Cesar Mauricio Perdomo Rozo

Javier Enrique Bocanegra Palma


FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA


SISTEMA DE CONTROL EN EL HOGAR PARA PERSONAS

CUADRAPLÉJICAS



Director

Ingeniera Sandra Patricia Guevara


FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA


“La Universidad El Bosque, no se hace responsable de los

conceptos emitidos por los investigadores en su trabajo, solo

velará por el rigor científico, metodológico y ético del mismo en

aras de la búsqueda de la verdad y la justicia”

Agradecemos a la Universidad El Bosque y a la

Facultad de Ingeniería Electrónica, por su constante

colaboración y apoyo en el proceso de formación y en

el desarrollo de nuestro proyecto de grado.

Especialmente a los ingenieros: Sandra Guevara,

Ernesto Sabogal y la Diseñadora Industrial Rosario

Veloza.

A mis padres Cesar Augusto Perdomo Y María Lilia Rozo por depositarme

Su confianza, y brindarme la Oportunidad de ser unaMejor persona, con las

Habilidades para aportar A esta sociedad, con

Todos los conocimientosAdquiridos a lo largo

De mi carrera.

A mis hermanas Diana, Mónica y Lilia Por su apoyo desinteresado en

Los momentos que la vidaLo ha exigido.

Gracias…


A Dios por darme la fuerza necesaria Para poder afrontar y culminar con éxito

Este gran reto.

A mis padres Uldarico Bocanegra Y Raquel Palma por brindarme el apoyo

La confianza para poder culminar esta meta.

A mis compañeros y profesores de Los cuales aprendí todas sus enseñanzas....

A todos Gracias.....


El Sistema de control en el hogar, tiene como propósito generar un mejor nivel de vida y de confort a las personas cuadrapléjicas con capacidad de habla, proporcionando mayor comodidad llevando una vida amena en su habitación, sin necesidad de estar asistidos las 24 horas.

A partir de estas necesidades surge la idea de controlar ciertos dispositivos de uso cotidiano, como lo es el televisor, la puerta, el bombillo y la seguridad de las ventanas, por medio de una solución que está compuesta por un controlador, un computador, el sensor de seguridad, un micrófono y actuadores que llevan a cabo las órdenes; generando un sistema domótico que cuenta con un programa de reconocimiento de voz, realizando el procesamiento de las órdenes emitidas por el usuario.

Por último, se implementó este sistema de control por voz para la ejecución de instrucciones previamente configuradas desde la interfaz, sin que el usuario tenga contacto físico con el modulo central.

Palabras claves: Discapacitados, reconocimiento de voz, domótico.

The control system at home, aims to create a better standard of living and comfort to people quadriplegic with the ability to speak, providing more comfort wearing a pleasant life in your room, without the need to be assisted 24 hours.

From these requirements the idea of monitoring devices for everyday use, as is the TV, the door, the light bulb and security of the windows, through which a solution is comprised of a controller, a computer, the safety sensor, a microphone and actuators that carry out orders, creating an automation system that has a voice recognition software, making the processing of the orders issued by the user.

Finally, this system was implemented to control the execution of instructions by voice from the pre-configured interface, without the user having physical contact with the central module.

Keywords: People quadriplegic, speech recognition, home automation

TABLA DE CONTENIDO

1. Título.....................................................................................................1

2. Introducción..........................................................................................1

3. Definición del problema........................................................................2

4. Antecedentes........................................................................................3

4.1 Universidad El Bosque..................................................................3

4.2 Universidad del Valle....................................................................4

4.3 Universidad Nacional....................................................................4

4.4 Universidad de los Andes.............................................................4

4.5 Universidad Javeriana...................................................................5

4.6 Universidad Autónoma.................................................................5

4.7 Universidad Industrial de Santander............................................6

4.8 Universidades Del Exterior...........................................................6

4.8.1 Universidad de Málaga..............................................................6

4.8.2 Universidad de las Américas.....................................................6

5. Bases teóricas.......................................................................................7

5.1 Generalidades domótica...............................................................7

5.1.1 Definición...................................................................................9

5.1.2 Aplicaciones...............................................................................9

5.2 Estándares domótica..................................................................10

5.2.1 CENELEC..................................................................................11

5.2.2 ASIMELEC.................................................................................11

5.2.3 AENOR.....................................................................................12

5.2.4 CEBUS......................................................................................14

5.2.5 EIB...........................................................................................15

5.2.6 KONNEX/KNX...........................................................................16

5.2.7 X-10........................................................................................17

5.2.8 ZIGBEE....................................................................................18

5.2.9 BATIBUS..................................................................................19

5.2.10 Lonworks...............................................................................20

5.2.11 EHS.......................................................................................20

5.2.12 UpnP......................................................................................21

5.3 Reconocimiento de voz..............................................................22

5.3.1 Procesamiento de la voz en el dominio del tiempo.................24

5.3.2 Energía y magnitud.................................................................25

5.3.3 Estimación espectral por predicción lineal (LPC).....................26

5.3.4 Modelos de señales.................................................................27

5.3.5 Procesos discretos y Cadenas ocultas de Markov (HMM)........28

5.4 Análisis fonético..........................................................................29

5.5 Procesamiento de señal de voz..................................................30

6. Estado del arte....................................................................................31

6.1 Nivel Nacional.............................................................................32

6.1.1 Wilcatec Ltda...........................................................................32

6.1.2 Home & Office Technologies De Colombia S.A........................34

6.2 Nivel Internacional......................................................................36

6.2.1 BJC...........................................................................................36

6.2.2 PROINSSA................................................................................39

6.2.3 Domotic...................................................................................41

7. Glosario de términos...........................................................................42

8. Justificación.........................................................................................44

8.1 Sociales......................................................................................45

8.2 Tecnológicos...............................................................................45

8.3 Económicos................................................................................46

9. Objetivos.............................................................................................47

9.1 Objetivo General.........................................................................47

9.2 Objetivos Específicos..................................................................47

10. Requerimientos.................................................................................47

10.1 Requerimientos Generales.......................................................48

10.2 Descripción general de los módulos y elementos necesarios

para desarrollar el proyecto.............................................................48

10.3 Características Técnicas...........................................................50

10.3.1 Etapa captura........................................................................50

10.3.2 Etapa de tratamiento de señal..............................................51

10.3.3 Comparación y validación.....................................................51

10.3.4 Etapa de potencia..................................................................53

10.3.5 Etapa actuadores...................................................................54

10.4 Requerimiento industrial..........................................................55

10.4.1 Requerimientos de interfaz................................................55

11. Diseño global....................................................................................57

11.1 Alternativa No. 1.......................................................................57

11.1.1. Diagrama de bloques...........................................................58

11.1.2. Bloque Micrófono..................................................................58

11.1.3 Bloque PC..............................................................................59

11.1.4 Bloque controlador................................................................61

11.1.5 Bloque Potencia.....................................................................64

11.1.6 Bloque Actuadores................................................................66

11.1.7 Bloque sensor........................................................................68

11.1.8 Bloque Alarma.......................................................................68

11.2 Alternativa No. 2.......................................................................69

11.2.1. Diagrama de bloques...........................................................70

11.2.2 Bloque Micrófonos.................................................................70

11.2.3 Bloque Comparador...............................................................72

11.2.4 Bloque Controlador................................................................73

11.2.5 Bloque Potencia.....................................................................75

11.2.6 Bloque Actuadores................................................................78

11.2.7 Bloque Sensor........................................................................79

11.2.8 Bloque Almacenamiento........................................................80

11.3. Comparación...........................................................................81

11.4 Selección de alternativa...........................................................83

12. Diseño detallado...............................................................................83

12.1 Bloque Micrófono......................................................................83

12.1.1 Selección de micrófono.........................................................84

12.1.2 Diagrama de flujo..................................................................85

12.2 Bloque PC.................................................................................85

12.2.1 Selección de adaptador bluetooth.........................................86

12.2.2 Diagrama de flujo..................................................................86

12.2.3 Diagrama de flujo software de reconocimiento de voz.........87

12.2.4 Comunicación UART del PC...................................................87

12.3 Bloque microcontrolador..........................................................89

12.3.1 Selección del microcontrolador.............................................89

12.3.2 Esquematico microcontrolador..............................................90

12.3.3 Cálculos.................................................................................91

12.3.4 Diagrama de flujo del bloque................................................92

12.3.5 Diagrama de flujo del programa microcontrolador................93

12.3.6 Caracterisitcas electricas.......................................................94

12.3.7 Análisis..................................................................................94

12.3.8 Driver RS232 - TTL.................................................................95

12.4 Bloque potencia........................................................................98

12.4.1 Selección de puente H...........................................................99

12.4.2 Selección de relé.................................................................104

12.5 Bloque actuadores..................................................................108

12.5.1 Selección de brazo electromecánico de puerta...................108

12.5.2 Selección de control remoto infrarrojo................................111

12.6 Bloque sensor ventana...........................................................116

12.6.1 Selección de sensor ventana...............................................116

12.6.2 Diagrama de flujo del bloque..............................................118

12.7 Bloque Alarma........................................................................118

12.7.1 selección de la bocina.........................................................118

12.7.2 Diagrama de flujo del bloque..............................................121

12.8 Modulo central........................................................................121

12.8.1 Panel indicadores luminosos...............................................121

12.8.2 Conectores..........................................................................123

12.9 Integración de los módulos.....................................................125

12.10 Diseño Industrial...................................................................126

12.10.1 Hardware...........................................................................126

12.9.2 Software..............................................................................129

12.9.3 Planos distribucion de actuadores.......................................129

13. Implementación..............................................................................130

13.1 Bloque módulo central...........................................................130

13.2 Bloque Micrófono....................................................................135

13.3 Actuador puerta......................................................................137

13.4 Bloque potencia......................................................................141

13.5 Bloque Sensor ventana...........................................................144

13.6 Bloque PC...............................................................................146

13.7 Cableado................................................................................147

13.8 Software reconocimiento de voz............................................152

14. Pruebas...........................................................................................156

14.1 Plan de pruebas......................................................................156

14.2 Condiciones de prueba...........................................................156

14.3 Pruebas software reconocimiento de voz...............................158

14.3.1 Comandos de voz................................................................158

14.3.2 Comunicación serial............................................................160

14.4 Prueba sobre el actuador para puerta....................................160

14.5 Prueba sobre el sensor de ventana........................................161

14.6 Prueba control televisor..........................................................161

14.7 Prueba actuador bombillo.......................................................163

14.8 Prueba hardware modulo central...........................................164

14.9 Integración de módulos software y hardware........................164

15. Manuales.........................................................................................166

15.1 Lista de componentes............................................................166

15.2 Instalación..............................................................................167

15.2.1 Instalación módulo central..................................................167

15.2.2 Instalación del sensor de seguridad ventana......................169

15.2.3 Instalación brazo electro-mecánico puerta..........................169

15.2.4 Instalación conexión bombillo.............................................171

15.2.5 Instalación computador.......................................................173

15.3 Operación...............................................................................180

15.4 Especificaciones.....................................................................183

16. Resultados......................................................................................184

17. Discusión........................................................................................185

18. Conclusiones...................................................................................187

19. Referencias documentales..............................................................187

20. Anexos............................................................................................191

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Diagrama de bloques................................................................48Figura 2 Diagrama en bloques alternativa 1...........................................58Figura 3 Diagrama Flujo PC.....................................................................60Figura 4 Diagrama de flujo controlador..................................................62Figura 5 Diagrama en bloques alternativa 2...........................................70Figura 6 Diagrama de flujo, bloque microfono........................................85Figura 7. Diagrama Flujo Bloque PC........................................................86Figura 8 Diagrama de flujo software reconocimiento de voz..................87Figura 9. Diagrama DB9..........................................................................88Figura 10 Esquemático microcontrolador...............................................90Figura 11 Diagrama flujo bloque microcontrolador.................................92Figura 12 Diagrama Bloque Programa....................................................93Figura 13. Adaptación de niveles RS232/TTL,[48,1]...............................95Figura 14. Diagrama esquemático MAX232,[49,1].................................96Figura 15 Diagrama esquemático Max 232............................................97Figura 16. Diagrama de conversión........................................................97Figura 17 Diagrama esquemático conversión RS232-TTL.......................98Figura 18. Características transistor 2n2222........................................101Figura 19. Dos estados básicos de un puente h...................................101Figura 20 Malla superior puente H........................................................103Figura 21. Esquemático puente H.........................................................104Figura 22. Diagrama Flujo Bloque Potencia..........................................105Figura 23 Esquemático control bombillo...............................................106Figura 24. Esquemático control puerta.................................................109Figura 25. Fines de carrera puerta........................................................109Figura 26 Esquemático matriz de contactos.........................................113Figura 27 Esquemático módulo televisor..............................................114Figura 28 Diagrama Flujo Bloque Actuador..........................................115Figura 29 Esquemático sensor magnético............................................117Figura 30. Diagrama flujo Sensor..........................................................118Figura 31. Esquemático bocina.............................................................119Figura 32. Piezo Electric Buzzer............................................................120Figura 33. Diagrama Flujo Alarma........................................................121Figura 34 Esquemático panel de indicadores.......................................122Figura 35 Panel de conectores..............................................................124Figura 36 Esquemático general............................................................125Figura 37 Rótulo anterior......................................................................127Figura 38 Rótulo posterior....................................................................128Figura 39. Diagrama circuito impreso final...........................................131Figura 40. Cara superior circuito impreso.............................................131Figura 41. Cara inferior circuito impreso..............................................132Figura 42 Mascara de componentes.....................................................132Figura 43 Circuito impreso con componentes soldados........................133

Figura 44 Implementación modulo central...........................................133Figura 45 Vista posterior modulo central..............................................134Figura 46. Micrófono Motorola HS-850..................................................136Figura 47 Accesorios micrófono Motorola HS850..................................136Figura 48. Diagrama de instalación Micrfono. Fuente,[46]..................137Figura 50. Brazo electromecánico para puerta.....................................138Figura 50. Soporte en aluminio para actuador puerta..........................139Figura 51. Actuador puerta anclado sobre pivote.................................139Figura 52. Vista general actuador puerta.............................................140Figura 53. Anclaje a puerta de actuador...............................................140Figura 54 Conexiones actuador puerta.................................................141Figura 55 Esquemático puente H..........................................................142Figura 56 Cara superior puente H.........................................................142Figura 57 Mascara de componentes puente H......................................143Figura 58 Puente H implementado.......................................................143Figura 59. Sensor Magnético................................................................145Figura 60 Sensor Magnético instalado en el marco de la ventana........145Figura 61 Sensor magnético instalado en la ventana maximizado.......146Figura 62. Adaptador USB-Bluetooth....................................................146Figura 63 Canaleta de plástico y accesorios.........................................147Figura 64 Canaleta actuador para puerta.............................................148Figura 65 Canaleta sensor de ventana.................................................149Figura 66 Canaleta cableado actuadores y leds indicadores................150Figura 67 Canaleta bombillo.................................................................151Figura 68. Interfaz Grafica. Programa Reconocimiento........................153Figura 69. Interfaz de Ayuda Programa................................................154Figura 70. Interfaz Grafica "Acerca de".................................................155Figura 71 Interfaz Grafica Lista de Comandos......................................156Figura 72 Conexiones con canaleta......................................................168Figura 73 Conectores modulo central (Alimentación, DB-25,Boton Reset)..............................................................................................................168Figura 74 Instalación sensor ventana...................................................169Figura 75 Soporte para el brazo electro-mecánico...............................170Figura 76 Instalación brazo electro-mecánico......................................170Figura 77 Conectores Brazo-Electromecánico, Brazo-Electromecánico, Bombillo................................................................................................171Figura 78 Conexión bombillo................................................................172Figura 79 Modulo Central con conectores.............................................172Figura 80 Modulo Central – Indicadores................................................173Figura 81 Instalación cable USB serial 1...............................................174Figura 82 Instalación cable USB serial 2...............................................175Figura 83 Instalación cable USB serial 3...............................................175Figura 84. Cable Conexión PC-Modulo Central......................................176Figura 85 Diagrama de instalación micrfono........................................177Figura 86 Adaptador USB-Bluetooth.....................................................177Figura 87 Adaptador USB-Bluetooth.....................................................178

Figura 88 Archivos. Programa Reconocimiento....................................178Figura 89 Instalación engine 1..............................................................179Figura 90 Instalación engine 2..............................................................179Figura 91 Instalación Engine 3..............................................................179Figura 93 Instalación SAPI.....................................................................180Figura 93 Interfaz reconocimiento de voz.............................................181Figura 94 Listado de Comandos............................................................182Figura 95 Como usar el programa........................................................183

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Niveles de domotización............................................................12Tabla 2. Comparación de alternativas....................................................81Tabla 3 Selección micrófono...................................................................84Tabla 4. Selección Adaptador-Bluetooth.................................................86Tabla 5 Descripción de pines DB9..........................................................88Tabla 6. Selección microcontrolador.......................................................89Tabla 7. Características eléctricas microcontrolador PIC 16F873A.........94Tabla 8 Selección driver RS232..............................................................96Tabla 9 Selección puente H....................................................................99Tabla 10 Selección transistor Darlington NPN.........................................99Tabla 11 Selección transistor Darlington PNP.......................................100Tabla 12 Selección transistor NPN........................................................100Tabla 13. Selección de relés.................................................................104Tabla 14 Selección de Motor.................................................................108Tabla 15 Selección de control...............................................................111Tabla 16. Selección de Sensor..............................................................116Tabla 17. Selección de Alarma..............................................................118Tabla 18 Componentes utilizados.........................................................134Tabla 19 Componentes utilizados.........................................................144Tabla 20 Plan de pruebas.....................................................................157Tabla 21 Prueba de comandos de voz..................................................159Tabla 22 Prueba de comunicación serial..............................................160Tabla 23 Prueba de actuador para puerta............................................160Tabla 24 Prueba de actuador para puerta con rediseño de puente H. .161Tabla 25 Prueba sensor ventana..........................................................161Tabla 26 Prueba de control televisor....................................................162Tabla 27 Prueba actuador bombillo......................................................163Tabla 28 Prueba actuador bombillo......................................................164Tabla 29 Pruebas de integración..........................................................165Tabla 30 Especificaciones del sistema domótico..................................183

Cesar Perdomo, Javier Bocanegra PI-280

1. Título

Sistema de control en el hogar para personas cuadrapléjicas.

2. Introducción

A pesar de los nuevos avances en la medicina, es evidente que las

personas discapacitadas siguen limitadas en sus vidas ya sea en el

trabajo o en su hogar, debido a que los desarrollos en el área de la

domótica no han tenido un enfoque hacia la población discapacitada,

sino al confort. Es fundamental para todo ser humano tener un correcto

desempeño en el lugar de mayor permanencia, en el caso de las

personas cuadrapléjicas, la habitación.

Este proyecto fue un aporte a todas las personas cuadrapléjicas con

capacidad de habla, para llevar una vida más independiente en su

habitación, sin necesidad de estar asistidos las 24 horas para realizar

tareas cotidianas como ver televisión, abrir una puerta entre otras. Aquí

se presentaron dos alternativas de solución, la primera se compone por

un controlador, un computador que ejecuta un software de

reconocimiento de voz, el sensor de seguridad para una ventana,

micrófono y actuadores que llevan a cabo las órdenes. La segunda

alternativa está compuesta por un sistema de reconocimiento de voz

que se realiza a través de un controlador y comandos predefinidos en un

dispositivo de almacenamiento externo. Estas dos alternativas

permitieron generar un sistema domótico basado en reconocimiento de

voz, selección y ejecución de la orden dada por el usuario.

1


La alternativa basada en reconocimiento de voz por medio del PC, fue

la implementada, esta se fundamentó en cuatro bloques principales, el

primero captura la señal mediante un micrófono bluetooth ubicado en la

oreja del usuario, el segundo bloque se encarga de recibir la señal y

analizarla por medio de un software de reconocimiento de voz, éste a su

vez se encarga de enviar los comandos respectivos al siguiente bloque,

este es un módulo central que se encarga de decodificar la orden y

procede a ejecutarla, a través del último bloque en el que se encuentran

actuadores para puerta, luz, televisor y un sensor de seguridad. Se

entrego un prototipo funcional que consta de un modulo de control con

conectores e indicadores luminosos, un brazo electromecánico acoplado

a una puerta, un sensor instalado en una ventana, indicadores

luminosos tipo LED en puerta y ventana todo lo anterior en correcto

funcionamiento y además con un correcto control de un bombillo y las

funciones básicas de un televisor.

3. Definición del problema

A pesar de los nuevos avances en la medicina, es evidente que las

personas discapacitadas siguen limitadas en sus vidas ya sea en el

trabajo o en su hogar. Es fundamental para todo ser humano tener un

correcto desempeño en el lugar de mayor permanencia, en el caso de

las personas cuadrapléjicas es la habitación.

Las limitaciones en discapacitados con lesiones de médula espinal,

cuadrapléjicos con capacidad de habla, no posibilitan el desarrollo de las

2


tareas cotidianas en su lugar de vivienda, los priva de autosuficiencia

siendo necesaria una persona de tiempo completo que pueda suplir

todas sus necesidades motrices y de mantenimiento diario como lo es la

alimentación, el vestirse, el entretenimiento y acciones cotidianas, que

para una persona con motricidad plena es una tarea sin ninguna

dificultad, pero en condiciones de invalidez cuádruple son imposibles de

realizar sin ayuda de otra persona o tecnología facilitadora para este

tipo de acciones, dentro de las que se puede encontrar el manipular la

iluminación de una habitación, el verificar la seguridad del hogar

monitoreando y operando sus vías de acceso como puertas y ventanas,

y por supuesto el desplazamiento de un lugar a otro dentro de la

vivienda.

Los sistemas modernos domóticos no se han enfocado a personas con

limitaciones físicas, sino para personas con movilidad total que buscan

satisfacer sus necesidades de ocio, entretenimiento y comodidad.

Presentan un alto costo de adquisición por lo que la mayoría de

personas discapacitadas no pueden hacer uso de ellos, especialmente

en países en vía de desarrollo como Colombia en el cual los avances

tecnológicos son inalcanzables para la mayor parte de la población.

4. Antecedentes

4.1 Universidad El Bosque

En la universidad El Bosque se realizó un trabajo de grado

perteneciente a la línea de investigación en telecomunicaciones e

3


inteligencia artificial de la facultad de ingeniería de sistemas, este trata

de la simulación de un ambiente domótico con tecnología JINI. El

objetivo general de este proyecto es estudiar la tecnología JINI en

términos de arquitectura, funcionalidad y control de dispositivos

domóticos a partir de una simulación de un ambiente domótico bajo una

federación JINI, e implementada a partir de una aplicación de muestra

programada en lenguaje JAVA utilizando la tecnología JINI con una

interfaz swing. Trabajo realizado en el 2006 por Diego Javier Silva Abello,

Universidad El Bosque, Facultad de Ingeniería de Sistemas.

4.2 Universidad del Valle

En la Universidad del Valle se realizó una aplicación de las

comunicaciones inalámbricas a la domótica, en el artículo consultado se

muestra un modelo que permite el control de electrodomésticos a través

de la integración de los protocolos X-10 y WAP. Para esto se definió un

modelo en el que un usuario puede modificar el estado de sus

electrodomésticos (prender y apagar) por medio de un teléfono móvil

celular. Los autores de este proyecto son Alexander Vera (Ing.

Electrónico), Andrés Alarcón (Ing. Electrónico), Oscar Polanco (Ing.

Electricista), Rubén Nieto (Ing. Electricista) y Álvaro Bernal (Prof.

Ingeniería eléctrica y electrónica Universidad Del Valle). Proyecto

Revisado Abril 30 de 2004 [12,1].

4


4.3 Universidad Nacional

La Universidad Nacional junto con el SENA desarrolló el proyecto

parque de innovación empresarial el cual se encarga de apoyar

proyectos a estudiantes entre los que se encuentran el proyecto

DOMOTEC el cual trata Domótica y seguridad comunitaria. Estudiantes:

Alexander García Castaño, José Mauricio Rivera Hernández, Wilmar

Andrés Valencia Arboleda. Febrero 2006, [29,6]

4.4 Universidad de los Andes

La universidad de los Andes desarrolló un proyecto, el cual se

estructura en cuatro temas coherentes entre sí: el primero es una visión

general sobre la tecnología PLC: Power Line Communications; el segundo

se ocupa de los aspectos técnicos relacionados con la transmisión de

datos a través de la red eléctrica domiciliaria; por consiguiente, incluye

entre otros: modulación, frecuencias de transmisión, topología de la red,

arquitectura, ancho de banda, modos de transmisión, interferencias; el

tercero está dedicado al modelamiento matemático de la línea de

transmisión, de los filtros, de los circuitos de acondicionamiento de la

señal de datos y del demodulador. El cuarto y último tema aborda

algunas aplicaciones de transmisión de información través de la red

eléctrica domiciliaria. El autor de este proyecto es el docente del área de

Comunicaciones, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad de los

Andes, Bogotá, Colombia. Proyecto realizado en el 2005 por Hernán Páez

Penagos e-mail: [email protected] [29,1]

5


4.5 Universidad Javeriana

En la Universidad Javeriana se está desarrollando sistema de manejo

remoto de dispositivos domésticos donde el usuario se conecta a

Internet por medio de un dispositivo móvil o PC convencional, a través

de una red inalámbrica de transmisión de datos o de un acceso físico

(telefónico, fibra óptica, entre otros) respectivamente. Dentro del

proceso de navegación, el usuario ingresa a la página principal para el

control remoto de dispositivos domésticos, donde el sistema distingue el

tipo de dispositivo usado para el ingreso. Los autores del proyecto son

Germán Eduardo Castro Díaz, Wilson Yesid Guzmán Arias, Karín Mónica

Munar Bohórquez. [35,1]

4.6 Universidad Autónoma

En la Facultad de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Autónoma

de Bucaramanga se está desarrollando un proyecto de diseño bajo el

título “Diseño construcción y pruebas de un modelo físico de un sistema

domótico” en el cual controlan alarmas contra incendios, sistemas de

temperatura y sistemas de acceso. [11,2]

4.7 Universidad Industrial de Santander

En la facultad de ingeniería Electrónica se desarrolló una tesis bajo el

título X-10 Y EIB, principales protocolos aplicados en domótica los

autores son Ricardo Correa Alarcón, Pedro Iván Pérez Gayón; director

Antonio Vicente Ortiz. Fue una investigación sobre los protocolos

6


mencionados y su uso actual en Latinoamérica, fue hecha en el año

2002 y publicada en el 2003.

4.8 Universidades Del Exterior

4.8.1 Universidad de Málaga

En la universidad de Málaga, España se realizó un artículo en el cual se

presenta una serie de mejoras para el protocolo Domótico X-10

destinadas a aumentar su eficiencia, seguridad y versatilidad. Además

de esto presenta un estudio de la tecnología LONWORKS y protocolo

LONTALK Los autores son Juan Carlos Martínez (Ing. Telecomunicaciones),

Jesús Martínez (Ing. Telecomunicaciones) y Pedro Merino (Ph.D. Prof.

Titular Universidad de Málaga) [36,1].

4.8.2 Universidad de las Américas

En la Universidad de las Américas, Puebla, México, escuela de

ingeniería,

Departamento de Ingeniería en Sistemas Computacionales se efectuó el

desarrollo de un reconocedor de dígitos con distinción de énfasis. Éste

consiste un sistema de reconocimiento de voz para el español hablado

en México, capaz de diferenciar entre vocales enfatizadas y

no−enfatizadas. El sistema fue entrenado utilizando el CSLU Toolkit. Se

trabajó sobre el corpus de dígitos. Este corpus anteriormente

recolectado tuvo que ser re−etiquetado para incluir en sus

transcripciones y etiquetas las diferencias entre fonemas con y sin

énfasis. Este trabajo describe el proceso de re−etiquetado y el

7


entrenamiento de la red neuronal con estos datos. Finalmente se evalúa

el nivel del desempeño del nuevo reconocedor con las herramientas del

Toolkit así como con el software de evaluación de NIST y se compara

contra uno entrenado sin la distinción de énfasis. Los resultados

obtenidos confirman nuestra hipótesis de que un reconocedor capaz de

distinguir el énfasis en las vocales presenta menos errores. Estos

resultados servirán como punto de partida para futuras investigaciones

y el desarrollo de un reconocedor de propósito general más robusto.

Julio López Moreno, Licenciatura en Ingeniería en Sistemas

Computacionales, Universidad de las Américas, Puebla, año 2000. [16,1]

5. Bases teóricas

5.1 Generalidades domótica

El término domótica, procedente de doméstico e informático, no trata

de dar nombre a una nueva tecnología, sino a un conjunto de servicios

integrados en la vivienda para una mejor gestión en aspectos como el

confort, la seguridad, el ahorro, la gestión energética, las

comunicaciones, la información y la flexibilidad.

Se puede definir la domótica como la disciplina que estudia el

desarrollo de infraestructuras inteligentes, así como de tecnologías de la

información, en edificios.

El sector informático fue quien comenzó a utilizar el término

inteligente para distinguir aquellos terminales con capacidad de

procesamiento de datos (inteligentes), de aquellos sin esa capacidad (no

8


inteligentes). Esta capacidad de procesar autónomamente datos está

profundamente relacionada con la utilización de los microprocesadores o

microcontroladores; así, la incorporación de éstos en distintas áreas ha

hecho que se extienda comercialmente el uso de este calificativo.

El concepto de edificio inteligente nace en Estados Unidos a finales de

los años setenta y principios de los ochenta, cuando al auge de las

telecomunicaciones se le sumó un período de enorme actividad en la

construcción de edificios de oficinas; desde entonces se le ha

denominado domótica (cuando va aplicado al hogar), edificios

inteligentes (cuando va aplicado a edificios), edificios pre cableados

(cuando incorpora una red de comunicaciones, voz/datos estructurada y

universal), edificios de altas tecnologías (capaces de utilizar tecnologías

avanzadas de comunicación e información), edificios automatizados

(cuando incorporan instalaciones de control, de servicios técnicos y

seguridad) u hogares automatizados (cuando se refiere a la vivienda). A

todo esto los franceses han respondido con una doble clasificación muy

general; domótica, cuando se refiere a la vivienda e inmótica cuando se

refiere a la edificación no residencial (hospitales, hoteles, estaciones,

plantas industriales, centros comerciales). [1,10]

5.1.1 Definición

Por Domótica se entiende la incorporación al equipamiento de

nuestras viviendas y edificios de una sencilla tecnología que permita

gestionar de forma energéticamente eficiente, segura y confortable para

9


el usuario, los distintos aparatos e instalaciones domésticas

tradicionales que conforman una vivienda (la calefacción, la iluminación,

televisión, etc.).

5.1.2 Aplicaciones

Las posibles aplicaciones son innumerables dadas las posibilidades de

la Domótica y las posibles necesidades de los propios usuarios, estas

son:

a. En el ámbito del ahorro energético

Programación y zonificación de la climatización

Racionalización de cargas eléctricas: desconexión de equipos de

uso no prioritario en función del consumo eléctrico en un momento

dado.

Reduce la potencia contratada

Gestión de tarifas, derivando el funcionamiento de algunos

aparatos a horas de tarifa reducida

b. En el ámbito del nivel de confort

Apagado general de todas las luces de la vivienda

Automatización del apagado/ encendido en cada punto de luz

Regulación de la iluminación según el nivel de luminosidad

ambiente

Automatización de todos los distintos sistemas, instalaciones,

equipos dotándolos de control eficiente y de fácil manejo

Integración del portero al teléfono, o del video portero al televisor

10


c. En el ámbito de la protección personal y patrimonial

Detección de un posible intruso

Simulación de presencia

Detección de conatos de incendio, fugas de gas, escapes de agua

Alerta médica, Teleasistencia

Cerramiento de persianas puntual y seguro

d. En el ámbito de las comunicaciones

Control remoto

Transmisión de alarmas

Intercomunicaciones

5.2 Estándares domótica

Existen algunos entes de estandarización para sistemas domóticos.

CENELEC (Comité europeo de normalización electrotécnica), ASIMELEC

(Asociación Multisectorial de Empresas Españolas de Electrónica y

Comunicaciones) y AENOR (Asociación española de normalización y

certificación). Dentro de los principales estándares se encuentran

CEBus, EIB, KONNEX/KNX, X10, ZigBee, Batibus, Lonworks, EHS y UPnP,

de éstos el más utilizado es el X10, para una descripción más completa

sobre estos estándares, refiérase a los anexos. A continuación se

presentan las síntesis de estos estándares.

5.2.1 CENELEC

La comisión CENELEC es la encargada de elaborar normas a nivel

internacional. CENELEC se fundó en 1973, y agrupó las organizaciones

11


CENELCOM y CENEL, que eran antes responsables de la normalización

electrotécnica. Es una organización no lucrativa bajo la ley de Bélgica, y

tiene la sede en Bruselas.

Los actuales miembros de CENELEC son: Austria, Bélgica, Chipre,

República Checa, Dinamarca, Estonia, Finlandia, Francia, Alemania,

Grecia, Hungría, Islandia, Irlanda, Italia, Letonia, Lituania, Luxemburgo,

Malta, Países Bajos, Noruega, Polonia, Portugal, España, Eslovaquia,

Eslovenia, Suecia, Suiza y el Reino Unido. Albania, Bosnia/Herzegovina,

Bulgaria, Croacia, Rumania, Turquía y Ucrania son miembros afiliados

con vistas a integrarse próximamente como de pleno derecho. [18,1]

5.2.2 ASIMELEC

Es la organización encargada de definir el servicio, los agentes

involucrados y las tecnologías de la domótica. Fue fundada en 1984 y en

la actualidad participan en la misma más de 2.000 empresas

representadas.

ASIMELEC es la única Asociación del macrosector de las Tecnologías

de la Información y las Comunicaciones, que agrupa a fabricantes,

comercializadores, distribuidores y en el caso del sector de

telecomunicaciones a instaladores, convirtiéndose por ello dentro del

mercado electrónico, en uno de los interlocutores más cualificados ante

la administración española y comunitaria y ante el resto de las

instituciones y organismos de carácter público o privado. [17,1]

12


5.2.3 AENOR

AENOR es una entidad dedicada al desarrollo de la normalización y la

certificación (N+C) en todos los sectores industriales y de servicios.

Tiene como propósito contribuir a mejorar la calidad y la competitividad

de las empresas, así como proteger el medio ambiente.

Fue designada para llevar a cabo estas actividades por la Orden del

Ministerio de Industria y Energía, de 26 de febrero de 1986, de acuerdo

con el Real Decreto 1614/1985 y reconocida como organismo de

normalización y para actuar como entidad de certificación por el Real

Decreto 2200/1995, en desarrollo de la Ley 21/1992, de Industria. [19,2]

A continuación en la tabla 1 se presenta la recomendación por AENOR,

para medir el nivel de una instalación domótica. Para AENOR, la

presente tabla de niveles de domotización pretende ser uno de los

pilares fundamentales en la certificación de una instalación domótica.

Tabla 1 Niveles de domotización

Aplicación domótica

Dispositivos Columna de referencia

Nº dispositivos o condición a cumplir

Puntuación

Alarma de intrusión

Detectores de presencia 2 1

1 cada 20 m2 2

1 por estancia 3

Teclado codificado, llave electrónica o equivalente

1 1

Sirena interior No 0

Si 1

Contactos de ventanas y/o impactos

En puntos de fácil acceso

1

En todas las ventanas

2

Sistemas de mantenimiento de alimentación en caso de fallo de suministro eléctrico

No 0

Si 2

13


Módulo de habla/escucha, destinado a la escucha en caso de alarma.También se admite cualquier tipo de control que permita conocer si realmente existe un intruso (cámaras web...)

No 0

Si 3

Sistema conectable con central de alarmas

No 0

Si 3

Alarmas técnicas

Detectores de inundación necesarios en zonas húmedas (baños, cocina, lavadero, garaje)

Los necesarios 1) 1

Electroválvula de corte de agua con instalación para "bypass" manual.

Las necesarias 1) 1

Detectores de concentraciones de gas butano y/o natural en zonas donde se prevea que habrá elementos que funcionen con gas.

Los necesarios 1) 1

Electroválvula de corte de gas con instalación para "bypass" manual.

Las necesarias 1) 1

Detector de incendios 1 en cocina 1

1 cada 30 m2 2

En todas las estancias

3

Simulación de presencia

No 0

Relacionada con las persianas motorizadas o los puntos de luz

2

Relacionada con las persianas motorizadas y los puntos de luz

3

Videoportero No 0

Si 1

Control de persianas

Motorización y control de persianas Todas las de superficie superior a 2 m2

1

Todas 2

Control de iluminación

Regulación lumínica con control de escenas

No 0

En dependencias dedicadas al ocio

2

En salón y dormitorios

3

En jardín o grandes terrazas mediante interruptor crepuscular o interruptor horario astronómico

No 0

Si 2

Conexión/desconexión general de iluminación

Un acceso 1

Todos los accesos 2

Control de puntos de luz y tomas No 0

14


de corriente más significativas 50% puntos de luz 2

80% puntos de luz + 20% tomas de corriente

3

Control de clima

Cronotermostato 1 en salón 1

Zonificando la vivienda en un mínimo de dos zonas

2

Zonificando la vivienda por estancias

3

Programaciones

Posibilidad de realizar programaciones horarias sobre los equipos controlados

No 0

Si 2

Gestor energético No 0

Si 2

Interfaz de usuario

Consola o equivalente No 0Si 2

Control telefónico bidireccional Si 1

Interacción mediante SMS

2

Equipo para control a través de Internet, Wap o equivalente

No 0Si 3

Dispositivos conectables a empresas suministradoras a través de redes de comunicación

1 1

2 2

3 o más 3

Red Multimedia Tomas satélite y tomas multimedia No 03 SAT + 3 multimedia

2

3 SAT + 1 multimedia en todas las estancias, incluido terraza

3

Punto de acceso inalámbrico No 0Wi-Fi 1

5.2.4 CEBUS

En 1984 varios miembros de la EIA norteamericana (Electronics

Industry Association) llegaron a la conclusión de la necesidad de un bus

domótico que aportara más funciones que las que aportaban sistemas

de aquella época (ON, OFF, DIMMER xx, ALL OFF, etc.). Especificaron y

15


desarrollaron un estándar llamado CEBus (Consumer Electronic Bus),

[21,1].

Como protocolo las tramas definidas en CEBus pueden tener longitud

variable en función de la cantidad de datos que se necesitan transmitir.

El tamaño mínimo es 8 octetos y el máximo casi 100 octetos.

Al igual que los dispositivos EIB, los nodos CEBus tienen grabada una

dirección física prefijada en fábrica, que los identifican de forma unívoca

en una instalación domótica. Hay más de 4.000 millones de

posibilidades.

Como parte de la especificación CEBus se ha definido un lenguaje

común para el diseño y especificación de la funcionalidad de un nodo, a

este lenguaje lo han llamado CAL (Common Application Language) y

está orientado a objetos (estándar EIA-600).

La empresa Intellon Corporation dispone del hardware y el protocolo

embarcados en un único circuito. Además proporcionan el entorno de

desarrollo en lenguaje CAL compatible con sus propios circuitos así como

Kits de inicio para aquellas empresas que deseen empezar a desarrollar

productos CEBus. Para mayor información refiérase al anexo 1, CEbus.

[21,2]

5.2.5 EIB

El European Installation Bus o EIB es un sistema domótico desarrollado

bajo los auspicios de la Unión Europea con el objetivo de contrarrestar

las importaciones de productos similares que se estaban produciendo

16


desde el mercado japonés y el norteamericano donde estas tecnologías

se han desarrollado antes que en Europa, [23,1].

El EIB (European Installation Bus) es un sistema descentralizado (no

requiere de un controlador central de la instalación), en el que todos los

dispositivos que se conectan al bus de comunicación de dato tienen su

propio microprocesador y electrónica de acceso al medio. En una red EIB

podemos encontrar básicamente cuatro tipos de componentes: módulos

de alimentación de la red, acopladores de línea para interconectar

diferentes segmentos de red, y elementos sensores y actuadores. Para

mayor información refiérase al anexo 2, EIB. [22,2]

5.2.6 KONNEX/KNX

El Konnex es la iniciativa de tres asociaciones europeas:

EIBA (European Installation Bus Association)

Batibus Club International

EHSA (European Home Systems Association)

Con el objeto de crear un único estándar europeo para la

automatización de las viviendas y oficinas.

Los objetivos de esta iniciativa, con el nombre de "Convergencia", son:

Crear un único estándar para la domótica e inmótica que cubra

todas las necesidades y requisitos de las instalaciones profesionales y

residenciales de ámbito europeo

Aumentar la presencia de estos buses domóticos en áreas como

la climatización o HVAC

17


Mejorar las prestaciones de los diversos medios físicos de

comunicación sobre todo en la tecnología de radiofrecuencia

Introducir nuevos modos de funcionamiento que permitan aplicar

una filosofía Plug&Play a muchos de dispositivos típicos de una

vivienda

Contactar con empresas proveedoras de servicios como las

telecos y las eléctricas con el objeto de potenciar las instalaciones de

telegestión técnica de las viviendas o domótica

El estándar KNX garantiza alta flexibilidad en el caso de cambios en las

aplicaciones del sistema, permite una utilización óptima de la energía,

mejora la seguridad de los edificios y el nivel de confort y permite

reducir los costes de operación. KNX se basa en la tecnología EIB, y

expande su funcionalidad añadiendo un nuevo medio físico al estándar

EIB y los modos de configuración de BatiBus y EHS.

5.2.7 X-10

X-10 es uno de los protocolos más antiguos que se están usando en

aplicaciones domóticas. Fue diseñado en Escocia entre los años 1976 y

1978 con el objetivo de transmitir datos por las líneas de baja tensión a

muy baja velocidad (60 bps en EEUU y 50 bps en Europa) y costes muy

bajos. Al usar las líneas de eléctricas de la vivienda, no es necesario

tender nuevos cables para conectar dispositivos.

El protocolo X-10, en sí, no es propietario, es decir, cualquier

fabricante puede producir dispositivos X-10 y ofrecerlos en su catálogo,

18


eso sí, está obligado a usar los circuitos del fabricante escocés que

diseño esta tecnología. Aunque, al contrario de lo que sucede con la

firma Echelon y su NeuronChip que implementa Lonworks, los circuitos

integrados que implementan el X-10 tienen un royalty muy bajo (casi

simbólico).

X10 es un sistema basado en corrientes portadoras. Todas las señales

se transmiten a través de la red de BT o por radiofrecuencia. Existe una

versión europea del X10, el NETBUZ X10 con el mismo principio de

funcionamiento, aunque en Europa ha tenido muy poca implantación.

Para mayor información refiérase al anexo 4, X-10. [23,3]

5.2.8 ZIGBEE

ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, de 25 empresas, la mayoría

de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el

desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste.

Destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Philips y Motorola que

trabajan para crear un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y

bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de domótica,

automatización de edificios (inmótica), control industrial, periféricos de

PC y sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el

desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por

debajo del Bluetooth.

Zigbee considera la capa física y el MAC definido por la norma IEEE

802.15.4 y se encarga de definir las funcionalidades asociadas a la capa

19


de red (incluyendo los atributos de seguridad) así como el software

asociado a los perfiles de aplicaciones.

El IEEE 802.15.4, definido completamente desde Mayo de 2003, define

una capa física DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) que le permite

funcionar en bandas no licenciadas ya pobladas coexistiendo con otras

tecnologías. Además el DSSS no exige una necesidad de sincronización

tan grande como otras variantes CDMA (como es el caso del FHSS) lo

que permite en la práctica el poder pensar en tener redes escalables

hasta cantidades muy elevadas de miembros (contempla redes de más

de 64000 elementos de hecho) sin problemas. Para mayor información

refiérase al anexo 5, Zigbee. [24,1]

5.2.9 BATIBUS

Este protocolo de domótica está totalmente abierto, esto es, al

contrario de los que sucede con el protocolo LonTak de la tecnología

Lonworks, el protocolo del BatiBUS lo puede implementar cualquier

empresa interesada en introducirlo en su cartera de productos.

A nivel de acceso, este protocolo usa la técnica CSMA-CA, (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Avoidance) similar a Ethernet pero

con resolución positiva de las colisiones. Esto es, si dos dispositivos

intentan acceder al mismo tiempo al bus ambos detectan que se está

produciendo una colisión, pero sólo el que tiene más prioridad continua

transmitiendo el otro deja de poner señal en el bus. Esta técnica es muy

similar a la usada en el bus europeo EIB y también en el bus del sector

20


del automóvil llamado CAN (Controller Area Network). Para mayor

información refiérase al anexo 6, Batibus. [25,2]

5.2.10 Lonworks

Echelon presentó la tecnología LonWorks en el año 1992, desde

entonces multitud de empresas viene usando esta tecnología para

implementar redes de control distribuidas y automatización. Aunque

está diseñada para cubrir los requisitos de la mayoría de las aplicaciones

de control, sólo ha tenido éxito de implantación en edificios de oficinas,

hoteles o industrias. Pero, debido a su coste, los dispositivos Lonworks

no han tenido una implantación masiva en los hogares, sobretodo

porque existían otras tecnologías de prestaciones similares mucho más

baratas.

El éxito que ha tenido Lonworks en instalaciones profesionales, en las

que importa mucho más la fiabilidad y robustez que el precio, se debe a

que desde su origen ofrece una solución con arquitectura

descentralizada, extremo-a-extremo, que permite distribuir la

inteligencia entre los sensores y los actuadores instalados en la vivienda

y que cubre desde el nivel físico al nivel de aplicación de la mayoría de

los proyectos de redes de control. Para mayor información refiérase al

anexo 7, Lonworks. [26,4]

5.2.11 EHS

El estándar EHS (European Home System) ha sido otro de los intentos

que la industria europea (año 1984), auspiciada por la Comisión

21


Europea, de crear una tecnología que permitiera la implantación de la

domótica en el mercado residencial de forma masiva. El resultado fue la

especificación del EHS en el año 1992. Está basada en una topología de

niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se especifican los

niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación.

Desde su inicio han estado involucrados los fabricantes europeos más

importantes de electrodomésticos de línea marrón y blanca, las

empresas eléctricas, las operadoras de telecomunicaciones y los

fabricantes de equipamiento eléctrico. La idea es crear un protocolo

abierto que permitiera cubrir las necesidades de interconexión de los

productos de todos estos fabricantes y proveedores de servicios.

Para mayor información refiérase al anexo 8, EHS. [27,3]

5.2.12 UpnP

Plug&Play (UPnP) es una arquitectura software abierta y distribuida

que permite a las aplicaciones de los dispositivos conectados a una red

intercambien información y datos de forma sencilla y transparente para

el usuario final, sin necesidad de que este tenga que ser un experto en

la configuración de redes, dispositivos o sistemas operativos. Esta

arquitectura software está por encima de protocolos como el TCP, el

UDP, el IP, etc, y es independiente de éstos.

El UPnP se encarga de todos los procesos necesarios para que un

dispositivo u ordenador conectado a una red pueda intercambiar

información con el resto. El UPnP ha sido diseñado de forma que sea

22


independiente del fabricante, sistema operativo, del lenguaje de

programación de cada dispositivo u ordenador, y del medio físico usado

para implementar la red. Para mayor información refiérase al anexo 9,

UpnP. [28,2]

Como se menciona anteriormente existe una gran variedad de

estándares y protocolos aplicados a la domótica, algunos de estos ya no

son aplicados actualmente. La mayoría de estos son utilizados para

mantener una interoperabilidad con los diferentes dispositivos que

existen actualmente y que se han venido desarrollando a lo largo de la

evolución de esta tecnología, algunos de estos protocolos son

desarrollados de manera propietaria para un grupo de empresas, otros

son desarrollados abiertamente para ser implementados con cualquier

dispositivo que se desarrolle, uno de estos es el protocolo X10, trabaja

de manera abierta para cualquier aplicación en domótica.

Unos de los aspecto más relevantes en el proyecto es la parte del

reconocimiento de voz, a continuación se presenta algunos aspectos

importante y relevantes en cuanto a la teoría de reconocimiento s de

voz.

5.3 Reconocimiento de voz

El reconocimiento de voz es el proceso de convertir, por medio de una

computadora, una señal acústica a una secuencia de palabras

representadas en forma de texto. Las palabras reconocidas pueden

23


servir de entrada a otros sistemas que los requieran para realizar alguna

acción.

Los investigadores se han centrado en el estudio de reconocimiento de

voz con la finalidad de desarrollar una máquina capaz de reconocer voz

de manera continua, espontánea, independiente de cualquier locutor y

sin restricciones de vocabulario. Es por esta razón, que desde hace cinco

décadas, se ha investigado en reconocimiento de voz para poder realizar

cualquier tipo de tarea. [15,1]

A pesar del rápido progreso inicial, las limitaciones en arquitecturas de

computadoras previnieron cualquier desarrollo comercial de sistemas de

reconocimiento de voz. Note que no obstante la taza de transferencia de

datos de voz es solamente alrededor de 50 bits por segundo, los

requerimientos computacionales asociados en la extracción de esta

información son enormes. En la última década, sin embargo, un número

de sistemas comerciales han sido exitosamente desarrollados [37]. A

pesar de estos avances, verdadero procesamiento de voz espera aun

varios años por venir. Por lo tanto, un sistema exitoso conducido por voz

debe permitir tener en cuenta las limitaciones de la tecnología actual.

Estas limitaciones incluyen la dependencia de la persona que habla, la

continuidad de voz y el tamaño del vocabulario.

Los sistemas independientes de la persona que habla pueden

reconocer voz de cualquier persona. Los sistemas dependientes de la

persona que habla deben ser entrenados para cada usuario individual,

24


pero típicamente tienen más altas tasas de exactitud. Los sistemas

adaptables a la persona que habla, un enfoque híbrido, inicia con

plantillas independientes de la persona que habla y las adapta a

usuarios específicos sobre el tiempo sin entrenamiento explícito. Los

sistemas de voz continuos pueden reconocer palabras habladas en un

ritmo natural mientras que los sistemas de palabras aisladas requieren

de una pausa deliberada entre cada palabra. No obstante más deseable,

la voz continua es más difícil de procesar por la dificultad en detectar los

límites de cada palabra. El tamaño del vocabulario puede variar de 20

palabras a más de 40,000 palabras. Los grandes vocabularios causan

dificultades en mantener exactitud, pero los pequeños pueden imponer

restricciones no deseadas sobre la naturalidad de la comunicación. A

menudo el vocabulario debe ser restringido por reglas gramaticales las

cuales identifican como las palabras pueden ser habladas en el

contexto. Un repaso más completo de esta materia puede ser

encontrado fácilmente [38].

5.3.1 Procesamiento de la voz en el dominio del tiempo

Debido a la naturaleza cambiante de la voz, resulta más conveniente

aplicar el análisis a porciones de voz, ya que el interés es observar la

evolución de los distintos parámetros calculados; por ello se procesan

porciones o ventanas de la señal.

Sí nos vamos alejando poco a poco de la comparación brusca de

palabras o fonemas. Estamos llegando a un nivel superior donde el

25


descubrimiento de la evolución de los formantes obliga a tratar la señal

con porciones de unos 20 mseg., como se menciono anteriormente.

Pero esto no es todo, cada ventana tendrá asociada un peso, es decir,

no todas las secciones tendrán mayor importancia. De esta forma las

muestras quedan ponderadas con los valores de la función escogida. En

modo (Hamming) las muestras que se encuentran en los extremos de la

ventana tienen un peso mucho menor que las que se hallan en el medio,

lo cual es muy adecuado para evitar que las características de los

extremos del bloque varíen la interpretación de lo que ocurre en la parte

más significativa (central) de las muestras seleccionadas.

Existe un pequeño solapamiento en los extremos de las ventanas, esto

con el fin de proporcionar una mejor calidad en los resultados obtenidos

ya que los valores (de la ventana) en sus extremos, quedan muy

reducidos.

Pero como siempre pasa, en toda ley donde algo mejora, otra

empeora; en este caso va a repercutir en los tiempos de respuesta de

los algoritmos utilizados, alargándolos ligeramente.

Hay varios tipos de ventanas: Ventana rectangular, ventana Hanning,

ventana Hamming quizá esta última es la más utilizada.

Para cualquier ventana, su duración determina la cantidad de cambios

que se podrán obtener. Con una duración temporal larga, se omiten los

cambios locales producidos en la señal, mientras que con una duración

26


demasiado corta, se reflejan demasiado los cambios puntuales y se

reduce la resolución espectral,[43,1].

5.3.2 Energía y magnitud

Tanto la energía como la magnitud son útiles para distinguir

segmentos sordos y sonoros en la señal de voz.

Existen otras maneras para identificar consonantes, hay un método

denominado "cruces por cero y máximos" donde por ejemplo la "s"

provoca que las muestras consecutivas de esa consonante difieran de

signo (señales discretas). Generalizando más, podremos decir que una

señal clasificada como ruido (la "s" es un ruido de alta frecuencia)

provoca en la amplitud un cambio de signo. De esta manera se pueden

localizar consonantes fricativas.

También se encuentran los bancos de filtros, usados para calcular la

energía de la señal en cada ventana, y así poder representar un

espectro.

5.3.3 Estimación espectral por predicción lineal (LPC)

Su importancia es mayor que la que su propio nombre sugiere. Es una

de las técnicas más usadas en el procesamiento de señales de voz.

Esta técnica ha probado ser muy eficiente debido a la posibilidad de

parametrizar la señal con un número pequeño de patrones con los

cuales es posible reconstruirla adecuadamente. Estos parámetros van

cambiando poco a poco en función de la señal en el tiempo Otra ventaja

es que no necesita demasiado tiempo de procesamiento.

27


El modelo matemático sugiere que el tracto vocal puede modelarse

mediante un filtro digital, siendo los parámetros los que determinan la

función de transferencia.

Esto consiste en que, dado un segmento de palabra, se extraen sus

parámetros que en este caso vienen a ser los coeficientes del filtro.

El sistema LPC es sin duda una manera acertada de poder registrar

una señal, ya que, en vez de registrar dicha señal, se transforma todo en

un filtro con determinados coeficientes, de manera que al reconstruir la

señal, se le "inyecta" un tren de pulsos periódicos o una fuente de ruido

aleatorio que al pasar por el filtro se transformará en la señal original, es

decir, en nuestra señal de voz.

El tren de impulsos producirá señales sonoras q La fuente de ruido

aleatorio producirá señales no sonoras.

De esta manera, el filtro viene a representar un modelo del tracto

bocal.

Si aplicásemos en vez de este sistema la transformada discreta de

Fourier, se podría observar que coinciden en las resonancias que vienen

a ser las que caracterizan el contenido frecuencial de la señal vocal,

pero el espectro de la señal tratada por el sistema LPC se caracterizaría

por tener contornos más suaves de lo normal, se podría decir que

"suaviza" el espectro.

28


5.3.4 Modelos de señales

Los modelos de señales que existen para caracterizar señales, pueden

clasificarse de modo general en determinísticos y estocásticos (o de

señales aleatorias). Esta clasificación se basa en la naturaleza de la

señal tratada.

Los modelos determinísticos utilizan propiedades conocidas de la

señal, y así poder estimarla de forma inmediata. Ejemplo: Onda

senoidal, la cual puede caracterizarse por Amplitud, Fase y Frecuencia.

Por otra parte, los modelos estocásticos estiman propiedades

estadísticas de las señales. (series de Gauss, series de Poisson, etc). Se

asume que la señal modelada puede caracterizarse como una serie

paramétrica aleatoria, y los parámetros de la serie aleatoria pueden

estimarse de manera definida y precisa. Por esto los modelos

estocásticos son una aproximación particularmente adecuada para el

reconocimiento de voz.

El modelo estocástico más popular empleado en el reconocimiento de

voz es el HMM

5.3.5 Procesos discretos y Cadenas ocultas de Markov (HMM)

Los HMMs se han utilizado en diversas aplicaciones como sistemas de

comunicación, biología molecular (para el análisis de las secuencias de

ácidos proteicos y nucléicos), etc.

29


A este modelo se le llama "oculto" (hidden), en el sentido en que la

secuencia de estados que producen una secuencia de patrones

determinada, no puede ser observada/determinada.

Dependiendo de cómo evolucionen los estados, podemos hablar de

HMMs ergódicos (cualquier estado se puede alcanzar desde cualquier

otro estado) o HMMs left-to-right (donde el modelo únicamente lleva a

cabo transiciones hacia delante).

Una característica importante es que estos sistemas tienen un futuro

independiente del pasado, lo cual no ocurre en Redes Neuronales.

Estos modelos que se acaban de describir serían la cuarta bifurcación,

ya que se necesita una amplia gama de conocimientos estadísticos para

poder llegar a comprender esto.

Está claro que para el reconocimiento de voz necesitamos sistemas

estadísticos como el de Markov, pero la aplicación de Redes Neuronales

va a superar con creces cualquier modelo estadístico que se le enfrente.

Por supuesto, hay fallos en las Redes Neuronales, pero son el último

avance en cuanto a este tema.

5.4 Análisis fonético

La señal de voz es un flujo continuo de sonidos y silencios. Esta señal

se encuentra constituida por palabras. Las palabras a su vez están

divididas en fonemas, los cuales son la unidad básica del habla y en

conjunto determinan los sonidos con los que se pueden construir las

palabras de cualquier lenguaje.

30


Acústicamente, un fonema es un sonido que se distingue por un

patrón característico. Por otro lado, un alófono es una de las diferentes

pronunciaciones que pueda llegar a tener el fonema. El conjunto de

fonemas se divide de acuerdo a su manera y lugar de articulación en

varios grupos: vocales, diptongos, semivocales y consonantes.

La producción del sonido de una vocal se genera cuando el aire pasa

de los pulmones a la laringe y después a la boca (o nariz y boca) sin

ninguna obstrucción. En las vocales, la posición de la lengua y la forma

como se abre o cierra la boca determinan el timbre, el tamaño y la

forma de la onda sonora.

Las vocales se identifican por sus formantes, las cuales son muy

marcadas durante todo el fonema. Esta característica las hace

fácilmente distinguibles cuando se analiza su espectrograma. Además se

puede decir que las vocales generalmente son de mayor duración que

las consonantes. [15,4]

Los sonidos de las consonantes son producidos cuando el aire al salir

de los pulmones encuentra un obstáculo (parcial o total), debido

generalmente por la lengua y en algunos casos los labios o el velo,

dejándole un espacio pequeño por donde pasa con fricción. La

clasificación de las consonantes depende de la forma de articulación de

los sonidos. Se entiende por articulación a los movimientos o

configuración de los órganos vocales que producen los sonidos. Por lo

31


tanto, las consonantes se clasifican en: fricativas, stops u oclusivos, flaps

y trills (vibrantes), africativos y nasales. [15,6]

5.5 Procesamiento de señal de voz

El reconocimiento de voz generalmente es utilizado como una interfaz

entre humano y computadora para algún software por lo que debe

cumplir 3 tareas; pre procesamiento, reconocimiento y comunicación.

En el pre procesamiento de la señal de voz los sonidos consisten en

cambios de presión del aire a través del tiempo y a frecuencias que

podemos escuchar. Estos sonidos pueden ser digitalizados por un

micrófono o cualquier otro medio que convierte la presión del aire a

pulsos eléctricos. La voz es un subconjunto de los sonidos generados por

el tracto vocal. En el pre procesamiento de la señal se extraen las

características que utilizará posteriormente el reconocedor. En el

proceso de extracción de características se divide la señal de voz en una

colección de segmentos. Posteriormente, se obtiene una representación

de características acústicas más distintivas para cada segmento. Con

estas características obtenidas, se construye un conjunto de vectores

que constituyen la entrada al siguiente módulo. Una de las

representaciones más usadas son los coeficientes Linear Predictive

Coding (LPC) y los coeficientes Mel−Frecuency Cepstrum Coefficients

(MFCC).

En la etapa del reconocimiento se traduce la señal de entrada a su

texto correspondiente. Este proceso se puede llevar a cabo de diversas

32


formas utilizando enfoques como Redes Neuronales Artificiales (RNA) y

Modelos Ocultos de Markov (HMM), entre otros. Durante este proceso se

buscan clasificar los vectores de características de la señal de entrada

para obtener las unidades lingüísticas de las que está formada.

Posteriormente, se realiza una búsqueda para encontrar la secuencia de

segmentos con mayor probabilidad de ser reconocidos.

En la etapa de comunicación, dependiendo de la aplicación a la que

pertenece la interfaz de voz, el resultado del reconocimiento debe ser

interpretado y/o enviado al sistema que lo requiere. Es decir, una vez

que se obtiene un resultado por parte del clasificador, este puede

significar un comando el cual debe ser transferido a la entidad que lo

ejecutara. [15,8]

6. Estado del arte

Inicialmente la única forma de construir una instalación Domótica era

con el uso de sensores y actuadores que trabajaban en conjunto con un

centro de control. Estos sistemas en sus inicios eran poco flexibles ya

que no existían estándares que los normalizaran y por esto su costo era

elevado. A pesar de la aparición de estándares y tecnologías que han

reducido los costos y complejidad de las instalaciones domóticas, hasta

hoy la industria no ha tenido la difusión requerida para globalizar esta

convergencia de tecnologías.

Gracias a la masificación del Internet aparecen multitud de fabricantes

y proveedores de servicios, que constantemente están desarrollando

33


nuevos productos que conjugan las bondades de Internet con

tecnologías de redes de datos y control, a partir de esto se está

empezando a usar el concepto de teledomótica.

La domótica actualmente se está desarrollando a pasos agigantados y

probablemente su uso en un futuro cercano sea una necesidad, las

empresas trabajan para brindar en general, bienestar en los hogares;

control de luces, persianas, ventanas, cortinas y enchufes; climatización

automática, calefacción y refrigeración; gestión óptima de la energía.

Sistemas de ahorro, arquitectura bioclimática; uso de energías

renovables, energía solar, energía geotérmica, energía eólica;

automatización de tareas como riego, encendido de los servicios a

ciertas horas; presencia del control tanto externo como interno, control

remoto desde Internet, por medio del PC, mandos inalámbricos como

PDA con WIFI); facilidad de uso y gestión del ocio.

6.1 Nivel Nacional

6.1.1 Wilcatec Ltda

Una empresa Colombiana llamada Wilcatec Ltda., la cual está ubicada

en la Cra 5D No 9-45 Funza, Cundinamarca Teléfono 57-1- 8264078,

esta presta servicios en sistemas domóticos como ahorro energético,

regulación de temperatura, control de iluminación, gestión de los

consumos de cada artefacto eléctrico y de la potencia contratada,

circuitos cerrados de TV, sistemas preventivos contra inundación,

sistemas contra incendio, escapes de gas, programaciones horarias para

34


la calefacción, control de escenarios luminosos, riego automático,

puertas automáticas para garajes, bombeo de agua, cortinas

automáticas entre otros para mayor información refiérase a su sitio web

[9,3].

Esta empresa importa y distribuye módulos de control JANOcom

suministrados por una empresa española, Wilcatec LTDA. No fabrica los

dispositivos, presta los servicios para instalación de estos dispositivos.

JANOcom es una central domótica para gestionar seguridad y

automatizar la vivienda, el usuario recibe en su teléfono móvil mensajes

inmediatos notificando cualquier evento (intrusión, fuga de gas,

inundación, etc.); cuando no se encuentra en la vivienda se pueden

enviar mensajes cortos a JANOcom para controlar la calefacción, las

luces, etc.

Para el funcionamiento solamente es necesario conectarlo a la red

eléctrica porque todos los módulos, incluido el de alimentación, los

incorpora en su interior.

JANOcom integra varias tecnologías: recibir mensajes e interpretarlos,

emitir comandos para controlar los módulos asociados y emitir órdenes

inalámbricas a los detectores.

El módulo central posee un lector de llaves que permite realizar el

control de accesos a la vivienda y por ello puede estar en dos modos

distintos: "En casa" o "Fuera de casa". El sistema cambia de un modo al

tocar el lector con una de las llaves disponibles.

35


Para iniciar el funcionamiento se debe:

Introducir la tarjeta SIM en el módulo JANOcom, Desactivando

antes el código PIN

Enviarle un mensaje con la clave elegida por el usuario y los

números a los que debe mandar los SMS

A partir de este momento, JANOcom podrá recibir SMS de control de la

vivienda y enviar SMS de aviso [30,1].

6.1.2 Home & Office Technologies De Colombia S.A.

Es una empresa Colombiana con sede principal en Bogotá sin embargo

también tienen sedes en Ecuador y Venezuela, teléfono 5404433, esta

se dedica a ofrecer soluciones tecnológicas, en las que se requiera la

integración de diferentes mecanismos y equipos como iluminación,

audio, video, entretenimiento, cableado estructurado, aire

acondicionado, seguridad, control, entre otros [31,1].

Cuenta con una amplia gama de productos en domótica tales como:

a. Sistemas de control:

Ni 2000

Satisface las características comunes de control y automatización en

una habitación individual, que pueden incluir la integración de un

limitado número de videograbadoras (VCR), tocadores de DVD,

proyectores, iluminación, termostatos y otros equipos electrónicos.

NI-4000

36


El NI-4000 está dirigido a satisfacer los requerimientos de control y

automatización de alto nivel, dentro de las instalaciones comerciales y

residenciales más complejas y sofisticadas. Esta solución tiene una

ingeniería que cuenta con la misma cantidad de puertos y relés que el

NI-3000, con la adición de cuatro puertos de ranuras para tarjetas de

control NetLinx, para poder alcanzar un nivel superior de control

integrado y funcionalidades de automatización. El NI-4000 integra la

mayor cantidad de equipos electrónicos, tales como videograbadoras

(VCR), tocadores de DVD, proyectores, pantallas de proyección, luces,

sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC),

sistemas de cámaras de seguridad y otros.

NXD-CV5

Este Modelo ofrece capacidades de audio/video-ready, una interfaz de

usuario de aspecto 16x9 pantalla ancha y el exclusivo diseño Moderno

de AMX, todo esto incorporado en una pantalla delgada para empotrar

en pared.

b. Sistemas de iluminación

Botoneras

Las botoneras LiteTouch -también llamadas "estaciones de control"-

son teclados empotrables en la pared que se instalan en lugar de los

interruptores luz tradicionales, estas pueden reemplazar hasta 9

interruptores, que es lo usual, o hasta 18 interruptores en caso que sean

botoneras dobles (2 gang); mediante configuración cualquier botón

37


puede funcionar como interruptor (encendido / apagado), dimmer o

pulsador (Ej.: timbre o cerradura eléctrica).

Unidad Central de Control (CCU)

Todos los sistemas de LiteTouch son manejados por una Unidad

Central de Control (CCU), que es el cerebro del sistema. Esta recibe la

información de accionamiento de las botoneras, procesa los comandos y

transmite las instrucciones a los módulos de control. Mantiene el estado

de los interruptores y sus cargas indefinidamente, incluso durante cortes

del suministro eléctrico. Algo muy bueno es que los CCUs de LiteTouch

pueden ser reprogramados en cualquier momento a petición del cliente

[32,1].

6.2 Nivel Internacional

Los países donde más se comercializa esta tecnología son España,

USA, Italia, Argentina, Francia e Inglaterra.

En España se lleva a cabo la feria anual DOMOGAR donde se dan cita

todos los sectores involucrados en domótica y los servicios para el hogar

digital, la integración en los servicios e instalaciones residenciales de

tecnologías que los controlen de forma energéticamente eficiente,

confortable y segura, proporcionando, además, una comunicación entre

los dispositivos domésticos tradicionales, de entretenimiento,

informáticos y de telecomunicación que existen en el hogar y de estos

con el exterior.

38


6.2.1 BJC

Es una empresa con sede en Barcelona España [33,1], que fabrica y

comercializa productos en domótica, entre los más destacados se

encuentran:

a. BJC Dialon

Es un sistema independiente para la domótica esencial, está formado

por un módulo control telefónico para carril DIN, con 8 entradas

digitales, 6 salidas digitales a relé, una entrada para la sonda de

temperatura y un frontal multifunción integrado en el equipo para la

configuración y el control del sistema (LCD + teclado). Este frontal

posibilita la visualización mediante leds del estado de las entradas y

salidas, al mismo tiempo que permite configurar y/o controlar el sistema

por ordenador a través de un puerto serie. Además, el nuevo módulo BJC

Dialón puede controlarse por teléfono mediante códigos DTMF y permite

la notificación de alarmas mediante mensajes de voz a través de la línea

telefónica.

Funciones de seguridad

o Detección de fuga de gas/cierre electroválvula.

o Detección de fuga de agua/cierre electroválvula.

o Detección de humo.

o Alarma anti-intrusión/micrófono para escuchar lo que

acontece en la vivienda vía teléfono.

o Pulsador emergencia médica...

39


o Detección fallo suministro.

Funciones de confort y ahorro energético

o Control de clima (calefacción/aire acondicionado) mediante

sonda de temperatura.

o Control de luces.

o Control de riego.

o Control de persianas/toldos...

o Control de tomas de corriente.

o Depuradoras.

o Horno.

o Lavadora.

o Abre-puertas eléctrico.

o BJC Confort

o El control sin cables

b. BJC Confort

BJC Confort utiliza la banda de frecuencia 868MHz, habilitada por la

Comunidad Europea para el uso exclusivo de ciertos equipos en las

viviendas. Un producto tecnológicamente avanzado, con menor riesgo

de interferencias.

Modo básico

Interruptores que suben y bajan las persianas. Termostatos que

regulan la temperatura. Permite atenuar la luz de las habitaciones y

ahorrar energía a través del control óptimo de la calefacción.

40


Práctico control sobre el hogar, Fácilmente adaptable. Deben colocarse

los mecanismos deseados y regularlos a través del mando a distancia o

actuando directamente sobre los mecanismos.

Modo plus

Toldos inteligentes, encender y apagar circuitos enteros de

iluminación, programar la activación del televisor, desactivar

electrodomésticos por teléfono, con la posibilidad de poner en marcha

un "apagado central", sistema de alarma asociado a detectores de

movimiento.

6.2.2 PROINSSA

Es una empresa que fue creada en Abril de 1999 [4,1], y desde

entonces ha desplegado diversas líneas de actividad en los siguientes

campos:

Domótica para personas en situación de dependencia

Ayudas Técnicas

Consultoría

Comunicación y Formación

Entre los principales productos y servicios aplicados a nuestro tema se

encuentran:

a. Senior Pilot

Es un equipo de ayuda y control del entorno diseñado para potenciar o

aumentar la autonomía personal e independencia de personas con

discapacidad de bajo nivel de limitación.

41


Es un mando a distancia por infrarrojos que puede controlar la

televisión, la mini cadena de música o el vídeo, además también podrá

abrir y cerrar una puerta o una ventana motorizada, subir y bajar

persianas motorizadas, o encender y apagar la luz, o variar la

temperatura del aire acondicionado y también avisar pidiendo ayuda.

b. Receptor IR de pared

Interruptor de pared (empotrado), con receptor IR y embellecedor.

Compatible con sistemas y equipos fabricados por ABB, BUSCH-JAGHER,

ELV, GEWA, IR64K, COP, MICRO-ELECT, M&P, OKIN, PHILEX, PO, SICARE,

SIC, SIEMENS.

Es un interruptor con función de pulsador y con receptor IR, que se

puede conectar en cualquier circuito, sustituyendo al interruptor de

pared habitual, para controlar el encendido de luces, por ejemplo, por

medio del mando de voz Sicare Light y a la vez, se puede controlar

mediante pulsación.

c. Motor puerta

Motor de puerta con sistema de seguridad para evitar aplastamiento,

conexión a red, manual de instrucciones. Las funciones son: apertura y

cierre automático. Mediante un receptor IR (no incluido) permite el

control de la puerta mediante los mandos por voz o pulsador.

d. SICARE Light

Sicare Light es un mando de control con reconocimiento de voz y

función de copiado de códigos infrarrojos, que permite sustituir todos los

42


habituales mandos de infrarrojos existentes en el hogar y por medio de

Sicare Light podremos controlar las principales funciones de todos ellos,

mediante la voz. Además, permite incorporar otros dispositivos que

surjan en el futuro y también que el usuario vaya incrementando el

número de aparatos a controlar de forma paulatina. A la medida de sus

necesidades.

Después de una fase de entrenamiento corta y simple, Sicare Light

interpretará las instrucciones que la persona le indique usando

simplemente la voz, permitiendo controlar los aparatos que estén

provistos de receptor por infrarrojos como el televisor, video, DVD,

satélite, TDT, equipo de música, teléfono con receptor IR como el

Rehaphone, cama motorizada, sistema de aviso de enfermería, luces,

persianas, ventanas, puertas, climatización, otros electrodomésticos,

ventiladores, pasa páginas.

Características técnicas

o Reconoce la voz en los idiomas Inglés, Alemán, Francés,

Holandés, Italiano, Portugués y Castellano

o Lleva un copiador de códigos infrarrojos, por lo que es un

mando universal y además incorpora preconfigurados otros

códigos de infrarrojos de los dispositivos adicionales que

pueden controlarse y existen en el mercado, y almacena

hasta 90 órdenes para controlar 23 aparatos distintos

43


o Según modelos, se pueden incorporar otros dispositivos

mediante programación e incluso puede incorporar emisor

de radiofrecuencia, para ampliar el espacio de acción eficaz

(modelo Standard)

o El usuario debe realizar una fase de entrenamiento corta,

repitiendo las instrucciones que utilizará. El mando identifica

las órdenes recibidas en pantalla y mediante un mensaje

sonoro de confirmación

o Se le puede conectar un micrófono externo

o Es compatible con instalaciones de Bus EIB o red Lonworks

6.2.3 Domotic

Es una empresa argentina [34,1] con básicamente un sistema

domótico integral.

Es un sistema de control integral de la instalación eléctrica, que desde

una Central Computarizada Programable permite controlar todas las

funciones asociadas a la red eléctrica de una vivienda o edificio. Este

control puede llevarse a cabo desde cualquier pulsador de la instalación,

o desde cualquier lugar del mundo a través del teléfono o vía Internet.

A través de una única red de datos, el sistema DOMOTIC recoge

información en tiempo real de todos los sistemas eléctricos de una

vivienda: iluminación, climatización, vigilancia, alarmas, riego.

44


Estos datos son recibidos y analizados por una central inteligente,

quien de acuerdo a un programa determinado individualmente por el

usuario, los regula y administra de manera racional.

7. Glosario de términos

Actuadores: Son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de

líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de

un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un

elemento final de control como lo son los motores.

Clasificación fonética: Dada una parte del habla correspondiente a un

sólo fonema, la determinación de la identidad del fonema.

Directividad: Determina en qué dirección capta mejor (de forma más

eficiente) el sonido un micrófono, es decir, indica la sensibilidad del

micrófono a las diferentes direcciones.

Discapacidad: Es toda restricción o ausencia (debida a una deficiencia)

de la capacidad de realizar una actividad en la forma o dentro del

margen que se considera normal para un ser humano.

Domótica: El término domótica define el concepto de tecnología aplicada

al hogar. Formado por la raíz latina "domus" (casa), y el sufijo "tica"

(robótica), se define como un conjunto de servicios proporcionados

por sistemas tecnológicos integrados, encaminados a satisfacer las

necesidades básicas de seguridad, comunicación, gestión energética y

confort, del hombre y de su entorno más cercano.

45


Fonema: Unidad lingüística abstracta que forma las bases del habla de

un lenguaje. Cambiando un fonema cambia la palabra.

Inmótica: Incorporación al equipamiento de edificios de uso terciario o

industrial (oficinas, edificios corporativos, hoteleros, empresariales y

similares), de sistemas de gestión técnica automatizada de las

instalaciones, con el objetivo de reducir el consumo de energía,

aumentar el confort y la seguridad de los mismos.

Margen dinámico: El margen que hay entre el nivel de referencia y el

ruido de fondo de un determinado sistema, medido en decibelios.

Muestreo: es el proceso de tomar medidas instantáneas de una señal

análoga cambiante en el tiempo, tal como la amplitud de una forma

de onda compleja.

Reconocimiento de voz: Sistema capaz de interpretar los sonidos y

vibraciones de la voz, se usa como sistema de seguridad. Sistema

capaz de "entender" la voz humana y ejecutar las acciones que éste le

pide (incluso un dictado).

Reconocimiento fonético: Un experimento donde los comportamientos y

la secuencia fonética debe ser determinada. La salida es una

transcripción fonética hipotética de la frase de entrada.

Respuesta en frecuencia: El rango de frecuencias que un dispositivo es

capaz de recoger.

Ruido de fondo: Es la tensión o señal que nos entrega el micrófono sin

que exista ningún sonido incidiendo sobre él.

46


Sensibilidad: Es la eficiencia del micrófono, es decir, la relación entre la

tensión eléctrica de salida (expresada en voltios) y la presión sonora

incidente (expresada en Pascales para una frecuencia de 1000

Hercios).

Teledomótica: Automatización del hogar controlado a distancia.

8. Justificación

Mediante este proyecto se busca desarrollar e implementar de una

manera más asequible, actuadores (especificados en los objetivos)

controlados por medio de la voz, un software de reconocimiento de voz

que sirva de interfaz entre el usuario y la estación concentradora de

acciones, para ayudar a las personas discapacitadas en sus actividades,

teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

8.1 Sociales

El proyecto ha sido enfocado a personas con cuatro o más limitaciones

físicas especialmente parálisis o personas en sillas de ruedas,

cuadrapléjicos con voz.

Según los datos estadísticos de la Organización Mundial de la Salud en

la actualidad el 12% de la población de cualquier país posee algún tipo

de discapacidad física o sensorial. El Censo General de Población

realizado en el año 2005 por el DANE, muestra en sus datos estadísticos

que la tasa de limitación física para el total de la población colombiana

(6.3%) es mayor en hombres (6,6%) que en mujeres (6,1%). [42,1]

47


Teniendo en cuenta que el número de habitantes en Colombia es de

42.888.592, la población beneficiada al implementar esta tecnología

domótica en su hogar es de 2.573.315 personas en todo el país y

directamente en Bogotá D.C. donde la población con limitaciones físicas

alcanza el 4,9%, se benefician 335.165 personas.

Es claro que este proyecto presenta una posibilidad para mejorar la

calidad de vida de estas personas y de sus familiares o individuos a

cargo, ya que al poseer de mayor autonomía, les permite realizar otras

actividades.

8.2 Tecnológicos

Este proyecto presenta una innovación en cada hogar en el que se

instale la red ya que dota al hogar de interactividad con las personas.

Permite que las personas con este tipo de discapacidad puedan

monitorear el estado de las vías de acceso a la vivienda sin tener que

moverse, solo mediante alarmas; controlar un televisor para ver sus

programas favoritos sin pedir ayuda; encender o apagar la luz de su

habitación autónomamente a la hora de dormir; abrir o cerrar la puerta

de su habitación cuando lo desee y poder aprovechar de una mejor

manera los adelantos tecnológicos desarrollados en el exterior y en

Colombia.

En una encuesta realizada por el DANE y publicada en un estudio

[41,35], tan solo el 17% de la población colombiana cuenta con una

automatización en las luces de sus hogares que es lo más simple de las

48


funciones domóticas y al 61% le gustaría tenerlo, respecto a la pregunta

¿Puede controlar varios electrodomésticos de la vivienda mediante un

único control remoto? El 0% de la población colombiana tiene esta

aplicación, mientras el 70% de la población le gustaría tenerlo [41,60],

así que este proyecto no solamente brinda comodidades y ayudas a

discapacitados sino también a una amplia población, la cual estaría

dispuesta a adquirir si fuera asequible; cabe anotar que no hay cifras

sobre personas discapacitadas.

8.3 Económicos

Instalar un módulo de control para una persona cuadrapléjica no está

al alcance de todos, debido a sus elevados costos los cuales son

cercanos a los 2000 euros [40,1], por ende al desarrollar un módulo

más económico, que cueste un 65% menos, se pretende que personas

con esta discapacidad disfruten de sus beneficios. Adicional a estos

costos evidentes existen costos que tienen que asumir los familiares

para el tratamiento y asistencia del usuario como lo es una enfermera y

un empleado domestico para las tareas de esparcimiento y menos

vitales, por medio de este proyecto se solucionan los aspectos no vitales

lo que reduce en gran parte el costo de manutención del usuario.

9. Objetivos

9.1 Objetivo General

Diseñar, implementar y probar un sistema de control en el hogar para

personas cuadrapléjicas.

49


9.2 Objetivos Específicos

Diseñar e implementar el control de actuadores para puertas,

luces y televisor en una habitación por medio de voz

Diseñar e implementar el servicio de monitoreo a la seguridad de

la habitación a través de sensores en ventanas por medio de voz

Diseñar e implementar el software que permite al módulo central

o estación concentradora de acciones, procesar las señales

provenientes de los sensores y micrófono

Integrar los módulos, software y actuadores para realizar pruebas

de funcionamiento del sistema

Documentar el proyecto incluyendo manuales del usuario

10. Requerimientos

En la figura 1 se indica el procedimiento desde la captura de señal

hasta la ejecución de la actividad señalada.

Figura 1 Diagrama de bloques

10.1 Requerimientos Generales

Este proyecto va dirigido a usuarios con cuadraplejía y capacidad

de habla

Reconoce todo tipo de voz (adulto, niño, hombre y mujer)

Los dispositivos sobre los que va a actuar son los siguientes:

50


o Televisor

o Puerta

o Bombillo

o Alarma para ventana

10.2 Descripción general de los módulos y elementos necesarios para

desarrollar el proyecto

Se debe utilizar un micrófono para reconocimiento de voz el cual

es unidireccional. Este se complementa con su interfaz de

comunicación inalámbrica al módulo central

Un sensor que informe el estado en que se encuentra una

ventana (abierto/cerrado) y puede ser activado o desactivado por el

usuario con comando de voz. Este emitirá una señal de alarma audible

en caso de abrir la ventana estando activado

Un módulo de procesamiento central donde se efectuaran las

tareas de digitalización, reconocimiento y comparación del comando

de voz con los comandos predefinidos por los diseñadores y se

seleccionará la acción a ejecutar, dictada por el usuario

Se usará una interfaz que proporcione la suficiente corriente para

accionar los actuadores que requieran mayor potencia, como los que

manipulan las puertas

Se utilizará un sensor para detener la puerta en caso de

emergencia

51


Se acoplaran actuadores para manipular la puerta de una

habitación en sus dos estados (abierto/cerrado) por medio de comando

de voz, incorporando un sensor que prevenga accidentes por

obstrucciones

Una interfaz de comunicación para el control por voz del televisor,

en sus funciones:

Encender

Apagar

Subir canal

Bajar canal

Subir volumen

Bajar volumen

Mute

Se controlara por medio de comandos de voz el estado

encendido/apagado de una roseta para bombillo de hasta 120 Watts

conectada a la red eléctrica convencional de 110V

10.3 Características Técnicas

10.3.1 Etapa captura

a. Micrófono inalámbrico

Directividad: Micrófono unidireccional

Ruido de fondo máximo: 20 dB

Nivel mínimo de presión sonora 25 dB

Nivel máximo de presión sonora 85 dB

52


Respuesta en frecuencia: 300Hz – 3400KHz

Peso máximo: 30 gr

Alcance inalámbrico mínimo: 5 m

Duración mínima de batería en espera: 24 horas

Duración mínima de batería en conversación: 4 horas

Comunicación: Inalámbrica

b. Sensor apertura ventana

Distancia mínima de activación entre las dos alas y el marco: 30

mm ± 10%

Comunicación: Alámbrica

Ubicado en ventana de dos alas, las cuales abren hacia afuera

Dimensiones de la ventana: 1200 mm x 1000 mm (alto x ancho)

10.3.2 Etapa de tratamiento de señal

En esta etapa el procesamiento digital de señal se aplicara por medio

de un transductor con los siguientes requerimientos.

a. Filtros

Filtros integrados en el transductor para evitar ruido eléctrico (60 Hz) y

captura de señales innecesarias.

b. Conversor a/d

Mínimo un canal ADC

Resolución optima: 15.2 µV

Muestreo optimo: 8kHz

Numero de bits óptimo:8

53


c. Digitalización

Frecuencia de muestreo:8 kHz

Motor de reconocimiento de voz de libre distribución con

modulación por código de pulso

10.3.3 Comparación y validación

a. Comparación

Software de reconocimiento de voz

Idioma: Inglés Norte Americano

Reconocimiento de mínimo 10 instrucciones

Interfaz de Programación de Aplicaciones de libre distribución

Motor de reconocimiento de voz de libre distribución

El sistema debe ser multiusuario

No debe necesitar entrenamiento de voz

La pronunciación debe ser con la fonética del idioma ingles

Comandos vinculados a la acción y fáciles de recordar

Ejecución en plataforma Windows 98 hasta XP

Interfaz grafica muestra comando dictado y acción en ejecución

Una vez abierta la aplicación no es necesario interactuar con

mouse ni teclado

Transmisión de comando a ejecutarse vía puerto de salida del

computador

b. Selector de actuadores

54


Una vez el software de reconocimiento cumple su función, éste envía

la orden a ejecutarse a un dispositivo capaz de seleccionar el actuador

involucrado en la acción a realizar, este es un dispositivo con las

siguientes características:

Voltaje de alimentación:5V

Consumo de corriente: <200 mA

Un puerto de recepción

Memoria de programa: 8Kb

Tres puertos I/O paralelo de un byte

Mínimo 30 instrucciones de programación

Temperatura de operación: -5°C a 40°C

Selecciona entre 4 dispositivos (bombillo, puerta, TV, alarma)

c. Computador

Por tratarse de un proyecto que involucra la ejecución de un software

para reconocimiento de voz por computador, es necesario contar con

una máquina de escritorio o portátil de las siguientes características

mínimas:

Sistema operativo Windows 98 hasta XP

Memoria RAM mínima 256 Mb

Procesador mínimo 600 MHz

Disco duro mínimo 4 Gb

Monitor VGA

Teclado ps2 estándar 101/102 teclas

55


Mouse ps2

Tarjeta de sonido estéreo

Puerto RS232

Bocina monofónica interna

10.3.4 Etapa de potencia

Voltaje lógico de alimentación: 5 y 12 V

Corriente máxima de salida:3 A ± 10%

Temperatura ambiente de operación: 0°C a 40°C ± 10%

Voltajes necesarios a la salida para el manejo de alarma y luz:

110Vac - 115Vac

Voltajes necesarios a la salida para el manejo de motores para

puerta: 12Vdc

10.3.5 Etapa actuadores

a. Actuador televisor

Distancia de transmisión máxima:3m ± 10%

Voltaje de alimentación: 3V

Temperatura de operación: 0°C a 45°C ± 10%

Directividad óptima vertical: 45°

Directividad óptima horizontal: 45°

Este actuador será utilizado para enviar los comandos del módulo

central al televisor.

b. Actuador para puerta

Voltaje de alimentación: 12V ± 10%

56


Velocidad angular de la puerta: 0.2 rad/seg ≈ 11.4˚/seg

Velocidad lineal de la puerta: 0.16 m/seg

Tiempo de apertura: 8 segundos

Dimensiones de la puerta: 800 mm x 2100 mm (ancho x alto).

Material: Madera

Peso de la puerta: 4 Kg

Sensor para desenergizar la puerta en caso de emergencia como:

o Obstrucción por presencia de una persona (adulto o niño)

o Obstrucción por presencia de objeto con altura mayor a

200 mm

10.4 Requerimiento industrial

Por ser un proyecto orientado a la asistencia de humanos, cada parte

del sistema debe tener altos grados de confiabilidad y calidad, por esto

todas las partes del proyecto son desarrolladas separadamente por

etapas para poder probar su correcto funcionamiento.

Se debe implementar un sistema de canaletas para el cableado de los

actuadores como se indica en los planos incluidos en el anexo 11.

Se seguirá el código de colores colombiano para el cableado eléctrico

según lo establece la norma NTC 2050.

10.4.1 Requerimientos de interfaz

a. Indicadores luminosos

Se ubicarán leds de tamaño mediano, con una visibilidad aproximada

de 3000 mm en condiciones luminosas diurna y nocturna. Estos leds

57


serán indicadores del estado en que se encuentra cada uno de los

dispositivos (Puerta, Bombillo, Alarma, TV).

Los estados que se indicaran mediante leds para cada dispositivo son:

TV

o El led se enciende mientras se ejecuta cualquier comando

relacionado con el mismo

o El led permanece apagado si no se está ejecutando ninguna

orden relacionada con el Televisor

Puerta

o El led amarillo se enciende cuando la puerta se encuentra en

el proceso de apertura o cierre

o El led amarillo permanece apagado si la puerta se encuentra

abierta o cerrada

o El led rojo se enciende cuando la puerta se encuentra

bloqueada

o El led rojo se apaga cuando la puerta regresa a su posición

inicial abierta

Bombillo

o Por tratarse de un actuador que genera una variación

lumínica contundente no es necesario ubicar un led indicador de

estado del bombillo

Alarma para ventana

58


o El led se enciende siempre que el monitoreo de la ventana

esté activado

o El led se encuentra apagado si la ventana no se está

monitoreando

Indicadores luminosos módulo central

o Led de testigo equipo encendido on/off (switch)

o Led verde activado/desactivado monitoreo de ventana

o Led amarillo de puerta en movimiento

o Led verde de bombillo encendido/apagado

o Led verde comando enviándose al TV

o Led verde indicador de estado habilitado/deshabilitado para

reconocer comandos de voz

b. Indicadores Sonoros

Alarma

Intensidad bocina: Moderada 20- 68dB

software

Activación de un sonido corto indicando que el comando no fue

reconocido

Activación de un sonido corto indicando que el reconocimiento de

voz fue deshabilitado

Activación de un sonido corto indicando que el reconocimiento de

voz fue habilitado

c. Posición de actuadores con respecto al plano

59


En el plano de planta detallado (ver anexo 11, plano 1) se estipula la

ubicación de los actuadores para televisor, puerta y sensor de seguridad

para la ventana.

El actuador para televisor se ubicara dentro del módulo central el cual

está situado al costado izquierdo de la cama y a una distancia de 2000

mm con el tv.

El actuador para puerta se instalara en la parte exterior de la

habitación.

El sensor de seguridad de la ventana estará situado en el marco

divisor de las dos alas de la misma, a una distancia de 50 mm del borde

inferior del marco.

El actuador para manipular el bombillo estará dentro del módulo

central.

11. Diseño global

11.1 Alternativa No. 1

Como se muestra en la figura 2, la primera alternativa está compuesta

principalmente por un controlador, un computador (PC), el sensor de

seguridad, micrófono y actuadores que llevan a cabo las órdenes.

60


11.1.1. Diagrama de bloques

Figura 2 Diagrama en bloques alternativa 1

11.1.2. Bloque Micrófono

Se utilizará un micrófono unidireccional bluetooth ubicado en la oreja

del usuario.

a. Funciones

Recopila la señal de voz

Convierte las ondas sonoras en impulsos eléctricos

Transmite la señal mediante bluetooth al bloque del PC

b. Entrada: x1, in_voz

Frecuencia mínima 300Hz

Frecuencia máxima 3400Hz



c. Salida: x2, out_voz

Tipo: RF

Protocolo: Bluetooth

Version mínima : 1.2 (Voice Quality - Enhanced Voice Processing)

Frecuencia mínima 2,4 GHz

61


Frecuencia máxima 2,48 GHz

Potencia mínima 1 mW

Potencia máxima 2 mW

Radio de clase 2, alcance promedio 10 metros.

Velocidad mínima de transmisión 1 Mbps.

Velocidad máxima de transmisión 3 Mbps.

Señal digital

11.1.3 Bloque PC

La señal transmitida en el bloque anterior se captura en el PC

mediante un dispositivo USB bluetooth instalado en el computador.

a. Funciones

Captura la señal enviada por el micrófono

Filtra la señal, obteniendo una señal limpia de ruidos

Convierte la señal de alta frecuencia en datos binarios y los

almacena.

Compara el dato almacenado con la lista de comandos y

determina el código a ser transmitido al controlador (es un código para

cada acción de cada dispositivo controlado) o activa la función de

seguridad si el usuario lo indicó

b. Diagrama de flujo

62


Figura 3 Diagrama Flujo PC

c. Entrada X2, out_voz

Tipo: RF

Protocolo: Bluetooth

Versión minima: 1.2 (Voice Quality - Enhanced Voice Processing)

Frecuencia mínima 2,4 GHz.

Frecuencia máxima 2,48 GHz.

Potencia mínima 1 mW.

Potencia máxima 2 mW.

Radio de clase 2, alcance promedio 10 metros.

Velocidad mínima de transmisión 1 Mbps.

Velocidad máxima de transmisión 3 Mbps.

Señal digital

d. Salida: x3, out_pc

63


Estándar RS 232

Velocidad de transmisión 9600 baudios.

Bits de datos: 8

Paridad: ninguna.

Bits de parada: 1

Control de flujo: ninguno.

11.1.4 Bloque controlador

Este se encarga de recibir la señal del sensor y del computador.

a. Funciones

Captura los códigos enviados por el computador

Determina el actuador correspondiente según el código recibido

Envía la señal de accionamiento a la etapa de potencia

Monitorea el estado del sensor ubicado en la ventana

Envía una señal a la etapa de potencia de la alarma en caso de

que el sensor se active y esté activada la opción de seguridad en el

computador

b. Diagrama de flujo

64


Figura 4 Diagrama de flujo controlador

c. Entradas

X3, out_pc, señal de datos

Estándar RS232

Velocidad de recepción 9600 baudios.

Bits de datos: 8

Paridad: ninguna

Bits de parada: 1

Control de flujo: ninguno

X12, out_sens, Indicador de apertura/cierre sensor de ventana

Voltaje mínimo apertura 4,75 Vdc

65


Voltaje máximo apertura 5,25 Vdc

Voltaje mínimo cierre 0 Vdc

Voltaje máximo cierre Vdc

Corriente mínima de salida 2 mA

d. Salidas

X4, out_tv, controla el televisor, encendido/apagado, volumen, canal

Voltaje mínimo de activación de comando 4,75 Vdc

Voltaje máximo de activación de comando 5 Vdc

Voltaje mínimo desactivado 0 Vdc

Voltaje máximo desactivado 0,7 Vdc

Corriente de salida máxima 20 mA

Número de bits: 5

X5, out_pt, controla apertura/cierre de puerta

Voltaje mínimo para ejecutar acción 4,75 Vdc

Voltaje máximo para ejecutar acción 5,25 Vdc



Corriente de salida máxima para ejecutar acción 20 mA

Número de bits: 2

X6, out_lu, controla encendido/apagado de luz

Voltaje mínimo encendido 4,75 Vdc

Voltaje máximo encendido 5,25 Vdc

Voltaje mínimo apagado 0 Vdc

66


Voltaje máximo apagado 0,5 Vdc


X13, alrm, controla encendido/apagado alarma






11.1.5 Bloque Potencia

a. Función

Elevar los niveles de corrientes y voltajes adecuándolos para el

funcionamiento de los actuadores de la puerta, el accionamiento del

bombillo y de la alarma.

b. Entradas

X5, out_pt, controla apertura/cierre de puerta





Corriente de activación 20 mA

Número de bits: 2



67





Corriente de activación 50mA – 100mA







c. Salidas

X7, amp_pt apertura/cierre de puerta

Voltaje mínimo apertura/cierre 11,5 Vdc

Voltaje máximo apertura/cierre 15,5 Vdc

Voltaje mínimo sin ejecutar acción 0 Vdc

Voltaje máximo sin ejecutar acción 2,5 Vdc

Corriente de salida mínima apertura/cierre 40 mA

Corriente de salida máxima apertura/cierre 300 mA

Número de bits 2

X8, amp_lu enciende/apaga luz

Voltaje mínimo encendido 110 Vac

Voltaje máximo encendido 120 Vac

Voltaje mínimo apagado 0 Vac

68


Voltaje máximo apagado 5 Vac

Corriente de salida mínima 480 mA


X14, out_alrm encendido/apagado.





Potencia de salida 14 – 100 W

11.1.6 Bloque Actuadores

a. Funciones

Transformar la señal eléctrica del controlador (x4) en señal

infrarroja para ejecutar el comando en el televisor (encendido,

apagado, subir volumen, bajar volumen, subir canal, bajar canal,

mute).

Convertir la señal eléctrica x7 en movimiento por medio lo los

motores para accionar la puerta (abrir y cerrar).

b. Entradas

X4, out_tv, controla el televisor, encendido/apagado, volumen, canal,

mute.




69




Número de bits: 5

X7, amp_pt, apertura/cierre de puerta.





Corriente de entrada mínima 40 mA

Corriente de entrada máxima 300 mA

Número de bits 2

c. Salidas

X9, mot, motor

Rpm sin carga (máx.): 120

RPM en pico de eficiencia: 95

Torque en pico de eficiencia 69 mNm.

Torque máximo, punto de parada: 336 mNm.

Potencia en pico de eficiencia 693 mW.

Potencia máxima 1232 mW.

X10, TLE, control televisor

Rango de alcance mínimo 3m ± 10%

Frecuencia de trabajo 30 – 40 KHz

Radicación mínima: 7 mW/m2

70


Radicación máxima: 20 mW/m2

Directividad mínima: 20º

Directividad máxima: 60º

11.1.7 Bloque sensor

a. Funciones

Monitorear el estado de la ventana (abierta, cerrada)

Enviar una señal al controlador cuando la ventana sea abierta

b. Entrada

x11, est_ven, apertura/cierre sensor.

Distancia máxima permitida para activación 30mm ± 10%

c. Salida

x12, out_sens, Indicador de apertura/cierre sensor de ventana.

Voltaje de salida mínimo apertura 4,75 Vdc

Voltaje de salida máximo apertura 5,25 Vdc

Voltaje de salida mínimo cierre 0 Vdc

Voltaje de salida máximo cierre Vdc


11.1.8 Bloque Alarma

a. Funciones

Recibir la señal de activación del controlador

Emitir un sonido de alarma que alerte a las personas de una

posible violación a la seguridad

b. Entradas

71


X14, out_alrm, encendido/apagado





Potencia de entrada 14 - 100 W

c. Salidas

x15, snd

Intensidad sonora mínima: 90 dB

Intensidad sonora máxima: 125 dB

11.2 Alternativa No. 2

Esta alternativa está compuesta principalmente por un controlador,

una unidad de almacenamiento externa, un sensor de seguridad,

micrófonos y actuadores que llevan a cabo las órdenes como se muestra

en la figura 5.

72


11.2.1. Diagrama de bloques

Figura 5 Diagrama en bloques alternativa 2

11.2.2 Bloque Micrófonos

Se utilizaran tres micrófonos omnidireccionales distribuidos en la parte

superior de la habitación en forma triangular

a. Funciones

Recopila la señal de voz del usuario

Convierte las ondas sonoras en impulsos eléctricos

Transmite la señal mediante cables al comparador

b. Entradas

X1, mic_1

Tipo alámbrico

Señal análoga




73



X2, mic_2

Tipo alámbrico

Señal análoga




Nivel máximo de presión sonora 85 dB\

X3, mic_3

Tipo, alámbrico

Señal análoga





c. Salidas

x4, out_m1

Voltaje mínimo 0,1 Vdc

Voltaje máximo 5 Vdc

x5, out_m2



x6, out_m3

74




11.2.3 Bloque Comparador

a. Funciones

Comparar las tres señales de los micrófonos

Seleccionar la señal más apta para el reconocimiento, es decir la

que mayor amplitud de voltaje transporte

b. Entradas

X4, out_m1



X5, out_m2



X6, out_m3



c. Salidas

X7, out_cmp, salida comparador



Corriente mínima 2mA

75


11.2.4 Bloque Controlador

a. Funciones

Recibir y digitalizar la señal del comparador

Consultar la tabla de la unidad de almacenamiento y comparar

con el comando recibido

Enviar la señal correspondiente a la etapa de potencia del

actuador solicitado por el usuario

Monitorea el estado del sensor ubicado en la ventana

Envía una señal a la etapa de potencia de la alarma en caso de

que el sensor se active y esté activada la opción de seguridad en el

computador

b. Entradas

X7, out_cmp



Corriente mínima 2mA

X9, out_sens, Indicador de apertura/cierre sensor de ventana

Voltaje mínimo apertura 4,75 Vdc.

Voltaje máximo apertura 5,25 Vdc

Voltaje mínimo cierre 0 Vdc

Voltaje máximo cierre Vdc


X10, out_prom

76


Voltaje de salida mínimo estado alto 4,75 Vdc

Voltaje de salida máximo estado alto 5,25 Vdc

Voltaje de salida mínimo estado bajo 0 Vdc

Voltaje de salida máximo estado bajo Vdc


Numero de bits 8.

c. Salidas

X11, in_prom.

Voltaje de salida mínimo estado alto 4,75 Vdc.

Voltaje de salida máximo estado alto 5,25 Vdc.

Voltaje de salida mínimo estado bajo 0 Vdc.

Voltaje de salida máximo estado bajo Vdc.

Corriente de salida máxima 20 mA.

Número de bits: 8

X12, out_tv, controla el televisor, encendido/apagado, volumen,

canal.

Voltaje mínimo de activación de comando 4,75 Vdc.

Voltaje máximo de activación de comando 5 Vdc.




Número de bits: 5

X13, out_pt, controla apertura/cierre de puerta.

77






Corriente de salida máxima para ejecutar acción 20 mA

Número de bits: 2

X14, out_lu, controla encendido/apagado de luz.












11.2.5 Bloque Potencia

a. Función

Elevar los niveles de corrientes y voltajes adecuándolos para el

funcionamiento de los actuadores de la puerta, el accionamiento del

bombillo y de la alarma

78


b. Entradas

X13, out_pt, controla apertura/cierre de puerta.






Número de bits: 2






Corriente de activación 50mA – 100mA







c. Salidas



79





Corriente de salida mínima apertura/cierre 40 mA

Corriente de salida máxima apertura/cierre 300 mA

Número de bits 2

X17, amp_lu, enciende/apaga luz.





Corriente de salida mínima 480 mA


X18, out_alrm, encendido/apagado





Potencia de salida 14 – 100 W

11.2.6 Bloque Actuadores

a. Funciones

80


Transformar la señal eléctrica del controlador (x12) en señal

infrarroja para ejecutar el comando en el televisor (encendido,

apagado, subir volumen, bajar volumen, subir canal, bajar canal).

Convertir la señal eléctrica x16 en movimiento por medio lo los

motores para accionar la puerta (abrir y cerrar).

b. Entradas

X12, out_tv, controla el televisor, encendido/apagado, volumen,

canal.






Número de bits: 5






Corriente de entrada mínima 40 mA

Corriente de entrada máxima 300 mA

Número de bits 2

c. Salidas

81


X19, mot, Brazo electromecanico

Rpm sin carga (máx.): 120

RPM en pico de eficiencia: 95

Torque en pico de eficiencia 69 mNm

Torque máximo, punto de parada: 336 mNm

Potencia en pico de eficiencia 693 mW

Potencia máxima 1232 mW

X20, TLE, control televisor.

Rango de alcance mínimo 3 m.

Frecuencia de trabajo 30 – 40 KHz.

Radicación mínima: 7 mW/m2.

Radicación máxima: 20 mW/m2.

Directividad mínima: 20º

Directividad máxima: 60º

11.2.7 Bloque Sensor

a. Funciones

Monitorear el estado de la ventana (abierta, cerrada)

Enviar una señal al controlador cuando la ventana sea abierta

b. Entradas

x8, est_ven, apertura/cierre sensor

Distancia máxima permitida para activación 25mm

c. Salidas

x9, out_sens, Indicador de apertura/cierre sensor de ventana.

82


Voltaje de salida mínimo apertura 4,75 Vdc

Voltaje de salida máximo apertura 5,25 Vdc

Voltaje de salida mínimo cierre 0 Vdc

Voltaje de salida máximo cierre Vdc


11.2.8 Bloque Almacenamiento

a. Funciones

Recibir la señal del controlador

Direccionar el código y devolver la instrucción correspondiente al

controlador

b. Entradas

X11, in_prom






Número de bits: 8

c. Salidas

X10, out_prom




83




Numero de bits 8

11.3. Comparación

Tabla 2. Comparación de alternativasALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2

COMPLEJIDAD ReconocimientoDe voz

Se realiza por medio de un computador, un motor de reconocimiento de voz, una API y una interfaz de usuario. Esta alternativa es multiusuario y no necesita de entrenamiento.

Se realiza por medio de un microcontrolador y un algoritmo de reconocimiento elaborado en leguaje ensamblador. Contiene comandos predefinidos, almacenados en una memoria EEPROM. Esta alternativa no es multiusuario y necesita de entrenamiento.

TIEMPO Motor de Reconocimiento

Por tratarse de un motor de reconocimiento más robusto, y con un API disponible para desarrollar aplicaciones, en lenguaje de alto nivel, su tiempo de implementación es menor.

Por tratarse de la programación de un algoritmo de reconocimiento de voz en lenguaje de bajo nivel, se requiere de un extenso periodo de tiempo

Implementación Hardware

Se deben diseñar PCB´s según requerimientos industriales, instalar un computador, y ubicar los actuadores en TV, Bombillo, Alarma y Puerta.

Se deben diseñar PCB´s según requerimientos industriales, incluyendo microcontrolador como motor de reconocimiento de voz y ubicar los actuadores en TV, Bombillo, Alarma y Puerta.

COSTOS(valores a Agosto de

2008)

Módulo central (Reconocimiento

de voz)

$700.000 $200.000

Actuador para $728.000 $728.000

84


puerta

Sensor de ventana

$20.000 $20.000

Actuador TV $20.000 $20.000

Papelería $300.000 $300.000

Otros $400.000 $400.000

Total $2.268.000 $1.768.000

En la tabla 2 se presenta la comparación de las dos alternativas. La

primera alternativa presenta mayores costos ya que implica el uso de un

computador, sin embargo simplifica el número de micrófonos de 3 a 1, y

la resolución al digitalizar y comparar es mucho más alta. El muestreo es

a mayor frecuencia garantizando una menor perdida. Además de esto,

se elimina también el uso del comparador analógico de tres señales. El

computador presenta versatilidad al realizar el programa de

reconocimiento y permite una programación de más alto nivel teniendo

así mayor flexibilidad en cuanto a la cantidad y selección del comando,

por el contrario la alternativa 2, aunque es económica, requiere una

mayor cantidad de dispositivos y crea problemas de sincronización.

Además el análisis de la señal para efectuar un reconocimiento de voz

en un controlador tardaría más en desarrollarse.

11.4 Selección de alternativa

En el presente proyecto se ha optado por la opción número uno ya que

es más eficiente utilizar un lenguaje de alto nivel y además es versátil

por tener un nivel de complejidad menor, puesto que los algoritmos de

reconocimiento de voz consumirían una gran cantidad de líneas de

programación al realizarlos en un lenguaje de bajo nivel.

85


Por otra parte resulta mejor utilizar un micrófono inalámbrico ya que el

reconocimiento de voz necesita de instrucciones claras las cuales se ven

distorsionadas al utilizar 3 micrófonos y dependiendo de la habitación el

eco puede producir interferencia.

12. Diseño detallado

12.1 Bloque Micrófono

El tipo de micrófono elegido para este proyecto es un manos libres RF

con tecnología bluetooth, estos son ideales ya que están diseñados para

la transmisión de voz e incluyen filtros pasa banda para los rangos de

frecuencia, entre 300Hz y 3400Hz.

Como requerimiento se incluyó que la versión del bluetooth debería

ser 1.2 o superior ya que dicha versión ofrece una mayor calidad de voz

(Voice Quality - Enhanced Voice Processing) con menor ruido ambiental,

y provee una rápida configuración de la comunicación, los micrófonos RF

típicos se descartaron ya que necesitan baterías convencionales y el

transmisor aumenta enormemente el peso, siendo molesto para el

usuario. Teniendo en cuenta lo anterior se han escogido tres

dispositivos, que se muestran en la tabla 3.

12.1.1 Selección de micrófono

Tabla 3 Selección micrófonoRequerimientos Samsung WEP200 Nokia BH-802 Motorola HS850

Frecuencia de transmisión

2,4Ghz-2,48GHz 2,4Ghz-2,48GHz 2,4Ghz-2,48GHz

Radio clase 2 2 2Respuesta en

frecuencia200Hz-3800Hz 150Hz- 4000Hz 300Hz-3700Hz

Peso 9 gr. 11gr. 20gr.Alcance 10m. 10m. 10m.

86


Autonomía 70h espera, 4h. conversación

160h espera, 6h conversación

120h espera, 8h conversación

Valor 60000 65000 50000

El micrófono elegido de la tabla 3 es el Motorola HS850 ya que

presenta el mayor tiempo de autonomía en conversación a la vez de

cumplir con todos los requerimientos.

12.1.2 Diagrama de flujo

Figura 6 Diagrama de flujo, bloque microfono

12.2 Bloque PC

Para que el computador pueda recibir los datos provenientes del

micrófono es necesario contar con una interfaz bluetooth, para esto se

utiliza un adaptador bluetooth-USB, en la tabla 4 se muestran tres

diferentes opciones.

87


88


12.2.1 Selección de adaptador bluetooth

Tabla 4. Selección Adaptador-BluetoothRequerimientos BLUETAKE TRENDnet ES-388

Versión USB 1.1 2.0 2.0Peso 10gr. 5gr. 8gr.Alcance 10m. 10m. 10m.Soporte de S.O. Windows XP/2000,

Mac OS X 10.2.6 o anteriores

Windows 98SE/ME/2000/XP

Windows 98/ME/2000/XP

Valor $22.000 $25.000 $20.000

El adaptador elegido es el ES-388 ya que es asequible y presenta

compatibilidad con la versión 2.0 USB logrando mayor velocidad en la

recepción de las órdenes.

12.2.2 Diagrama de flujo

Figura 7. Diagrama Flujo Bloque PC

89


12.2.3 Diagrama de flujo software de reconocimiento de voz

Figura 8 Diagrama de flujo software reconocimiento de voz

En la figura 8, se describe la lógica que se va a utilizar en el desarrollo

de la interfaz de reconocimiento de voz. La cual permitirá hacer uso del

sistema sin necesidad de estar interactuando manualmente.

12.2.4 Comunicación UART del PC

El puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre ordenadores y

periféricos en donde la información es transmitida bit a bit enviando un

solo bit a la vez, en contraste con el puerto paralelo que envía varios

bits a la vez. Entre el puerto serie y el puerto paralelo, existe la misma

90


diferencia que entre una carretera tradicional de un sólo carril por

sentido y una autovía con varios carriles por sentido.

En los PCs hay conectores DB9 macho, de 9 pines, por el que se

conectan los dispositivos al puerto serie. Los conectores hembra que se

enchufan tienen una colocación de pines diferente, de manera que se

conectan el pin 1 del macho con el pin 1 del hembra, el pin2 con el 2.

Esto se ilustra en la figura 9.

Figura 9. Diagrama DB9

Fuente: http://www.iearobotics.com/proyectos/cuadernos/ct1/ct1.html

La información asociada a cada uno de los pines se presenta en la

tabla 5. Para lo que concierne a este proyecto, se hará uso de los pines 3

y 5 que son los encargados de realizar la transmisión serial hacia el

modulo de control.

Tabla 5 Descripción de pines DB9Número de pin Señal

1 DCD (Data Carrier Detect)2 RX3 TX4 DTR (Data Terminal Ready)5 GND6 DSR (Data Sheet Ready)7 RTS (Request To Send)8 CTS (Clear To Send)9 RI (Ring Indicator)

91


12.3 Bloque microcontrolador

12.3.1 Selección del microcontrolador

Se busca un dispositivo microcontrolador de las siguientes

características:


Consumo de corriente: <0.6 mA

Un puerto de recepción

Memoria de programa: 8Kb


Mínimo 30 instrucciones

Temperatura de operación: -5°C a 40°C

Selecciona entre 4 dispositivos (bombillo, puerta, TV, alarma)

Requerimientos Intel 8052 Microchip 16f873A Motorola MC68HC908GP32


6 V 5 V 5 V

Consumo de corriente: <0.6 mA

0.7 mA 0.6 mA 0.7 mA

puerto serial RX/TX Si Si SiMemoria de programa:

8Kb64 Kb 8 kb 32 kb


0,1,2,3 A,B,C A,B

Módulo PWM No Si NoInstrucciones 20 instrucciones 30 instrucciones 95 Instrucciones

Temperatura de operación: -5°C a

40°C

-5°C a 40°C -5°C a 40°C -40°C a 85 °C

Tabla 6. Selección microcontrolador

De la tabla 6, se escogió el microcontrolador 16F873A del fabricante

Microchip por cumplir con todos los requerimientos estipulados, y

92


porque se tiene experiencia en el lenguaje de programación y desarrollo

de soluciones mediante esta familia de microcontroladores.

12.3.2 Esquematico microcontrolador

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/C2OUT7

OSC1/CLKIN9

OSC2/CLKOUT10

RC1/T1OSI/CCP212

RC2/CCP113

RC3/SCK/SCL14

RB7/PGD28

RB6/PGC27

RB526

RB425

RB3/PGM24

RB223

RB122

RB0/INT21

RC7/RX/DT18

RC6/TX/CK17

RC5/SDO16

RC4/SDI/SDA15

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI11

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F873APACKAGE=DIL28NAR0x3F39

X1CRYSTAL4MHz

sensor puerta

sensor puerta opensensor puerta close

sensor ventana

J18

s ventana

Figura 10 Esquemático microcontrolador

Se muestra en la figura 10, el esquemático del microcontrolador

16F873A del fabricante Microchip que se va a utilizar. Se diseña su

funcionamiento con un cristal resonante externo de 4MHz, porque brinda

los ciclos de reloj por segundo necesarios para la ejecución del programa

y controlar los periféricos que se conectan a él.

Ciclo dereloj= 1Fcristal

4

(12.1)

93


Ciclo dereloj=1 μS

Un ciclo de reloj es el tiempo que tarda el microcontrolador en ejecutar

una instrucción.

12.3.3 Cálculos

Cálculos para configuración de recepción serial asíncrona:

Baud Rate=FOSC

(16 ( X+1 ) ) (12.2)

9600Baudios=4 Mhz

(16 ( X+1 ) ) (12.3)

( 4 Mhz9600 X 16 )−1=X (12.4)

X=25,0416

X: Constante que determina la velocidad de transmisión en el

microcontrolador 16F873A.

La corriente de salida brindada por el fabricante para cada uno de

los pines del microcontrolador es de 25mA, siendo así de 200mA por

cada puerto de 1 Byte.

94


12.3.4 Diagrama de flujo del bloque

Figura 11 Diagrama flujo bloque microcontrolador

95


12.3.5 Diagrama de flujo del programa microcontrolador

Figura 12 Diagrama Bloque Programa

96


12.3.6 Caracterisitcas electricas

Las características eléctricas del microcontrolador utilizado se

presentan en la tabla 7.

Tabla 7. Características eléctricas microcontrolador PIC 16F873ACaracterística ValorTemperatura interna -55 a +125°CTemperatura de almacenamiento -65°C a +150°CVoltaje en VDD con respecto a VSS -0.3 a +7.5 VVoltaje en MCLR con respecto a VSS 0 a +14 VPotencia total disipada 1WMáxima corriente de entrada por VDD 250 mAMáxima corriente de salida por VSS 300 mAMáxima corriente de salida por Pin I/O 25 mA

12.3.7 Análisis

El bloque del microcontrolador es el segundo en orden de importancia

después del bloque del PC, ya que es la interfaz encargada de

comunicar el programa de reconocimiento de voz con los dispositivos a

controlar. Para esto fue necesario desarrollar un programa en lenguaje

ensamblador para microcontroladores MPASM que ejecutara funciones

de recepción serial y una lógica de selección de actuadores dependiendo

del dato recibido.

Listado de acciones a realizar dependiendo del byte recibido.

Byte 1, enciende y apaga televisor

Byte 2, incrementa canal

Byte 3, decrementa canal

Byte 4, sube volumen

Byte 5, baja volumen

Byte 6, enciende luz

97


Byte 7, apaga luz

Byte 8, abre puerta

Byte 9, cierra puerta

Byte 10, activa monitoreo ventana

Byte 11, desactiva monitoreo de ventana y silencia bocina

Byte 12, activa y desactiva el mute del tv

Byte 13, enciende sirena para solicitar asistencia

Byte 14, reconocimiento de voz habilitado

Byte 15, reconocimiento de voz deshabilitado

12.3.8 Driver RS232 - TTL

Es necesario incluir en este bloque un adaptador de señales RS232 /

TTL como se muestra en la figura 13, para la comunicación PC-

Microcontrolador. Se convierten voltajes de -12V y +12 V a 0 y +5

voltios respectivamente mediante un driver. [45,1]

Figura 13. Adaptación de niveles RS232/TTL,[48,1]

98


a. Selección del driver

Tabla 8 Selección driver RS232Requerimientos Max222 Max232 Max239

Voltaje de alimentación 5 5 7.5RS232/TTL 2/2 2/2 3/5

Data rate (kbps) 200 120 120Tres estados si No no

De la tabla 8 se escogió el MAX232 por cumplir con todos los

requerimientos y por contar con la mayor experiencia de manejo.

b. Esquemático

El esquema de funcionamiento del integrado MAX232 se puede ver en

la figura 14.

Figura 14. Diagrama esquemático MAX232,[49,1]

Los valores de los condensadores del circuito integrado MAX232 son

propuestos por el fabricante del dispositivo, MAXIM, como se indica en la

figura 15.

99

TTL

TTL

RS232

RS232


Figura 15 Diagrama esquemático Max 232

b. Diagrama de Conversión

En la figura 16 se observa el proceso de conversión necesario para

comunicar exitosamente un dispositivo con niveles lógicos TTL y un PC

con puerto serial RS232.

Figura 16. Diagrama de conversión

En la figura 17 se aprecia el diseño realizado en el software de diseño

electrónico Proteus ISIS, el cual cumple con los valores de las

capacitancias recomendadas por el fabricante Maxim.

100


ERROR

TXD3

RXD2

CTS8

RTS7

DSR6

DTR4

DCD1

RI9

P1

COMPIM

P_PORT=COM1P_BAUDRATE=9600P_DATABITS=8P_PARITY=NONEP_STOPBITS=1

T1IN11

R1OUT12

T2IN10

R2OUT9

T1OUT14

R1IN13

T2OUT7

R2IN8

C2+

4

C2-

5

C1+

1

C1-

3

VS+2

VS-6

U2

MAX232MODFILE=MAX232PACKAGE=DIL16

C1

1u

C2

1u

C31u

C41u

Figura 17 Diagrama esquemático conversión RS232-TTL

12.4 Bloque potencia

Mediante este bloque se acoplan las impedancias, corrientes y voltajes

del motor de la puerta, la sirena y el bombillo de luz, en esta etapa de

potencia se debe asegurar que las inductancias de los relés y motores

no influyan de forma negativa sobre el resto del circuito, por esto y por

ser necesario manejar el sentido de giro del motor se debe utilizar un

circuito de puente H, en la tabla 9 se muestran tres opciones.

101


12.4.1 Selección de puente H

a. Requerimientos brazo electromecánico

Voltaje de alimentación: 12V ± 10%

Corriente mínima requerida: 5A ± 10%

Dimensiones de la puerta: 800 mm x 2100 mm (ancho x alto).

Material de la puerta: Madera

Peso de la puerta: 4 Kg

Tabla 9 Selección puente HRequerimientos Bridge H LMD18200

Driver(National)

L298 DUAL FULL-BRIDGE DRIVER

(National)

Puente H en Discreto

PNP-NPN

Voltaje 10-55V 2,5-46V 10-50V

Corriente 3A 3A 10A

Entradas TTL TTL, CMOS TTL

El puente H seleccionado de la tabla 9 es el Puente H en discreto PNP-

NPN, porque los requerimientos de corriente del brazo electromecánico

así lo exigen y porque en el mercado de componentes electrónicos

colombiano no es posible encontrar un puente H de alto rendimiento

muy fácilmente.

b. Selección de componentes

Tabla 10 Selección transistor Darlington NPNRequerimientos TIP 120 TIP 121 TIP 122

hFE 1000 1000 1000

VCE 60V 80V 100V

IC 5A 5A 5A

102


IB 120mA 120mA 120mA

Tabla 11 Selección transistor Darlington PNPRequerimientos TIP 125 TIP 126 TIP 127

hFE 1000 1000 1000

VCE -60V -80V -100V

IC -5A -5A -5A

IB -120mA -120mA -120mA

Tabla 12 Selección transistor NPNRequerimientos 2N2222 2N3904 2N2219

hFE 75 100 75

VCE 10V 1V 10V

IC 150mA 10mA 150mA

IB 15mA 1mA 15mA

La selección del transistor NPN de alta velocidad en conmutación está

relacionado en la tabla 12, se hizo de acuerdo al requerimiento de

corriente en la base, el transistor 2N3904 tiene similares velocidades de

conmutación pero transporta la decima parte en corriente que el

2N2222, para señales emitidas por el microcontrolador se uso el

2N3904, y para señales que manejan el sistema Darlington se utilizo el

2N2222, ver figura 18.

103


Figura 18. Características transistor 2n2222

c. Cálculos

El puente H es principalmente una configuración de 4 interruptores,

posicionados de una manera específica para controlar la dirección de la

corriente a través del motor. Para los motores dc, la dirección de

rotación de la armadura es cambiada invirtiendo la dirección de la

corriente que fluye a través de él, ver figura 19.

104


Figura 19. Dos estados básicos de un puente h.

Al aplicar la ley de Kirchhoff de mallas, quedará la expresión 12.5.

V A – IBQ5 × RBQ5−V BE Q5 – V BE Q1 – I L × RL−V EB Q4 –V EB Q8 – I BQ 4 × RBQ 8=0

(12.5)

Se considera por las simetrías de la configuración, que las corrientes

de base de los BJTA son iguales (IB) lo mismo que las RB (R).

Se asume que el motor se comporta como una resistencia RL = VL/IL.

V A – I BR . – V BE Q5 – V BE Q 1 – I L × RL−V EB Q 4 – V EB Q 8 – I B× R=0 (12.6)

Como VEB = VBE = 0.7 V (Los BJT son de silicio)

V A – 2 I B × R – 2.8V – I L × RL=0 (12.7)

V A – 2.8V – I L × RL=2 I B × R (12.8)

R=V A−2.8 V−I L × RL

2 I B (12.9)

R=5V −2.8 V –15 V30mA

R=427 Ω≈ 470 Ω

Pero también se cumple por estar en zona activa todos los BJT:

I B=

I L

(HFEQ4+1 )(HFEQ1+1 )

(12.10)

De esta forma se tiene un valor para las resistencias de base, deberá

normalizarse y recalcular corrientes y tensiones para demostrar que

satisfacen lo pedido.

105


Se tiene de (12.7)

V A – 2 I B × R – 2,8V – I L × RL=0 (12.11)

I B=V A−2.8 V−I L× RL

2 R (12.12)

Y por lo tanto:

I L=I B × (HFEQ1+1 )× (HFEQ4+1 ) (12.13)

Figura 20 Malla superior puente H

De circular por la malla que se muestra en la figura 20

V A – I B× R – V BE Q 5 – V BE Q1+V CE Q1 – V dd=0 (12.14)

Despejando:

V CE Q1=V dd – V A+ I B × R+V BE Q5+V BE Q1 (12.15)

I B × R+V EB Q4+V EB Q8 – V EC Q8=0 (12.16)

Despejando:

V ECQ 8=I B × R+V EB Q4+V EB Q8 (12.17)

d. Esquemático

106


Figura 21. Esquemático puente H

En la figura 21 se observa el esquemático del puente H en discreto

para manipular el brazo electromecánico. Los pines IN A e IN B son los

encargados de definir el sentido de giro del motor DC que contiene el

brazo, mientras que los pines MOTOR A y MOTOR B son los que irán

conectados directamente al brazo electromecánico.

12.4.2 Selección de relé

Para encender el bombillo se utilizará un relé de 5 pines y que se

pueda controlar con lógica TTL, en la tabla 13 se muestran los posibles

relés a ser utilizados.

107


Tabla 13. Selección de relésRequerimientos RLG2E-184P-5V

(MicroKip)RLG5V-2-5V

(MicroKip)RLAQE12112

Relé Estado Solido(MicroKip)

Vin 5V 4-12.5V 4-12V CC

Corriente rate 89.3 mA 41.7 mA 50 mA

Carga 120 VAC0.5 A

120 VAC0.5 A

75 A 250 VAC1A

El relé escogido de la tabla 13 es el RLG2E-184P-5V por estar al

alcance comercialmente y por cumplir con las especificaciones dadas en

los requerimientos, controlando el estado (encendido/apagado) de la

roseta para bombillo de hasta 120 Watts, que se encuentra conectada a

la red eléctrica convencional de 110V.

a. Diagrama de flujo del bloque

Figura 22. Diagrama Flujo Bloque Potencia

b. Esquemático relé

Este esquemático contiene los elementos para cumplir con la función

del bloque, la cual trata de controlar el estado on/off de un bombillo

108


conectado en una roseta convencional con alimentación de 110 VAC y

con una potencia de hasta 120 Watt.

El bit de control proviene del bloque microcontrolador, más

exactamente del pin RB4 del mismo, mediante el cual se manipula el

paso o no de la corriente posicionando un transistor BJT NPN en sus

estados de corte y saturación, ocasionando el paso o no de la corriente

que circula por la bobina del relé y que atrae las placas internas para

crear continuidad en el voltaje de 110 VAC, para de este modo encender

el bombillo como se observa en la figura 23.

Se ha ubicado un diodo de germanio entre los pines de la bobina del

relé para evitar devoluciones de corriente en el momento de su apagado

pudiendo ocasionar daños a los componentes del circuito.

109


V1VSINEVA=110FREQ=60

L1

Q22N3904

RL15V

R171k

D131N4148

Figura 23 Esquemático control bombillo

Una bobina como la del relay, tiene la característica de oponerse a los

cambios de corriente, cuando se alimenta y luego se le retira el voltaje,

la bobina trata de oponerse al hecho que la corriente se va a

interrumpir, para intentar que la corriente siga fluyendo, lo que hace es

que genera un voltaje con polaridad contraria, como la bobina se

alimenta de un transistor, ese voltaje de polaridad contraria, lo puede

dañar. Por eso se coloca un diodo en paralelo a la bobina y polarizado

inversamente, de esta manera cuando se genera el voltaje, el diodo

elimina este efecto.

110


c. Cálculos

Corriente Rate (Activacion) Relay:

IRATE ≈ 16mA

Impedancia Relay ≈ 312Ω

I C Q2(SAT )=VccRc

I CQ2 (SAT )=5V

312Ω

I CQ2 (SAT )=16mA

I BQ2SAT=5 mA

V ¿−V BE−I BQ2× R17=0

R17=(5V −0.7)(5 mA )

= 4.35mA

R17=860Ω≈ 1 kΩ

12.5 Bloque actuadores

12.5.1 Selección de brazo electromecánico de puerta

Tabla 14 Selección de Motor

Requerimientos Brazo Electromecánico

Rugged Duty ActuatorDC Motor Acme

Screw

Actuador linear para puertas abatibles

hidráulicosE502

Brazo para Puerta BATIENTE

Voltios 12 VDC 230 VAC 230 VAC

Carga 1000 lbs 2000 lbs 1.500 lbs

Longitud 202 a 236 mm 300 a 350 mm 214 a 277 mm

111


Imagen

Precio $ 630.000 $ 1.200.000 $ 2.000.000

El brazo-Electromecánico que se escogió de la tabla 14, fue “Rugged

Duty Actuator DC Motor Acme Screw” por su bajo costo, su tamaño y

cumple los parámetros estipulados en el bloque de potencia del capítulo

requerimientos.

112


a. Esquemático

PUERTA

Q32N3904

R6330

D4LED-YELLOW

Q162N3904

R3330

D16LED-RED

R25

1k

R26

1k

Puente HIn A

In B

Out A

Out B

Vcc +5 Vdd +12

Gnd

MOTOR12VREVS=200

Figura 24. Esquemático control puerta

sensor puerta open sensor puerta close

12

R201k

12

R211k

Figura 25. Fines de carrera puerta

113


b. Análisis

El brazo seleccionado para controlar la puerta de una habitación es un

booster de 12 V marca Warner. Este brazo en principio es un motor D.C.

de 12 V, acompañado de un tornillo sin fin de aproximadamente 8

pulgadas de largo. Para manipular dicho motor, el cual consume entre 5

y 6 Amperios de corriente, se diseño un circuito de puente H el cual esta

especificado en el bloque de potencia, las entradas A y B que

determinan el sentido de giro del motor, provienen del microcontrolador

a quien le corresponde manipular el estado de la puerta. Adicionalmente

están contemplados dos indicadores luminosos para informar del estado

de la puerta abierto/cerrado. Los transistores que se observan en la

figura 24, se incluyen en el diseño para trasladar el consumo de

corriente de los pines de salida del microcontrolador hacia la fuente del

circuito y así alargar la vida útil del mismo, los transistores NPN de unión

bipolar actúan en modo corte-saturación .y son activados por una

corriente de 5mA generada por el microcontrolador.

En la figura 25 se aprecian los dos fines de carrera necesarios para

controlar la parada de la puerta una vez a completado su

desplazamiento de apertura o cierre. Son fines de carrera estándar

normalmente abiertos.

c. Cálculos

I BSATQ 16=5 mA

V ¿−V BEQ 16−I BQ 16 × R26=0

114


R26=(5V −0.7)(5 mA )

= 4.35mA

R26=860Ω≈ 1 kΩ

I BSATQ 3=5 m A

V ¿−V BEQ 3−I BQ 3× R25=0

R25=(5V −0.7)(5 mA )

= 4.35mA

R25=860 Ω≈ 1 kΩ

V LED=1.6 V

Lumens= 100mcd a 10mA

V cc – V D4 – I × R6=0

R6=(5 – 1.6)10 mA

=340 Ω≈ 330Ω

V cc – V D16 – I × R3=0

R3=(5 – 1.6)10 mA

=340 Ω≈330 Ω

12.5.2 Selección de control remoto infrarrojo

Tabla 15 Selección de controlRequerimientos Control Universal

(Marmitek)Control Universal

(Kameleon URC-9960)Control Universal

(logitceh)

Voltaje Nivel TTL 1-9Vdc NDCompatible con la mayoría de Marcas

10 mts sin obstaculos

Compatibilidad Dispositivos

Compatible con la mayoría de

Marcas

Compatible con la mayoría de Marcas

Distancia 10 mts sin obstaculos

15 mts sin obstaculos

El control remoto que se escogió de la tabla 15 fue el control Universal

(Kameleon URC-9960) por su compatibilidad en todas las marcas, la

115


amplia distancia sin obstáculos y porque posee la totalidad de las

funciones a controlar, requeridas por el proyecto.

116


a. Requerimiento

Una interfaz de comunicación para el control por voz del televisor, en

sus funciones:

Encender

Apagar

Subir canal

Bajar canal

Subir volumen

Bajar volumen

Mute

117


b. Matriz de contactos

Figura 26 Esquemático matriz de contactos

c. Análisis

El manejo de las funciones del televisor se realiza partiendo de un

control remoto universal programable para cualquier marca de TV. A

éste control se le adaptan unas extensiones que permiten simular la

acción de oprimir cualquiera de sus botones, realizando uniones entre

los puntos correspondientes a cada función, en la matriz de contactos

del control remoto que se observa en la figura 26.

118


d. Circuito

Q102N3904

TV ON/OFF

Q112N3904

TV VOL UP

Q122N3904

TV VOL DN

Q132N3904

TV CH UP

Q142N3904

TV CH DN

Q152N3904

MUTE

R19

1k

R20

1kR21

1k R22

1kR23

1k

R24

1k

J1PIN

J2PIN

J3PIN

J4PIN

J5PIN

J6

PIN

J7

PIN

J8

PIN

J9

PIN

J10

PIN

J11PIN

J12PIN

Figura 27 Esquemático módulo televisor

El circuito de la figura 27 se encarga de realizar las uniones en la

matriz del control universal. Estas uniones son comandadas por el

microcontrolador y los transistores NPN en configuración

saturación/corte, a medida que el usuario lo requiere. Para llevar a cabo

estas funciones se definen las siguientes instrucciones en lenguaje

ensamblador para el microcontrolador, las cuales controlan la base del

transistor de saturación/corte.

#define TV_ON BSF PORTB,5 ;ESCRIBE UN 1 EN RB5

#define TV_ON_R BCF PORTB,5 ;ESCRIBE UN 0 EN RB5

#define TV_VOL_UP BSF PORTB,6 ;ESCRIBE UN 1 EN RB6

#define TV_VOL_UP_R BCF PORTB,6 ;ESCRIBE UN 0 EN RB6

#define TV_VOL_DOWN BSF PORTB,7 ;ESCRIBE UN 1 EN RB7

#define TV_VOL_DOWN_RBCF PORTB,7 ;ESCRIBE UN 0 EN RB7

#define TV_CH_UP BSF PORTA,0 ;ESCRIBE UN 1 EN RA0

#define TV_CH_UP_R BCF PORTA,0 ;ESCRIBE UN 0 EN RA0

#define TV_CH_DOWN BSF PORTA,1 ;ESCRIBE UN 1 EN RA1

119


#define TV_CH_DOWN_R BCF PORTA,1 ;ESCRIBE UN 0 EN RA1

#define TV_MUTE BSF PORTC,2 ;ESCRIBE UN 1 EN RC2

#define TV_MUTE_R BCF PORTC,2 ;ESCRIBE UN 0 EN RC2

e. Cálculos

I BSAT Q10,11,12,13,14,15=5mA

V ¿−V BE Q 10,11,12,13,14,15−I BQ 10,11,12,13,14,15

× R26=0

R19,20,21,22,23,24=(5 V −0.7)(5mA )

= 4.35 mA

R19,20,21,22,23,24=860Ω≈ 1 kΩ


Figura 28 Diagrama Flujo Bloque Actuador

120


12.6 Bloque sensor ventana

12.6.1 Selección de sensor ventana

Tabla 16. Selección de SensorRequerimientos Sensor Magnético

(PTPA0100)(celduc)

SensorMagnético

(PTB13702)(celduc)

Sensor Magnético

(PTPA0230)(celduc)

Tipo de Contacto 1NO 1NC 1NOPotencia Max 12 VA 3 VA 12 VACorriente Max Conmutación

0.5 A 0.25 A 0.5 A

Distancia cierre 12mm 14mm 30mmvalor 20000 35000 46000

El sensor elegido de la tabla 16 es el (PTPA0100) (celduc), por tener la

menor distancia de activación y conseguirse en el mercado fácilmente.

a. Esquemático

121


SW1SW-SPST Im

an

R1

1k

Sensor magnetico

Figura 29 Esquemático sensor magnético

b. Análisis

El sensor magnético que se utiliza en la ventana es en principio un

pulsador normalmente abierto el cual debe permanecer enviando un

cero lógico al microcontrolador, siempre que la ventana se encuentre

cerrada y un uno lógico en caso contrario. El pin de entrada al que se

conecta este sensor en el microcontrolador es el RA5.

122



Figura 30. Diagrama flujo Sensor

12.7 Bloque Alarma

12.7.1 selección de la bocina

Tabla 17. Selección de AlarmaRequerimientos Buzzer horn 12S4 Honeywell wave 2 Klaxon FP2CIntensidad 40 dB 105 dB. 120dBPotencia 5W 15W 85WAlimentación 12Vdc 110V 110V

La alarma seleccionada de la tabla 17 es el buzzer horn 12S4 por ser

de bajo consumo de potencia, representando un gran ahorro energético.

a. Esquemático

123


BOCINA

LS1

SPEAKER

RA7/OSC1/CLKIN16

RB0/INT6

RB1/RX/DT7

RB2/TX/CK8

RB3/CCP19

RB410

RB511

RB6/T1OSO/T1CKI12

RB7/T1OSI13

RA0/AN017

RA1/AN118

RA2/AN2/VREF1

RA3/AN3/CMP12

RA4/T0CKI/CMP23

RA6/OSC2/CLKOUT15

RA5/MCLR4

U5

PIC16F628A

Figura 31. Esquemático bocina

b. Análisis

La bocina seleccionada es una bocina de 12 V que emite su sonido por

medio de un piezoeléctrico que es excitado cuando existe una diferencia

de potencial entre sus terminales. Para simplificar el diseño de un

oscilador que generase una frecuencia para esta bocina se opta por

utilizar un pequeño controlador con oscilador interno y un programa en

MPASM que le proporciona un par de frecuencias para emitir cuando

corresponda, ver código fuente del programa en el anexo 15. El

124


controlador envía estas frecuencias siempre y cuando exista la señal

ordenadora en el pin de entrada RB0 como se puede observar en la

figura 31. Esta señal proviene en principio del sensor magnético ubicado

en la ventana de la habitación.

c. Calculos

Sound Pressure Level Buzzer

60 dB−80 dB ≈

Maxima Corriente de Salida en puerto I/O PIC16F873A

I OUT=25 mA

Figura 32. Piezo Electric Buzzer

125



Figura 33. Diagrama Flujo Alarma

12.8 Modulo central

12.8.1 Panel indicadores luminosos

a. Requerimientos

Led de testigo equipo encendido on/off (switch)

Led verde activado/desactivado monitoreo de ventana

Led amarillo de puerta en movimiento

Led verde de bombillo encendido/apagado

Led verde comando enviándose al TV

Led verde indicador de estado habilitado/deshabilitado para

reconocer comandos de voz

b. Esquemático

126


D3LED-GREEN

Q52N3904

R7330

D1LED-GREEN

Q62N3904

R8330

D5LED-GREEN

Q72N3904

R9330

D6LED-GREEN

Q82N3904

R10330

BOMBILLO ALARMA PUERTA TV

Q92N3904

R11330

WARNING

D15LED-GREEN

Q12N3904

R2330

ENABLE

D7LED-RED

R41k

R121k

R131k

R141k R15

1kR161k

Figura 34 Esquemático panel de indicadores

c. Análisis

El panel de indicadores luminosos del modulo central consta de 6 leds

medianos, ubicados en la cara frontal. Sirven para informar al usuario el

estado de cada uno de los actuadores, estos indicadores se

manipulan desde el microcontrolador por los siguientes pines:

Bombillo RC0

Alarma RA4

Puerta RA3

TV RC1

Enabled RC3

Estos bits conmutan el estado de los transistores NPN para permitir o

no el encendido de cada uno de los leds.

Cada uno de estos leds del panel frontal va acompañado de una

imagen representativa de su función.

127


Bombillo

Alarma

Puerta

TV

d. Cálculos

I BSAT Q5,6,7,8,9,1=5mA

V ¿−V BE Q 5,6,7,8,9,1−I BQ 5,6,7,8,9,1

× R26=0

R4,12,14,15,16=(5 V−0.7)(5 mA )

= 4.35mA

R4,12,14,15,16=860 Ω≈ 1kΩ

V LED=1.6 V

Lumens= 100mcd a 10mA

V cc – V D – I × R=0

R7,8,9,10,11,2=(5V −0.7)(5mA )

=340 Ω≈ 330Ω

12.8.2 Conectores

a. Requerimientos

Entrada para alimentación del puente H que maneja el brazo para

la puerta

128


Salidas para conectar al motor DC que controla la puerta

Conector para controlar estado encendido/apagado de un

bombillo

Entrada para el adaptador que alimenta el circuito digital

Conector DB25 Hembra para entrada de sensores y comunicación

con los módulos.

b. Panel de conectores

1 14 2 15 3 16 4 17 5 18 6 19 7 20 8 21 9 22 10 23 11 24 12 25 13

J1CONN-D25F

+ -

Motor IN Motor OUT

Bombillo

Power

Figura 35 Panel de conectores

c. Conector paralelo

Los pines de este conector db25 de la figura 35 se distribuyen así:

Led ubicado en la ventana: Pin 1= ánodo y Pin 2= cátodo

Sensor magnético ventana: Pines 3 y 4

Led rojo puerta: Pin 5= ánodo y Pin 6= cátodo

Fin de carrera exterior puerta: Pines 7 y 8

Led amarillo puerta: Pin 9= ánodo y Pin 10= cátodo

Fin de carrera interno puerta: Pines 11 y 12

Gnd comunicación serial: Pin 24

129


Tx serial: Pin 25

12.9 Integración de los módulos

a. Requerimientos

Este proyecto va dirigido a usuarios con cuadraplejía y capacidad

de habla

Reconoce todo tipo de voz (adulto, niño, hombre y mujer)

Los dispositivos sobre los que va a actuar son los siguientes:

o Televisor

o Puerta

o Bombillo

o Alarma para ventana

b. Esquemático

Figura 36 Esquemático general

130


c. Análisis

En la figura 37 se observa la unión de todos lo módulos que

componen el sistema domótico. Puerta, TV, bombillo y sensor de

ventana, estos módulos convergen en uno solo y es el módulo de control

quien está representado por el microcontrolador por ser el componente

que toma las decisiones en el sistema.

Se muestran la recepción serial, el panel de indicadores luminosos de

la caja, los leds pertenecientes a los módulos de puerta y ventana y el

control de la bocina.

12.10 Diseño Industrial

En este apartado se explica todo lo referente al diseño industrial tanto

a nivel de software, hardware y el sitio físico de instalación.

12.10.1 Hardware

A nivel de hardware se diseñan los diferentes bloques en que se

divide este capítulo de diseño detallado, de acuerdo a lo estipulado por

la Asesora Industrial Rosario Veloza, en cada uno de los bloques

mencionados a continuación se desarrollo un plano en varios cortes.

a. Bloque sensor

En el diseño de este bloque se tuvo en cuenta la dimensión de su

circuito impreso y la cantidad de componentes en el mismo, también el

número de conectores que este contiene. Su conector es un RJ11 al cual

131


se le conecta un cable de dos pares de hilos, esta sujetado a la ventana

mediante el adhesivo con el que contaba el mismo sensor.

b. Bloque módulo central

Por ser este bloque uno de los más importantes, su diseño es crucial

en la consecución de este proyecto, la cual contiene la mayoría de los

componentes. Se diseño un circuito impreso con todas las

especificaciones dadas por la asesora industrial, en este impreso hay

que tener en cuenta todas sus líneas de cobre y su organización para el

tamaño de su respectiva caja. Se realizaron dos planos en las vistas

anterior, posterior y lateral; uno para la base y otro para la tapa del

mismo. A su vez en el plano frontal de la tapa se muestra la

organización de cada uno de los LEDs y switches, de izquierda a

derecha se tiene el led indicador para el estado (movimiento/detenido)

de la puerta, seguido por el led indicador del estado (monitoreo/no-

monitoreo) de la ventana, a continuación el led que muestra el estado

(encendido/apagado) del bombillo, seguido por el led que indica que se

está ejecutando un comando para el televisor.

La parte posterior nos muestra los diferentes conectores de los cuales

interconecta cada uno de los otros módulos (Conectores bipolares y

DB25).

c. Rótulos módulo central

132


Figura 37 Rótulo anterior

Figura 38 Rótulo posterior

d. Bloque bombillo

Este módulo no requiere ningún circuito impreso, solamente una

conexión desde el módulo central hasta el bombillo y su respectiva

canaleta según plano de la habitación referencia.

e. Bloque puerta

En este módulo su diseño consiste en la adecuación física del brazo-

electromecánico instalado entre el marco y la puerta, este es un booster

que pesa aproximadamente 8 kg, y necesita dos bases de soporte, la

primera para sostener el brazo de la pared y el marco de la puerta, es en

133


acero de 3mm de espesor, esta es atornillada con 4 pernos hexagonales

de acero de 3/8’’; la segunda es para la sujeción del brazo a la puerta,

es en acero de 2mm de espesor y atornillada con 4 pernos hexagonales

de ¼’’.

Cada una de las conexiones desde el módulo central hacia los demás

módulos se realizan a través de canaletas tipo 3x10mm, debidamente

instaladas en la habitación mediante adhesivo incorporado en la

canaleta. Según los planos de distribución en la planta física.

12.9.2 Software

La interfaz grafica se compone principalmente por una barra de nivel

de intensidad de volumen, unos botones simulando un control remoto

los cuales hacen cada uno de los comandos establecidos, en la parte

central de interfaz principal se aprecia el comando detectado por voz.

Esta interfaz contiene el logo de la universidad El Bosque. Ver figura 69.

En la interfaz existen tres vínculos: uno es el listado de todos los

comando posibles Ver figura 72, el otro vínculo es el acerca de, el cual

nos da una breve introducción de la aplicación Ver figura 71, y por

último el vínculo de ayuda Ver figura 70.

12.9.3 Planos distribucion de actuadores

En el plano planta (ver anexo 11) se presenta una vista de la planta

con las respectivas medidas, la ventana a ser utilizada es de dos alas

con apertura hacia fuera, la puerta de un ala con apertura hacia adentro.

134


También se denota la numeración para los siguientes cortes tales como

el corte A-A y el corte 1-1.

El plano detalles (ver anexo 11) muestra la vista superior de la

habitación, en esta cabe destacar la línea de acometida que sube de la

caja de distribución mediante un tubo de ¾’’ metálico galvanizado,

mediante línea punteada se denota el cableado del bombillo al switch

que lo controla y va por la parte superior. Se muestra la posición de los

elementos necesarios para el proyecto como el televisor, el computador,

el módulo central, la puerta con el respectivo brazo que la controla, el

sensor magnético en la ventana y la sirena al lado de la puerta,

mediante el símbolo se denotan las tomas de corriente y con

los interruptores; con el símbolo se muestra por donde

suben los cables para controlar la sirena, la puerta y el bombillo.

En el plano corte 1-1 (ver anexo 11) se muestra la puerta abierta, la

toma y el interruptor, así como el televisor y las medidas

correspondientes al corte.

En el plano corte A-A lateral fondo habitación (ver anexo 11) en el que

se aprecian las ventanas, el computador y demás medidas

correspondientes.

135


13. Implementación

13.1 Bloque módulo central

Para llevar a cabo la implementación del módulo central, se utilizó un

microcontrolador 16F873A, el cual se encarga de procesar los datos

provenientes del PC; fue necesario desarrollar un software en lenguaje

ensamblador que cumpliera la función de recibir bytes serialmente a

través del módulo USART, decodificar y tomar decisiones para

manipular los actuadores involucrados en el proyecto. Para conocer

detalladamente el código ensamblador del programa consultar el anexo

[12].

En la figura 36 se observa el microcontrolador y su interacción con los

demás componentes del proyecto, como puerta, bombillo, TV y ventana,

conformando a su vez el diagrama esquemático total del módulo central.

136


Figura 39. Diagrama circuito impreso final

Figura 40. Cara superior circuito impreso

137


Figura 41. Cara inferior circuito impreso

Figura 42 Mascara de componentes

138


Figura 43 Circuito impreso con componentes soldados

En la figura 43 se muestra el circuito impreso con sus componentes

soldados, este circuito está compuesto por dos capas de caminos, en su

capa superior están los componentes, en su capa inferior los caminos

restantes. Se realizó en fibra con recubrimiento antisolder y mascara de

componentes. En la tabla 18 se presenta el listado de componentes.

Figura 44 Implementación modulo central

139


Figura 45 Vista posterior modulo central

Tabla 18 Componentes utilizados 27 Resistencias

Cantidad Referencias Valores

10 R1-R3, R5-R11

330 1/4w +/-5%

17 R4, R12-R27

1k 1/4w +/-5%

4 Capacitores


4 C1-C4 1u 16V

4 Circuitos integrados


1 U1 PIC16F873A

1 U2 MAX232

1 U3 L298

1 U5 PIC16F628A

16 Transistores


16 Q1-Q16 2N3904

10 Diodos


140


6 D1-D3, D5, D6, D15

LED-GREEN

1 D4 LED-YELLOW

2 D7, D16 LED-RED

1 D13 1N4148

29 Miscelánea


12 J1-J12 PIN

1 J13 Com

1 J14 NO

1 J15 PIN D1

1 J16 PIN D2

1 J17 PIN VDD

1 J18 s ventana

1 J19 s puerta close

1 J20 s puerta open

1 J21 s puerta ir

1 J22 GND

1 J23 VCC

1 J24 NC

1 LS1 SPEAKER

1 P1 COMPIM

1 RL2 TEXTELL-KBH-5V

1 SW1

1 X1 CRYSTAL

13.2 Bloque Micrófono

Según lo visto en el capitulo anterior el micrófono seleccionado es el

Motorola HS850, el cual se presenta en la figura 46.

141


Figura 46. Micrófono Motorola HS-850

Incluye Cargador AC 110V y un manual de instrucciones, los cuales se

ven en la figura 47.

Figura 47 Accesorios micrófono Motorola HS850

Para la instalación del micrófono se deben seguir los siguientes pasos,

que también se ilustran en la figura 48:

Configurar el equipo remoto, es decir el computador, explicado en

los manuales de usuario

El micrófono debe estar apagado

142


Sostener el botón de encendido del micrófono por

aproximadamente 20 segundos hasta que la luz azul quede encendida

de manera permanente (sin oscilar), esto coloca el micrófono en modo

"pairing" o emparejamiento

Se debe abrir la tapa desplegable

Aceptar el micrófono en el computador

Figura 48. Diagrama de instalación Micrfono. Fuente,[46]

13.3 Actuador puerta

Como actuador para manipular el estado abierto/cerrado de una

puerta se utilizó un booster de 12v marca Warner mostrado en la figura

51, este es un brazo electromecánico de alto rendimiento el cual tiene la

capacidad de expandirse 8 pulgadas. Se han acoplado dos fines de

carrera, uno para indicar la apertura total y otro para indicar el estado

cerrado de la puerta, estos fines de carrera contienen un rodillo en su

contactó para evitar atascos o fricciones que podrían afectar el sistema.

Las medidas de este brazo electromecánico son:

Recogido 350mm

143


Extendido 650mm

Peso 5Kg

Tiempo de extensión 4seg

Tiempo de contracción 4.2seg

Figura 49. Brazo electromecánico para puerta

La implementación de este actuador se realizó por medio de un

soporte de aluminio el cual se encarga de sujetar el brazo en forma

horizontal, con el cilindro expandible de frente a la puerta. Este soporte

se adhiere a la viga del marco de la puerta por medio de 4 tornillo-

chazos con ¼ pulgada de diámetro y 1 ½ pulgadas de largo. En la figura

50 y 51 se puede apreciar claramente la instalación de este soporte. La

conexión se realizó por medio de cable AWG 22 trazado mediante

canaleta.

144


Figura 50. Soporte en aluminio para actuador puerta

Figura 51. Actuador puerta anclado sobre pivote

La figura 51 muestra el brazo en su parte lateral anclado con un pivote

para la libertad de movimiento en su estado de apertura y cerrado.

145


Figura 52. Vista general actuador puerta

La figura 52 muestra una vista general del actuador para puerta en su

estado de máxima expansión.

La figura 53 detalla el otro extremo del booster anclado a la estructura

de la puerta, con cuatro tornillos, sobre una lámina cuadrada de

aluminio con medidas de 150mm en cada uno de sus lados. Cuenta con

un eje que atraviesa el actuador para poder tener libertad de

movimiento en el momento de la apertura o cierre de la puerta.

Figura 53. Anclaje a puerta de actuador

En la figura 54 se observa el actuador de la puerta en conjunto con los

leds indicadores de estado y los fines de carrera.

146


Figura 54 Conexiones actuador puerta

13.4 Bloque potencia

En la figura 55 se tiene el diseño de la etapa de potencia para

controlar el brazo electromecánico que controla la puerta.

147


Figura 55 Esquemático puente H

En la figura 56 se observa el diseño del circuito impreso para el puente

H encargado de proporcionar la potencia para accionar el actuador de la

puerta.

148


Figura 56 Cara superior puente H

En la figura 57 y 58 se aprecian la máscara de componentes y fotografía

del puente H implementado.

Figura 57 Mascara de componentes puente H

149


Figura 58 Puente H implementado

Tabla 19 Componentes utilizados 8 Transistores


2 Q1, Q2 TIP 125

2 Q3, Q4 TIP 120

4 Q5, Q6, Q7, Q8

2N2222A

1 Capacitor


1 C1 470uF 16V

8 Resistencias


2 R1, R2 100 1/4w +/-5%

2 R3, R4 3.3k 1/4w +/-5%

2 R5, R6 10k 1/4w +/-5%

2 R7, R8 470 1/4w +/-5%

150


Miscelanea


2 J2, J3 Conector 2 pines

J2 y J3 - Conector de 2 pines (Opcional)

13.5 Bloque Sensor ventana

Este sensor magnético (ver fig.61) se instalo en el marco de la ventana

según planos anexo 11, sus conexiones hacia el módulo central se hacen

a través de una canaleta referenciadas en los planos. A continuación se

relacionan unas imágenes de este dispositivo instalado.

Figura 59. Sensor Magnético

En la figura 59 se observa la ubicación del sensor magnético sobre la

ventana y en la figura 60 se entrega una vista ampliada del mismo.

151


Figura 60 Sensor Magnético instalado en el marco de la ventana

Figura 61 Sensor magnético instalado en la ventana maximizado

13.6 Bloque PC

El adaptador escogido es el ES-388 el cual se presenta en la figura 62.

Este adaptador es necesario para poder recibir vía bluetooth los

comandos de voz provenientes del manos libres.

152


Figura 62. Adaptador USB-Bluetooth

13.7 Cableado

El cableado que va desde el módulo central hacia cada uno de los

actuadores, se realiza a través de canaletas instaladas con la siguiente

medida 250mm X 200mm. La distribución de la canaleta en la habitación

esta referenciada en los planos adjuntos en el Anexo[10]. La figura 63

muestra la canaleta utilizada para el cableado en toda la habitación.

Figura 63 Canaleta de plástico y accesorios

Las conexiones que van a utilizar canaletas son las siguientes:

Módulo Central – Actuador Puerta (Brazo Electromecánico)

153


Figura 64 Canaleta actuador para puerta

Módulo Central – Sensor Ventana

154


Figura 65 Canaleta sensor de ventana

155


Figura 66 Canaleta cableado actuadores y leds indicadores

Módulo Central – Bombillo

156


Figura 67 Canaleta bombillo

La ubicación de estas canaletas está referenciada en el plano ubicado

en el anexo 11.

157


13.8 Software reconocimiento de voz

El programa de reconocimiento de voz, fue desarrollado en Visual

Basic 6.0, utilizando el motor de reconocimiento de voz proporcionado

por la empresa Microsoft de manera gratuita en su versión de fonética

inglesa, para llevar a cabo este software fue necesario profundizar los

conocimientos en la programación orientada a objetos y el speech

aplication program interface (interfaz de programación para aplicaciones

de voz).

El programa está compuesto por cuatro ventanas y un formulario

padre donde están contenidos el resto de los mismos, el formulario

frmmain de la figura 68, es el principal puesto que es allí donde se

ejecuta la tarea de reconocimiento de comandos, cuenta con un medidor

de nivel de la señal del micrófono de entrada, para detectar cualquier

anomalía de inmediato con respecto a la adquisición y nivel de la señal

de voz. En la sección central del formulario se visualiza el ultimo

comando que ha sido reconocido, en el sector derecho de la ventana se

ha adicionado un acceso manual a todas las funciones del sistema para

facilitar la comprobación de este en caso de que una persona sin

discapacidades lo requiera, en la esquina inferior derecha se encuentra

el botón deshabilitar para detener el envío de comandos hacia el módulo

central, y el botón cerrar para detener por completo el programa, el

código fuente de este formulario se puede consultar en el anexo 11.

158


Figura 68. Interfaz Grafica. Programa Reconocimiento

Por medio del menú ayuda ubicado en la barra de menú superior es

posible acceder a las ventanas: cómo usar el programa, listado de

comandos y acerca de, en el formulario como usar, figura 69, se

encuentra una introducción rápida que informa a los nuevos usuarios

sobre la manipulación del software, la información básica que se

muestra es la siguiente “El programa inicia en modo LISTO PARA

COMANDO, lo que le permite que una vez abierto usted pueda comenzar

a dictar los comandos de voz descritos en la ventana LISTADO DE

COMANDOS (Ctrl + L), sin tener que hacer nada más. Si quiere que el

programa deje de reconocer comandos por algún tiempo, puede hacer

clic en el botón Deshabilitar y luego en Habilitar reiniciar el

reconocimiento de comandos. Además cuenta con una interfaz en

159


pantalla, para manipular manualmente en caso de ser necesario los

actuadores y funciones del sistema (en caso de presencia de un

acompañante sin discapacidad corporal). Para salir del programa haga

clic en Cerrar. La barra izquierda le informa sobre el nivel de su señal de

voz, en caso de no moverse la barra verifique que su micrófono esté

funcionando correctamente, y si quiere dirigirse al sitio web de la

Universidad el Bosque haga clic en el logo. Soporte técnico email:

[email protected]” para ver el código fuente de este formulario

consulte el anexo 11.

Figura 69. Interfaz de Ayuda Programa

En el formulario frmacercade, figura 70, se hace referencia a la versión

y objetivo del software, los elementos que se controlan a través de este

160


y la razón por la cual fue creado, esto se expresa en la ventana con la

siguiente leyenda “Domotic Voice Explorer 1.0 es un programa que

permite controlar luces, puertas, sensores en ventanas y televisores por

medio de la voz. Este programa se desarrolla como parte fundamental

del trabajo de grado realizado por los estudiantes de la Universidad El

Bosque, Bogotá - Colombia, Cesar Mauricio Perdomo Rozo y Javier

Bocanegra Palma, el cual se centra en el tema DOMOTICA y trata sobre

el control en el hogar para personas cuadrapléjicas. Este software

necesita una implementación a nivel de hardware para su correcto

desempeño y se comunica con su periférico por medio del puerto serial

del PC”. Para conocer el código fuente de este formulario diríjase al

anexo 11.

161


Figura 70. Interfaz Grafica "Acerca de"

El formulario frmlistado, es uno de los más importantes del menú de

ayuda, pues aquí se muestran todos los comandos que el programa

puede reconocer y su respectivo significado, en una etapa inicial para

cada nuevo usuario será una ventana a consultar obligatoriamente hasta

que se memoricen todos los comandos, los comandos y su descripción

se pueden observar en la figura 71, para conocer el código fuente de

este formulario diríjase al anexo 11.

162


Figura 71 Interfaz Grafica Lista de Comandos

14. Pruebas

14.1 Plan de pruebas

La tabla 20 contiene el esquema de pruebas a realizar al software de

reconocimiento de voz, actuador puerta, actuador bombillo, sensor de

ventana, control televisor, hardware módulo central e interacción de

todos los módulos.

14.2 Condiciones de prueba

Las condiciones tomadas en cuenta para la ejecución de las pruebas

anteriormente planteadas serán, temperatura ambiente (19ºC), estas se

ejecutarán en un lugar de trabajo tipo dormitorio, con personas que

simulan discapacidad y no con discapacitados reales:

163


Tabla 20 Plan de pruebasNombre de la

Prueba

Objetivo Prueba Resultado Esperado

Prueba de

reconocimiento de

comandos de voz.

Testear el reconocimiento de los 16

comandos disponibles en el software

Se reconocen sin

esfuerzo el 100% de los

comandos disponibles.

Comunicación

serial entre pc y

microcontrolador

Verificar el comportamiento a nivel lógico y

físico de la comunicación entre los dos

dispositivos.

0% de bytes perdidos

Prueba sobre el

actuador para

puerta

Comprobar la acción de apertura y cierre de

la puerta, el consumo de corriente para esta

operación y la operación de los fines de

carrera.

Tiempo apertura/cierre: 6

s

Consumo de corriente: 5ª

Fines de carrera NO: 0v

Fines de carrera NC: 5v

Prueba sensor

ventana

Medición del cambio de estado de la señal

cuando la ventana se abre o cierra.

Ventana

abierta

5v

Ventana

cerrada

0v

Prueba control

televisor

Comprobar la ejecución de los comandos

(subir y bajar volumen, subir y bajar canal,

mute y on/off) sobre el televisor.

Obtener el mismo

comportamiento de la

ejecución de estos

comandos con un control

remoto manualmente.

Prueba actuador

bombillo

Comprobar el cambio de estado

encendido/apagado del bombillo por medio

de comando de voz

Light ON0 Bombillo

encendido

Light OFF: Bombillo

apagado

Prueba hardware

modulo central

Medición del consumo de corriente y

determinar si existe ruido eléctrico que afecte

el comportamiento del microcontrolador.

Corriente:2A

Ejecución ininterrumpida

del proceso del

microcontrolador.

Interacción de los

módulos

Comprobar el funcionamiento de todo el

sistema, desde el envío del comando de voz,

hasta la ejecución de las acciones.

Ejecución de las 16

ordenes contempladas

en el proyecto.

La ejecución de las pruebas seguirá el siguiente procedimiento.

164


Conexión del dispositivo a la fuente de alimentación de 5 VDC

Accionamiento del interruptor de encendido

Medición del parámetro con el instrumento necesario

Comparación del resultado esperado con el resultado medido

En caso de no cumplir con el resultado esperado se harán los

ajustes necesarios para el cumplimiento de la prueba

El número de personas para ejecutar el procedimiento: 2 personas.

Tiempo promedio de duración por prueba: 15 min.

14.3 Pruebas software reconocimiento de voz

Los módulos de reconocimiento de voz y de comunicación serial fueron

desarrollados y probados por separado para tener la certeza del correcto

funcionamiento de cada etapa del software.

14.3.1 Comandos de voz

Para lograr le versión final del software de reconocimiento de voz fue

necesario probar una serie de comandos para cada acción, observando

diferencias en cuanto a la exactitud y facilidad de reconocimiento de

cada uno. La pronunciación de cada comando debe hacerse con la

fonética del idioma inglés, sin que sea necesario ser bilingüe para el

caso de las personas de habla hispana, solo con un poco de práctica se

hace posible el uso de este software. Los comandos definitivos se

observan en la tabla 21.

Tabla 21 Prueba de comandos de vozComandode Prueba

Esperado Resultado Equipo Personas Tiempo ¿Cumplió?

Tv on Encendido Encendido Micrófono 2 1 min. SI

165


bluetooth, adaptador bluetotth, PC

Tv off Apagado Apagado Micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min. SI

Tv next Subir canal

Subir canal

Micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min SI

Tv back Bajar canal

Bajar canal Micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min SI

Vol up Subir volumen

Subir volumen


2 1 min SI

Vol down Bajar volumen

Bajar volumen


2 1 min SI

Tv mute Silenciar Silenciar Micrófono bluetooth, PC

2 1 min SI

Light on Encender bombillo

Encender bombillo

Micrófono bluetooth, PC

2 1 min SI

Light off Apaga bombillo

Apaga bombillo


2 1 min SI

Door open Apertura puerta

Apertura puerta


2 1 min SI

Door close Apertura puerta

Apertura puerta


2 1 min SI

Watch window

Monitorea ventana

Monitorea ventana


2 1 min SI

Window off

Apaga alarma

Apaga alarma


2 1 min SI

Help me Ayuda Ayuda 2 1 min SIEnable Habilitar

reconocimiento

Habilitar reconocimi

ento


2 1 min SI

Disable Deshabilitar

reconocimiento

Deshabilitar

reconocimiento


2 1 min SI

14.3.2 Comunicación serial

Es necesario realizar pruebas en la comunicación serial hacia el

módulo central, estas se ejecutan programando el envío de bytes

166


predefinidos por los desarrolladores, estableciendo la configuración del

puerto RS232 con una velocidad de 9600 baudios, sin bit de parada, tal

y como fue programado el módulo central para que la comunicación

fuera exitosa.

Tabla 22 Prueba de comunicación serialCaso de Prueba

Esperado Resultado Equipo Personas

Tiempo ¿Cumplió?

Envió desde el pc de bytes entre 00H y 0FH

Variaciones de estado en los puertos

A, B y C0% bytes perdidos

Variaciones de estado en los puertos

A, B y C0% bytes perdidos

PC, cable serial,

modulo central

2 5 min. SI

14.4 Prueba sobre el actuador para puerta

Tabla 23 Prueba de actuador para puertaCaso de Prueba


Tiempo ¿Cumplió?

Accionar mecanismo de apertura y cierre de puerta

Corriente Max: 5A

Tiempo de apertura/cier

re: 6 s

Corriente Max: 3.2 ATiempo de

apertura/cierre: 30 s

Booster, Puerta, batería 12V 7A

2 5 min. NO

Según el resultado obtenido en la prueba de la tabla 23, no se

cumplen las condiciones de corriente ni tiempo, es por esto que se

realizan ajustes en la etapa de potencia que influyen con éste actuador,

estos ajustes consisten en realizar un cambio desde el diseño detallado

en cuanto a la selección del puente H, a continuación se muestra la

prueba luego del ajuste.

167


Tabla 24 Prueba de actuador para puerta con rediseño de puente HCaso de Prueba


Tiempo ¿Cumplió?

Accionar mecanismo de apertura y cierre de puerta

Corriente Max: 5A

Tiempo de apertura/cier

re: 6 s

Corriente Max: 5.2 ATiempo de

apertura/cierre: 4.8 s


2 5 min. SI

14.5 Prueba sobre el sensor de ventana

Este sensor ha sido probado en repetidas ocasiones con el fin de

garantizar el cambio de estado en la entrada del microcontrolador

cuando la ventana se encuentra en sus estados abierto/cerrado,

emitiendo un cero lógico cuando la misma está cerrada y un uno lógico

cuando está abierta. La distancia máxima antes de ser activado el

estado de apertura es de un centímetro, lo que evita que se active la

alarma en ocasiones equivocadas como tormentas, o vibraciones a

casusa de fuertes vientos.

Tabla 25 Prueba sensor ventanaCaso de Prueba


Tiempo ¿Cumplió?

Prueba

sensor

ventana

Ventana

abierta

5v

Ventana

cerrada

0v

Ventana

abierta

4.93V

Ventana

cerrada

0.11V


2 5 min. SI

14.6 Prueba control televisor

Para poder controlar el televisor en sus funciones de adelantar y

retroceder canal, subir y bajar volumen, mute y encendido/apagado fue

necesario modificar un control remoto universal, influyendo

directamente en la matriz de contactos y realizando la simulación de la

168


presión en cada botón por medio de transistores, configurados como

corte y saturación, las pruebas realizadas fueron inicialmente con leds

simuladores de cada acción puestos en un protoboard wish 108 junto

con el microcontrolador decodificador de las acciones, seguidamente se

cambiaron los leds por los pares de cables que correspondían a la

determinada función a controlar, directamente con el control remoto.

Una vez la respuesta fue exitosa para cada etapa, se prosiguió a acoplar

este control remoto universal al circuito impreso diseñado para el

módulo central, esta última etapa de pruebas culmino con la correcta

respuesta de todas las funciones del televisor en repetidas ocasiones. El

tiempo necesario para realizar la prueba de cada comando de voz se

estipula en la tabla 26.

Tabla 26 Prueba de control televisorCaso de Prueba


Tiempo

¿Cumplió?

Tv on Encendido Encendido TV, micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min. SI

Tv off Apagado Apagado TV, micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min. SI

Tv next Subir 1 canal Subir 1 canal TV, micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min SI

Tv back Bajar 1 canal Bajar 1 canal TV, micrófono bluetooth,

2 1 min SI

169


adaptador bluetotth, PC

Vol up Subir volumen Subir volumen TV, micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min SI

Vol down

Bajar volumen Bajar volumen TV, micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min SI

Tv mute Silenciar Silenciar TV, micrófono bluetooth, adaptador bluetotth, PC

2 1 min SI

14.7 Prueba actuador bombillo

Se comprobó en repetidas ocasiones el funcionamiento del sistema de

conmutación para el bombillo manipulado por medio de voz, este

consiste en un relé con una inductancia accionada con 5v. Las pruebas

fueron realizadas con un bombillo de 60watts, manteniéndolo encendido

por dos horas para testear las condiciones térmicas del sub circuito.

Tabla 27 Prueba actuador bombilloCaso de Prueba


Tiempo ¿Cumplió?

Relé Conmutación de

relé

abierto/cerrado

Conmutación de

relé

abierto/cerrado

Roseta, bombillo 60Watt,

PC, módulo central

2 2 h. SI

170


14.8 Prueba hardware modulo central

El microcontrolador utilizado fue el 16f873a, aquí se realizan las

funciones de recepción serial, decodificación de comandos, envió de

órdenes a los actuadores y monitoreo del estado de la alarma. Las

pruebas realizadas inicialmente fueron, verificar la funcionalidad de cada

uno de los puertos de entrada/salida como puerto A, puerto B y puerto

C, por medio de un programa que exportaba datos a través de los

mismos y otro que importaba datos. A continuación se realizaron

pruebas al módulo de recepción serial asíncrona, para estas pruebas

fue necesario interactuar con la etapa de pruebas de comunicación

serial realizada para el programa de reconocimiento de voz, el cual se

ejecuta mediante un PC con las características mínimas descritas en el

capítulo de requerimientos.

Tabla 28 Prueba actuador bombillo

Caso de Prueba


Tiempo ¿Cumplió?

Microcontrol

ador

Corriente por

cada pin

I/O:25mA

Programa

grabado sin

bugs

Corriente por

cada pin

I/O:23mA

Programa

grabado sin

bugs

Módulo central,

multimetro

2 5 min. SI

Consumo Corriente: 2A

Voltaje: 5V

Corriente:

1.87A

Voltaje: 4.97V

Módulo central,

multimetro

2 5 min. SI

171


14.9 Integración de módulos software y hardware

Luego de haber probado cada componente por separado se prosigue

con la unión de los módulos que conforman la estación concentradora de

actividades entre los que se encuentran los sub-circuitos de actuador

para TV, sensor de seguridad de ventana, actuador para puerta y

actuador para manipular bombillo. De igual manera las funciones de

comunicación serial y reconocimiento de voz del software se acoplaron

para interactuar con el módulo central y poder probar el sistema desde

la captura de la señal de voz hasta la ejecución de la orden por medio

del respectivo actuador. Por medio del micrófono bluetooth se dictaron

la totalidad de los comandos predefinidos para que sean reconocidos,

obteniendo como resultado, un 95% de exactitud en cada uno de los

comandos dictados y la ejecución de cada unas de las órdenes

correspondientes. Los resultados se presentan en la tabla 29.

Tabla 29 Pruebas de integración

Prueba módulo Que se esperaba Que se obtuvo Observaciones

Reconocimiento de

Voz

Se esperaba más facilidad para entender cualquier frase pronunciada

Se realizaron varias pruebas con diferentes comandos. y el reconocimiento se logró según lo planeado.

Comandos en Ingles de pronunciación estricta

Controlador Conectividad hacia el PC, manejo de actuadores.

Se obtuvo la completa sincronización entre el PC y el control de los Dispositivos actuadores.

No se encontraron problemas.

Comunicación serial Conexión entre PC y computador con las especificaciones dadas

Se obtuvo la comunicación esperada según los requerimientos especiales.

No generaron problemas de comunicación.

Bombillo El estado ON/OFF de Se obtuvo los dos No se

172


este dispositivo. estados necesarios ON/OFF

encontraron problemas.

Micrófono Se esperaba una comunicación limpia y sin distorsiones

Se obtuvo la una comunicación inalámbrica y limpia.

La sincronización del micrófono Bluetooth con el PC presenta algunos inconvenientes.

Actuador TV Control de cualquier opción del Televisor.

Se obtuvo el control de todas las opciones del TV.

Presento inconvenientes la modificación del Control Universal

Actuador Puerta Control de apertura/Cerrado en la puerta

Se obtuvo el control de la puerta y se realizo modificaciones sobre la chapa y su estructura

La instalación de este dispositivo genero retrasos en la implementación (Alta complejidad)

Sensor Ventana Detección del estado de la ventana (cerrado/abierta)

Se obtuvo la información de los estados (cerrado/abierto), sin errores de precisión.

Este sensor no presentó problemas en su implementación e instalación.

15. Manuales

Este manual se divide en cuatro segmentos:

Lista de componentes

Instalación

Operación

Especificaciones

15.1 Lista de componentes

Módulo central

Computador (Desktop o Portátil)

CD Software reconocimiento de voz y drivers

Adaptador USB-serial

173


Adaptador USB-Bluetooth

Manos libres Bluetooth

Adaptador de corriente (5V – 2.5A)

Brazo electro-mecánico (Booster 12 Voltios)

Sensor magnético.

Bombillo

Módulo de potencia

Cable UTP

Cable de poder #12

15.2 Instalación

En la instalación se debe tener en cuenta varios aspectos, la ubicación

correcta de los componentes, los requerimientos mínimos del sistema y

el manejo adecuado de sus conectores.

15.2.1 Instalación módulo central

En primer lugar se debe instalar el módulo central en un sitio cercano

al computador y con una trayectoria lineal al Televisor esto para efecto

de la transmisión IF. Este se debe alimentar con un adaptador de

corriente de 5 Voltios a 2.5 Amperios. A este módulo central van

conectados los demás periféricos a través del conector db25 ubicado en

la parte posterior, estos se conectan tras la previa instalación de cada

uno de ellos, ver figura 75. Este módulo en su parte posterior indica

cada uno de sus conectores:

Conexión de poder para el brazo

174


Conexión de Datos hacia el brazo

Conexión Sensor Ventana

Conexión Bombillo

Conexión de Alimentación

Estas conexiones de datos se recomiendan hacerse de una manera

estructurada y distribuida con canaleta, ver figura 72.

Figura 72 Conexiones con canaleta

175


Figura 73 Conectores modulo central (Alimentación, DB-25,Boton Reset)

15.2.2 Instalación del sensor de seguridad ventana

Consta de dos imanes que hacen el contacto cuando la ventana esta

en el estado de cerrada, muy cerca de la ventana se conecta el módulo

de sensor el cual tiene su conector en la parte posterior de este y a

través de un cable UTP va conectado al módulo central, ver figura 74.

Figura 74 Instalación sensor ventana

176

Conector AlimentacionModulo Central

Boton de reset Conector DB-25

(Sensor Ventana, LEDS Ventana Puerta)


15.2.3 Instalación brazo electro-mecánico puerta

Para esta instalación se debe contar con una base de soporte para

este actuador ubicado en un ángulo correcto para su buen desempeño,

ver figura 75. En los dos extremos del booster se debe conectar un pin

de ajuste para que el sinfín de este motor opere correctamente. Luego

de haber ubicado correctamente el actuador se hace la conexión hacia

el modulo central con el correspondiente conector de acuerdo la figura

76. Por último se conecta la alimentación de 12 Voltios de acuerdo como

se muestra en la figura 77.

Figura 75 Soporte para el brazo electro-mecánico

177


Figura 76 Instalación brazo electro-mecánico

Figura 77 Conectores Brazo-Electromecánico, Brazo-Electromecánico, Bombillo

15.2.4 Instalación conexión bombillo

En esta conexión se requiere la modificación en la acometida eléctrica

hacia el bombillo y su previa instalación del cable mediante canaleta.

Esta conexión va directamente entre la acometida del bombillo y su

178

Alimentacion Brazo-Electromecanico

Terminales Brazo-

Electromecanico

Conector Bombillo


correspondiente conector en la parte posterior del módulo central,

mediante el cable eléctrico #10. Ver figura 78,79.

Figura 78 Conexión bombillo

En la figura 79 se ilustra el modulo central con la totalidad de sus

actuadores conectados a sus respectivos conectores

Figura 79 Modulo Central con conectores

179


Figura 80 Modulo Central – Indicadores

La figura 80 ilustra cada uno de los indicadores luminosos del modulo

central:

1. Enable, LED Verde

2. Control infrarrojo

3. Puerta, Amarillo.

4. TV, Verde

5. Bombillo, Verde

6. Alarma ventana, Verde

7. On-Off, Rojo

15.2.5 Instalación computador

Ésta instalación se divide en dos partes software (reconocimiento e

interfaz) y Hardware:

a. Hardware

Cable Conexión Serial-USB, para la conexión de este cable se debe

instalar primero los drivers del fabricante de este convertidor, estos

180


drivers se encuentran en la ruta Cd Domotica\Drivers\Cable USB Serial\

Driver_TU-S9_v2021_2k_xp_2003 del CD que viene con el prototipo y

seguir las instrucciones como se muestra en las figuras 81-83. El

extremo USB se conecta a un puerto USB del computador y el otro

extremo a la parte posterior del módulo central en su conector serial DB-

9, como se indica en la figura 84.

Figura 81 Instalación cable USB serial 1

181




182


Figura 84. Cable Conexión PC-Modulo Central

b. Instalación Bluetooth

Primero se debe tener en cuenta el manos libres Bluetooth con el cual

se va a trabajar, este previamente debe tener sus baterías cargadas,

para la instalación del micrófono se deben seguir los siguientes pasos:

El micrófono debe estar apagado

Sostener el botón de encendido del micrófono por

aproximadamente 20 segundos hasta que la luz azul quede

encendida de manera permanente (sin oscilar), esto coloca el

micrófono en modo "pairing" o emparejamiento

Se debe abrir la tapa desplegable, ver figuras 85 y 86

Aceptar el micrófono en el computador

183


Figura 85 Diagrama de instalación micrfono

Figura 86 Adaptador USB-Bluetooth

En segundo lugar se instala el software del adaptador USB-Bluetooth,

figura 87, para su posterior sincronización. La prueba de este artefacto

puede realizarse con la grabadora de sonidos de Windows, si sale

satisfactoria ha instalado correctamente el dispositivo.

184


Figura 87 Adaptador USB-Bluetooth

c. Software

Contiene dos drivers y un archivo ejecutable, cada uno de ellos con su

asistente de instalación correspondiente, se instalan en el orden

indicado aquí. Al final el paquete contiene un archivo ejecutable el cual

es la consola de operación del programa.

Figura 88 Archivos. Programa Reconocimiento

d. Instalación uno, Engine o motor de reconocimiento

Este paso instala el motor de reconocimiento de voz en la maquina, el

archivo instalador se encuentra con el siguiente nombre,

ctcnc_ENGINE_SPEECH_RECOGNITION.exe, hacer doble clic y seguir las

instrucciones de instalación. Figuras 89-91.

185


Figura 89 Instalación engine 1

Figura 90 Instalación engine 2

Figura 91 Instalación Engine 3

186


e. Instalación dos, SAPI de reconocimiento:

Este instalador nos permite interactuar con el motor de

reconocimiento y la interfaz de operación. El nombre del instalador es

spchapi_SAPI4.exe, ver figura 90.

Figura 92 Instalación SAPI

f. Ejecutable uno, Interfaz de Operación

Es la interfaz de reconocimiento de voz elaborada para la

manipulación por medio de comandos, los dispositivos concernientes a

este proyecto. Este se ejecuta por medio del archivo ejecutable

DomoticVoiceExplorerV1.0.exe ubicado en la ruta \Cd Domotica\

Software\Domotic Voice Explorer1_0.exe del cd entregado con el

prototipo.

15.3 Operación

En primera medida se ejecuta el programa

DomoticVoiceExplorerV1.0.exe

187


Figura 93 Interfaz reconocimiento de voz

Se hacen las pruebas correspondientes con el dispositivo bluetooth

para comprobar que este sincronizado con el programa, esto se

comprueba en la barra lateral y mide la intensidad de la señal de voz,

ver figura 93. A partir de esta prueba, el micrófono bluetooth del usuario

entrara en sincronización con el programa. Cualquier comando dicho por

el usuario (persona cuadrapléjica) el programa lo interpretara de

acuerdo a la lista de la figura 94.

188


Figura 94 Listado de Comandos

El comando de voz está relacionado a mano derecha de la lista

anterior.

Además del reconocimiento de los comandos de voz, están las

opciones de cada uno de los comandos de forma manual, haciendo clic

en cada uno de los botones en la parte derecha de la interfaz principal.

El programa tiene acceso una ayuda rápida, que proporciona una

manera fácil y entendible de manejar la interfaz.

Cuando el usuario activa la opción de monitoreo de ventana, el led

testigo de color verde ubicado en la misma se encenderá y en caso de

que esta se abra una alarma se encenderá. Para detener esta señal

sonora basta con pronunciar el comando window off, el cual cumple

189


además con la función de detener la supervisión del estado de la

ventana.

Los comandos enable y disable cumplen con la función de iniciar y

detener la comunicación serial entre el PC y el módulo central, con el fin

de poder mantener una conversación sin la incomodidad de que se

reconozcan y ejecuten comandos sin intención.

El comando help me emite una señal audible durante 2 segundos para

casos de emergencia en los que el usuario lo requiera.

La figura 95 hace referencia a la ventana como usar el programa,

accesible desde el menú superior ayuda, como usar el programa.

Figura 95 Como usar el programa

15.4 Especificaciones

Tabla 30 Especificaciones del sistema domótico

Características

Elementos controlados 4 (Televisor, puerta, bombillo,

sensor ventana)

Numero de comandos de voz 16

Software de reconocimiento de voz Visual Basic 6.0

Software modulo central MPASM

190


Alimentación 5 V

Corriente modulo central 2ª

Corriente brazo electromecánico 5ª

Peso brazo electromecánico 6 kg

Dimensiones modulo central 18cmx20cmx10cm

Peso modulo central 700 g.

16. Resultados

En el momento de realizar las pruebas a la etapa de potencia del brazo

electromecánico, se encontró que éste requería de una mayor potencia

que la prevista, ya que en el movimiento de la puerta se generó un

incremento hasta 5A de corriente a la estimada que era de 3A, causado

por la fricción contra la superficie. Es por esta razón que se cambió el

encapsulado L298 por un puente H en discreto que estuviera en

condiciones de suplir el incremento de corriente inicial para poner en

movimiento la puerta.

Al realizar cualquier acción con el control remoto universal, se originó

un problema con la frecuencia de conmutación de los switches ON/OFF

en la matriz de contactos y como consecuencia la función accionada se

mantenía en un tiempo mayor al deseado, este requería una

conmutación a cierta frecuencia libre de ruido, para esto se instalaron

los filtros necesarios para la cancelación de ruido y los cálculos

necesarios para ajustarle la frecuencia correcta.

En las pruebas realizadas posteriores a la instalación de los

componentes, algunos ruidos se filtraban a través de todo el circuito

191


impreso, esto es debido a la utilización de una fuente de voltaje no

regulada, por esta razón se realizó el cambio a una fuente de voltaje

regulada y se adicionaron los filtros adecuados.

Se logró implementar una interfaz amigable y fácil de usar para

proporcionar un reconocimiento de voz y reconocer cada uno de sus

comandos configurados.

Luego de un ciclo de pruebas, se encontró que la vida útil de los fines

de carrera que se encargan de controlar los estados de apertura y cierre

de la puerta, se disminuye considerablemente a causa del fuerte choque

que recibe por parte del brazo electromecánico, para esto fue necesario

instalar fines de carrera más robustos y así evitar el envió de falsos

datos en el módulo central.

La financiación económica fue una dificultad y también causante de

otros detalles que pueden ser adicionados en futuras implementaciones,

por ejemplo la utilización de una biblioteca de reconocimiento de voz

que use la fonética del español, ya que ésta tiene un costo que oscila

entre 5 y 6 millones de pesos.

17. Discusión

Se cumplieron a cabalidad los objetivos propuestos, superando cada

unos de los inconvenientes que se presentaron a lo largo de la

consecución de este proyecto.

Los resultados inicialmente no fueron muy precisos de acuerdo a lo

que se esperaba, es por esto que en el proyecto fue necesario encontrar

192


alternativas de diseño y ser ingeniosos en el planteo de soluciones a las

adversidades conseguidas, como fue el caso de los dispositivos que

controlan la puerta y el televisor los cuales tenían mayor dificultad

dentro del proyecto.

A partir de los resultados obtenidos, se debería continuar investigando

en el área de la domótica y aplicando nuevas tecnologías y estándares

para adicionar nuevos dispositivos a controlar ya sea con un propósito

de ahorro energético, confort o como es el caso de aplicación este

proyecto dirigido a mejorar la calidad de vida de las personas con 4 o

más discapacidades.

Se recomienda el uso de un motor de reconocimiento de voz en

español, para futuras implementaciones ya sean versiones comerciales

o versiones libres, también escalar el proyecto a más lugares de la

vivienda y así ir consiguiendo una mayor cobertura hasta lograr en su

totalidad un hogar inteligente.

Sería óptimo a partir de este trabajo de grado y con el interés común

de profesores y estudiantes, crear un grupo de investigación sobre

domótica y facilitar un espacio de trabajo donde proyectos escalables

puedan converger en uno solo.

Este proyecto fue realizado teniendo en cuenta que en el amplio

campo de la domótica, la mayoría de los trabajos realizados están

dirigidos a suplir tareas comunes y a proporcionar confort a los niveles

más altos de la sociedad. Por esta razón se ha orientado enfáticamente

193


a la población con 4 o más discapacidades y con un distintivo notable,

como es la interacción únicamente por medio de comandos de voz,

característica no encontrada en los dispositivos comerciales ya

desarrollados.

Se debe tener en cuenta el tiempo habilitado para la investigación y

desarrollo de todas las fases del proyecto para no sobredimensionar los

alcances del mismo e incurrir en sobrecargas de esfuerzos, tiempo y

dinero.

18. Conclusiones

La población con cuatro o más discapacidades encuentran en este

proyecto un nivel de independencia para poder suplir algunas de las

tareas básicas, sin necesitar de otra persona.

Se implementó el control de las tareas más comunes que a diario una

persona realiza en su habitación, tales como el funcionamiento básico

de un televisor, el encendido y apagado de un bombillo, la apertura y

cierre de la puerta de la habitación y el monitoreo del estado de una

ventana abierto o cerrado.

El reconocimiento de los comandos de voz se realizó por medio de una

interfaz de reconocimiento de voz, desarrollada en el entorno de

programación Visual Studio, y cuenta con señales auditivas que le

facilitan al usuario conocer el estado de la aplicación.

194


Para facilitar la instalación del sistema de control, se han redactado los

respectivos manuales de instalación, operación y mantenimiento,

proporcionando una ayuda de iniciación y adaptación.

El usuario final de este prototipo sólo necesita conocer los comandos

que representan cada orden en el sistema, siendo éstos un número muy

reducido e incluidos en la ayuda del software y en los manuales.

19. Referencias documentales

1. Lamas, Javier. Sistemas de control para viviendas y edificios, 1999.

Editorial Parainfo, primera edición

2. http://www.domotica.net/foro/topic.asp?TOPIC_ID=656, Fecha de

consulta: 13/02/06, 1

3. http://www.grupodomotica.com/index2 , Fecha de consulta:8/07/05, 1

4. http://www.proinssa.com , Fecha de consulta:26/08/05, 1

5. http://www.domodesk.com, Fecha de consulta:15/09/05, 1

6. http://www.domospain.com , Fecha de consulta:18/09/05, 1

7. http://www.keytronics.com.mx/sistema.html , Fecha de consulta:5/10/05,

1

8. http://www.dane.gov.co, Fecha de consulta:05/03/06, 1

9. http://www.wilcatec.net, Fecha de consulta:16/08/06, 3

10.http://parque.manizales.unal.edu.co/parque/portal/index.php?

option=content&task=view&id=50&Itemid= , Fecha de

consulta:19/04/06, 1

11.http://mecatronica.unab.edu.co/Pdf/ProyectoIntegradorII_2004/II-

2004_mktk_III.doc , Fecha de consulta:26/05/06, 1

195

http://www.dane.gov.co/


12.http://revistaingenieria.univalle.edu.co/paquetes/busqueda/index.php?

Accion=DetalleArticulo&art_codigo=103&PHPSESSID=, Fecha de


13.http://energiaycomputacion.univalle.edu.co/edicion19/19art10.pdf,

Fecha de consulta:26/05/06, 1

14.http://revistaing.uniandes.edu.co/pdf/Rev18-6.pdf?

ri=fb114325f9b8cc8b79ff1a c45938cc7c, Fecha de consulta:15/06/06, 2

15.http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/lopez_m_j/

capitulo_1.html, 16/08/07, 1

16.http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/lopez_m_j/

resumen.html#, 16/08/07, 1

17.http://www.asimelec.es/home2.asp, 16/08/07, 1

18.http://www.cenelec.org/Cenelec/Homepage.htm, 16/08/07, 1

19.http://www.aenor.es/desarrollo/aenor/quees/quees.asp, 16/08/07, 2

20.http://www.microsoft.com/downloads/browse.aspx?

displaylang=en&productID= F3187BDF-7A6F-4288-AA72-

C60209F3128D, 19/08/07, 3

21.http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?

c=19&m=164&idm=26&pat=148&n2=148, 20/08/07, 2


c=143&m=164&idm=152&pat=148&n2=148, 20/08/07, 2


c=17&m=164&idm=24&pat=148&n2=148, 20/08/07, 3


c=28&m=164&idm=35&pat=148&n2=148, 20/08/07, 1

196

http://www.aenor.es/desarrollo/aenor/quees/quees.asp

http://es.wikipedia.org/wiki/CENELEC,%2016/08/07

http://es.wikipedia.org/wiki/ASIMELEC,%2016/08/07

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/lopez_m_j/resumen.html

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/lopez_m_j/resumen.html

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/lopez_m_j/capitulo_1.html

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/lopez_m_j/capitulo_1.html



c=140&m=164&idm=149&pat=148&n2=148, 20/08/07, 2


c=20&m=164&idm=27&pat=148&n2=148, 20/08/07, 4


c=142&m=164&idm=151&pat=148&n2=148, 20/08/07, 3


c=25&m=164&idm=32&pat=148&n2=148, Fecha de consulta:20/08/07,

2

29.http://www.sena.edu.co/NR/rdonlyres/40213320-F6B3-493E-91A3-

7BDF0016EBD0/0/SEPARATAFONDOEMPRENDERFEBRERO27.pdf, Fecha

de consulta:20/08/07,16

30.http://www.prodomotica.com/janocom/funcionajanocom.htm, Fecha de


31.http://www.hot.com.co/compania.htm, Fecha de consulta:23/08/07, 1

32.http://www.hot.com.co/prod_sistcontrol.htm, Fecha de

consulta:23/08/07,1

33.http://www.bjc-domotica.com, Fecha de consulta:23/08/07, 1

34.http://www.sistemasdomotic.com.ar, Fecha de consulta:23/08/07, 1

35.http://triton.javeriana.edu.co/carrera/tgrado/2002-1/sistedomest.pdf,

Fecha de consulta:23/08/07, 4

36.http://jabega.uma.es/search*spi/Xdomotica&searchscope=4&SORT=D/

Xdomotica&searchscope=4&SORT=D&extended=0/1%2C23%2C23%2C

B/frameset&FF=Xdomotica&SORT=D&10%2C10%2C, Fecha de


197


37.1994 Buyer's Guide. Voice Processing Magazine, 5, 12, (1993), 35

38.Peacocke, R. D., Graf, D. H. An Introduction to Speech and Speaker

Recognition. IEEE Computer, 23, 8, (August 1990) pp. 26-33

39.Jones, D. M., Hapeshi, K., Frankish, C. Design Guidelines for Speech

Recognition Interfaces. Applied Ergonomics, 20, (1990), pp. 40-52.

40.http://www.domoticgrup.com/categorias.cgi?id=4, Fecha de


41. Uribe Iván Amón, Correa Cadavid Carlos Mario, Investigación del

mercado domótico colombiano, Universidad Pontificia Bolivariana, enero

20 de 2007, 201

42.http://www.dane.gov.co/censo/files/boletines/discapacidad.pdf, Fecha de


43.http://monografias.com/trabajos901/fundamentos-basicos-

reconocimiento-voz/fundamentos-basicos-reconocimiento-voz.shtml?

monosearch#Intro, Fecha de consulta:29/09/07, 3

44. http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/1773.pdf, Fecha de

consulta: 28/10/07, 13

45. http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX220-MAX249.pdf. Fecha de

consulta: 31/10/07, 36

46.http://www.laneros.com/showthread.php?t=46892 Fecha de

consulta: 31/10/08, 36

47.http://www.iearobotics.com/proyectos/cuadernos/ct1/ct1.htm Fecha de

consulta: 31/10/08, 1

20. Anexos

Anexo 1, Protocolo CEBUS

198


Anexo 2, European installation BUS

Anexo 3, KONNEX

Anexo 4, Protocolo X 10

Anexo 5, Protocolo ZIGBEE

Anexo 6, BATIBUS

Anexo 7, LONWORKS

Anexo 8, Eurpean Home System

Anexo 9, Protocolo UPnP

Anexo 10, Código de software

199


ANEXO 11

PLANOS PLANTA

200

domotica habitacion controlada por voz para personas con discapacidades fisicas

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