Sistema domótico Winkhel

1. Principales característicasEs un sistema desarrollado por la empresa ICTel que tiene las siguientes características:• Es un sistema tipo bus• Es descentralizado (cada elemento puede funcionar en modo autónomo por sí

mismo)• Es compatible con la plataforma de hardware libre Arduino• Utiliza un protocolo abierto llamado Modbus

2. Protocolo ModbusModbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI,basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLC's).Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industriaes el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivoselectrónicos industriales. Las razones por las cuales el uso de Modbus es superiora otros protocolos de comunicaciones son:-es público-su implementación es fácil y requiere poco desarrollo-maneja bloques de datos sin suponer restricciones

Modbus permite el control de una red de dispositivos, por ejemplo un sistema de medida de temperatura y humedad, y comunicar los resultados a un ordenador. Modbus también se usa para la conexión de un ordenador de supervisión con una unidad remota en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA). Existen protocolos Modbus para puerto serie (Modbus RTU) y Ethernet (Modbus TCP).

Principales características de Modbus:Control de acceso al medio tipo Maestro/Esclavo.A cada esclavo se le asigna una dirección fija y única en el rango de 1 a 247.La dirección 0 está reservada para mensajes de difusión sin respuesta (broadcast)

El protocolo Modbus usa el concepto de tablas de datos para almacenar lainformación en un esclavo. Una tabla de datos no es más que un bloque dememoria usado para almacenar datos en el esclavo. Las tablas de datos que usaMODBUS son cuatro:-Output Coils (lectura/escritura)-Input Contact (lectura)-Inputs Registers (lectura)-Holding Register (lectura/escritura)

Output Coils: en Modbus un coil representa un valor booleano típicamente usadopara representar una salida. Sólo hay dos estados para el coil, ON y OFF. Porejemplo, una tarjeta de relés puede usar coils para activar o desactivar cada relé.El coil puede verse como una celda de memoria que permite almacenar el estadode 1 bit.Holding Register: son registros de lectura/escritura de 16 bits capaces dealmacenar números entre 0 y 65535. El maestro puede hacer peticiones para leerel dato que está almacenado, o puede enviar peticiones para escribirle un valor al

registro holding en el momento que se requiera.

Formato General de las Tramas:

El campo función puede ser:

Ejemplo de funcionamiento de la función 04:

3. Medios físicos de comunicaciónEl sistema domótico Winkhel utiliza como medios de transporte para la comunicación:• Cable de par trenzado: se utiliza un par trenzado para formar un bus de

comunicación serie (sobre RS485) entre los elementos del sistema

• Red Ethernet: la transmisión se realiza utilizando el soporte de una red Ethernet local (LAN) o a través de internet. Se utiliza para controlar la domótica desde un ordenador o un dispositivo móvil.

4. DispositivosLos elementos domóticos del sistema Winkhel se caracterizan por estar basados en microcontroladores ATMEGA de ATMEL compatibles con la plataforma Arduino.

• WK0100: posee entradas y salidas digitales y analógicas, puerto RS485 y puerto I2C. Tiene un microcontrolador ATMEGA328

• WK0200: lector de tarjetas RFID y una salida digital. Existen dos versiones:

Versión I2C: no tiene microcontrolador y se puede conectar a un WK0100, WK0500 o WK0400 por I2C

Versión RS485: tiene un microcontrolador ATMEGA328

• WK0300: diseñado para el control del motor de 1 persiana. Tiene un microcontrolador ATMEGA168

• WK0400: posee entradas y salidas digitales, puerto RS485, puerto I2C. Tiene un microcontrolador ATMEGA168. Existen dos versiones: alimentación a 230Vaco alimentación a 24 Vdc

• WK0500: pasarela de comunicaciones que posee puerto Ethernet, puerto serieTTL, puerto RS232, puerto RS485 y puerto I2C. Tiene un microcontrolador ATMEGA2560

• WK0600: termostato con puerto RS485, entradas analógicas y salidas digitales y analógicas

• WK0700: salidas analógicas para regulación de 0 a 10 Vdc. No tiene

microcontrolador. Posee puerto I2C y se puede conectar a un WK0100, WK0500o WK0400

Los dispositivos con puerto RS485 reciben dos hilos de bus con cable de par trenzado, además de otros dos hilos de alimentación, normalmente 24 Vdc.

Los dispositivos que solamente tienen puerto I2C utilizan un conector RJ12 por el cual se comunican por dos hilos y se alimentan por otros dos hilos.

5. Topología de redEl sistema domótico Winkhel utiliza el protocolo de comunicación Modbus RTU sobre RS485 y Modbus TCP sobre Ethernet. La topología está basada en un maestro Modbus (WK0500) y esclavos Modbus (WK0100, WK0200, WK0300, WK0400 o WK0600) conectados entre sí por el puerto RS485 con protocolo Modbus RTU. Además, la pasarela WK0500 se comunica por Modbus TCP con un router IP sobre Ethernet. De esta manera, el sistema domóticopuede ser gestionado a través de la red local o inalámbrica, o incluso desde internet, con dispositivos portátiles como teléfonos móviles, tabletas o portátiles.

6. Programación de los módulos WinkhelLos módulos Winkhel son compatibles con la plataforma Arduino. Para poder proramarlos desde el IDE de Arduino han de tener precargados en memoria un gestor de arranque llamado bootloader. El bootloader es un programa que hace que la placa esté “esperando” a que se le cargue un programa.Los módulos Winkhel como el WK0100 y el WK0500 se pueden conectar directamente a un PC a través de un cable USB. Estos módulos se pueden programar directamente desde el entorno Arduino si tienen el bootloader cargado.Otros módulos Winkhel como el WK0200, WK0300 o WK0400, como no tienen conector USB, necesitan un convertidor USB-RS485 para poder enviarles el

programa desde el IDE de Arduino (para ello han de tener también el bootloader precargado).También es posible enviar un programa a cualquier módulo Winkhel sin bootloader. Para ello se debe usar el conector ISP, que poseen todos los módulos, junto con un programador AVR y el software adecuado:

-Con el sofware Atmel Studio: se envía al microcontrolador el programa ya compilado (tiene la extensión .HEX), a través del programador AVR.-Con el programa AVRDUDE: se envía al microcontrolador el programa ya complidado (tiene la extensión .HEX), a través del programador AVR.

En resumen, el bootloader es un programa más, cuando quiero lo envío (viene conel entorno IDE de Arduino) y tengo un Arduino; y cuando no, envío mi programa compilado a través de un grabador AVR y ya no tengo un Arduino, tengo una placa electrónica con un microcontrolador Atmel funcionando con mi programa.

Programación de los módulos Winkhel con el software de Atmel Studio:Se conecta un programador para micros de Atmel, como el AVRISP mkII, al conector ISP del módulo Winkhel y al puerto USB del PC.

Se escoge la opción Tools/Device Programming y a continuación:• Escoger en Tool:grabador AVRISP mkII• Escoger en Device: tipo de micro Atmel que lleva el módulo• Escoger en Interface: ISP• Pulsar en Device ID Read para comprobar si se ha escogido el micro bien• Seleccionar Memories• Escoger en el campo Flash el fichero HEX que queremos programar• Pulsar Program

Programación de los módulos Winkhel con el software de AVRDUDE:Se conecta un programador para micros de Atmel, como el AVRISP mkII, al conector ISP del módulo Winkhel y al puerto USB del PC.

-Instalar WinAVR para tener el AVRDUDE

-Para ejecutar AVRDUDE seguir los pasos del siguiente tutorial: http://www.ladyada.net/learn/avr/avrdude.html

Ejemplo para WK0500:c:\>avrdude -c avrispmkII -P com4 -p m2560 -U flash:w:fichero.hex-c avrispmkII: programador Atmel AVR ISP mkII-P com4: puerto en el que está conectado el programador-p m2560: micro Atmega2560-U flash: memoria de grabación flashw: escribir

Programación de los módulos Winkhel con el IDE de Arduino:

Para que los módulos Winkhel puedan programarse desde el IDE de Arduino han detener precargado el bootloader. Para ello podemos copiar el programa bootloader deotro módulo que lo tenga grabado, o por ejemplo, utilizar un Arduino que tenga elmismo microcontrolador que el módulo Winkhel y leer el programa que tiene precargadoen la memoria Flash con el software de Atmel Studio.

Módulos Winkhel Micro Atmel Equivalente Arduino

WK0100, WK0200 ATMEGA328 Arduino Diecimilla

WK0300, WK0400* ATMEGA168 Arduino MINI

WK0500 ATMEGA2560 Arduino MEGA 2560*Los nuevos módulos WK0400 vienen con el micro ATMEGA328

Para copiar el bootloader: se conecta un programador para micros de Atmel, como el AVRISP mkII, al conector ISP de un Arduino y al puerto USB del PC.

En el programa Atmel Studio se escoge la opción Tools/Device Programming y a continuación:

• Escoger en Tool:grabador AVRISP mkII• Escoger en Device: tipo de micro Atmel que lleva el Arduino• Escoger en Interface: ISP• Pulsar en Device ID Read para comprobar si se ha escogido el micro bien• Seleccionar Memories• Pulsar Read en el campo Flash y guardar el fichero HEX

Para grabar el bootloader: se conecta el módulo Winkhel al conector ISP del programador AVRISP mkII y al puerto USB del PC

En el programa Atmel Studio se escoge la opción Tools/Device Programming y a continuación se siguen los pasos para programación de módulos Winkhel con el software Atmel Studio y se selecciona el fichero HEX que anteriormente hemos copiado de un micro con bootloader.

7. Firmware de los módulos WinkhelCada módulo Winkhel puede ser cargado con diferentes programas. Dependiendo del programa cargado, el dispositivo actúa de forma diferente. A continuación se comentan los firmwares disponibles para cada dispositivo.

• WK0500:wk0500_micro2560.cpp.hexImplementa un maestro Modbus RTU y un servidor Modbus TCP.A través de un programa cliente TCP llamado Inmotica_Winkhel.exe se realiza la gestión de la domótica. El módulo WK0500 atiende a estas solicitudes y las envía a los esclavos Modbus RTU.wk500_V23_cerradura_modificando_monedero.cpp.hexImplementa un maestro Modbus RTU y un servidor Modbus TCP como el anterior con la diferencia de que la funcionalidad monedero electrónico se ha sustituído

por un control de accesos para abrir cerraduras electrónicas.

• WK0400:wk0400_micro168.cpp.hexPermite la conmutación de cada relé Ri de salida con cada entrada digital Ei.Es un esclavo modbus RTU cuya dirección es igual a 30H + valor de los 4 microinterruptores que se encuentran en la placa.

• WK0300:wk0300_dirMB20_micro168.cpp.hexImplementa un esclavo Modbus RTU con dirección 20H que permite controlar una persiana en modo local (con las entradas E1 y E2) y en modo remoto a través del bus RS485.Para cambiar su dirección Modbus se pueden enviar comandos Modbus desde el PCcon un programa (por ejemplo: Modbus Poll)

• WK0200:wk0200_dirMB10_micro328.cpp.hexImplementa un esclavo Modbus RTU con dirección 10H que permite controlar una salida digital por relé cuando una tarjeta RFID que ha sido previamente dada de alta en el programa Inmotica_Winkhel.exe se aproxima al módulo WK0200.

• WK0100:wk0100_dirMB15_micro328.cpp.hexPermite la conmutación de cada relé Ri de salida con cada entrada digital Ei.Es un esclavo modbus RTU cuya dirección por defecto es igual a 15H.Para cambiar su dirección Modbus se pueden enviar comandos Modbus desde el PCcon un programa (por ejemplo: Modbus Poll)

8. Simulador de maestro Modbus: Modbus poll

Modbus Poll es un simulador de maestro Modbus que permite monitorizar esclavosModbus desde un ordenador. Desde este programa simplemente se especifica: el ID del esclavo Modbus, la función, la dirección, el tamaño y velocidad de “poll rate”. Se pueden leer y escribir registros (registros) y bobinas (coils). Si se quiere cambiar un simple registro, solo hay que hacer doble clic en el valor. También se pueden cambiar múltiples registros/bobinas.

Para usar el ordenador con Modbus Poll como maestro Modbus debemos conectar un conversor USB a RS485 como el de la figura a los esclavos Modbus a través de un par trenzado (hay que recordar que el protocolo Modbus sólo permite tener un maestro Modbus en el bus, por lo tanto si se está usando otro maestro, como por ejemplo el WK0500, éste se debe desconectar del bus mientras estemos usando elModbus Poll.

En el administrador de dispositivos del ordenador tenemos que averiguar en qué COM está (en este ejemplo en el COM3):

En el programa Modbus Poll: seleccionamos Connection y después Conect. A continuación configuramos la conexión como en la figura:Conexión por puerto serie, a través del COM que se haya creado al conectar el conversor USB a RS485, y con los parámetros de puerto serie: 9600 Baudios, 8 bits de datos, Sin

paridad y 1 bit de Stop:

Después de que la conexión esté establecida ya se pueden leer o escribir en los registros Modbus. Para ello se escoge la opción Setup y después Read/Write Definition. En la siguiente figura se muestra cómo del esclavo con dirección 30 queremos leer Holding Registers a partir del registro 0, en total 4 registros:

El resultado de la lectura (después de escoger en Display el formato HEX) nos quedaría como en la siguiente figura:

9. Comandos Modbus de los esclavos WinkhelEl esclavo Modbus RTU Winkhel 0400 utiliza los siguientes Holding Register (HR) para comunicarse con el maestro RTU Winkhel 0500:

HR[0] Para recibir los comandos que llegan del maestro RTU. Cuando su valor es 0xFFFF significa que no ha llegado ningún comando

HR[1] Argumento del comando Modbus

HR[2] Tiempo de activación de la salida

HR[3] Entradas (byte bajo) y salidas (byte alto) digitales

HR[4] Valor del potenciómetro

HR[5] Valor de la entrada analógica

HR[6] Contador de errores Modbus

El esclavo Modbus RTU Winkhel 0400 puede recibir los siguientes comandos en el Holding Register[0]:

HR[0]=0x24=37 Regular analógica. En el HR[5] recibe indicación de qué valor debe tener la salida analógica. En el HR[2] recibe indicación de cuánto tiempo en msegs debe estar activada dicha salida

HR[0]=0x25=38 Activar salidas. En el HR[1] recibe indicación de qué salidas digitales deben activarse. En el HR[2] recibe indicación de cuánto tiempo en msegs deben estar activadas dichas salidas

HR[0]=0x26=39 Desactivar salidas. En el HR[1] recibe indicación de qué salidas digitales deben

desactivarse.

HR[0]=0x27=40 Activar/Desactivar salidas. En el HR[1] recibe indicación de qué salidas digitales deben activarse o desactivarse.

El esclavo Modbus RTU Winkhel 0300 utiliza los siguientes Holding Register (HR) para comunicarse con el maestro RTU Winkhel 0500:

HR[0] Para recibir los comandos que llegan del maestro RTU. Cuando su valor es 0xFFFF significa que no ha llegado ningún comando

HR[1] Grupos para órdenes broadcast

HR[2] Estado de la persiana (1=parada, 2=subiendo, 3=bajando, 4=arriba, 5=abajo)

HR[3] Grupos configurados en la persiana (para broadcast)

HR[4] Versión del Hardware (byte bajo) y Software (byte alto)

HR[5] Contador de errores en la comunicación Modbus desde el último reinicio

HR[6]

HR[7]

El esclavo Modbus RTU Winkhel 0300 puede recibir los siguientes comandos en el Holding Register[0]:

HR[0]=0x28=40 Subir persiana

HR[0]=0x29=41 Bajar persiana

HR[0]=0x2A=42 Detener persiana

HR[0]=0xAD=173 Modificar la dirección Modbus. La nueva dirección Modbus se le envía en el HR[1] con un valor entre 1 y 246.

HR[0]=0xBA=186 Modificar la velocidad de comunicación. La nueva velocidad de comunicación se le envía en el HR[1] con un valor entre 1 y 6 (1=9600, 2=14400, 3=19200, 4=38400, 5=57600, 6=115200)

HR[0]=0xFA=250 Volver a valores de fábrica

El esclavo Modbus RTU Winkhel 0100 utiliza los siguientes Holding Register (HR) para comunicarse con el maestro RTU Winkhel 0500:

HR[0] Para recibir los comandos que llegan del

maestro RTU. Cuando su valor es 0xFFFF significa que no ha llegado ningún comando

HR[1] Argumento del comando Modbus

HR[2] Tiempo de activación de la salida

HR[3] Entradas (byte bajo) y salidas (byte alto) digitales

HR[4] Valor del potenciómetro

HR[5] Valor de la entrada analógica

HR[6] Contador de errores Modbus

El esclavo Modbus RTU Winkhel 0100 puede recibir los siguientes comandos en el Holding Register[0]:

HR[0]=0x25=38 Activar salidas. En el HR[1] recibe indicación de qué salidas digitales deben activarse. En el HR[2] recibe indicación de cuánto tiempo en msegs deben estar activadas dichas salidas

HR[0]=0x26=39 Desactivar salidas. En el HR[1] recibe indicación de qué salidas digitales deben desactivarse

HR[0]=0x27=40 Activar/Desactivar salidas. En el HR[1] recibe indicación de qué salidas digitales deben activarse o desactivarse

10. Programa de control para WindowsCon el programa de control Domotica_Winkhel.exe vamos a manejar la instalación

desde un ordenador.El maestro del sistema (WK0500) tiene la dirección IP 10.0.0.166. Nuestro PC debe

estar configurado para poder acceder a esta dirección (por ejemplo asignando al PC la dirección 10.0.0.8).

Abrir el programa de Configuración (Inmotica_Arduino.exe) que nos permite configurar elementos. Al arrancar el programa se conecta con el maestro.

Para dar de alta elementos en el maestro WK0500 hay que abrir la ventana siguiente en Remotos Alta/Baja de elementos:

Para dar de alta un punto de luz simple: hay que seleccionar en “Alta de elemento digital” la opción Luz simple e indicar la dirección modbus del módulo Winkhel en la quese encuentra conectada, así como el Canal o relé de salida en el que está conectado en ese módulo, y pulsar el botón Enviar. En este ejemplo se han dado de alta dos puntos de luz simples conectados en un módulo cuya dirección modbus es la 31; una luz se encuentra conectada en el canal 1 y otra en el canal 2.

De igual manera se daría de alta un enchufe. En este ejemplo se han dado de alta dos enchufes conectados a un módulo cuya dirección modbus es la 33; un enchufe se encuentra conectado en el canal 0 y otro en el canal 1.

Para dar de alta un módulo de persianas WK0300 hay que seleccionar “Alta de Persiana” la dirección modbus del módulo, y pulsar el botón Enviar. En este ejemplo se han dado de alta 5 persianas cuyos módulos tienen las direcciones modbus de la 20 a la 24.

Para dar de alta un punto de luz regulado con control de 0 a 10 V, conectado en el módulo con dirección modbus 31 y conectado al relé 0 hay que poner canal 10.

Para dar de alta una tarjeta RFID para usar como tarjeta monedero o como tarjeta para control de accesos se debe indicar la dirección modbus del módulo Winkhel que tiene el lector RFID. En este ejemplo, el lector tiene la dirección modbus 10.Para dar de alta una tarjeta RFID y autorizarla en el sistema hay que escoger la opción Control Manual/Gestión de tarjetas y tendremos la siguiente ventana:

Si tenemos en el maestro el firmware que implemente un monedero electrónico en esta ventana damos de alta o de baja una tarjeta RFID y podemos incrementar su saldo en unidades naturales o consultar su saldo. El saldo cada vez que pase por el lector RFID se decrementará en una unidad.Si tenemos en el maestro el firmware wk500_V23_cerradura_modificando_monedero.cpp.hex usaremos esta tarjeta para control de accesos. Sólo es necesario dar de alta o de baja las tarjetas RFID. El campo de saldo no se tiene en cuenta.

Una vez que todos los elementos están dados de alta en el maestro, al pulsar sobre sus iconos se pueden manejar los elementos para activar, encender/apagar, regular, subir/bajar persiana:

El programa asigna un nombre a cada elemento que puede ser cambiado simplemente escribiendo sobre el nombre y pulsando finalmente en el icono del lápiz.

Es posible agrupar elementos del mismo tipo: luces simples o enchufes o persianas, por ejemplo para crear grupos. En el siguiente ejemplo se muestra un grupo creado con las 5persianas:

El grupo se maneja de forma similar a los elementos simples pero actúa sobre todos los elementos del grupo. Por ejemplo, en la siguiente figura se suben o bajan a la vez las 5 ventanas:

Para dar de alta otro elemento, por ejemplo una tira de LEDs RGB controlada por I2C con un controlador PWM desde un módulo Winkhel con dirección 31 debemos ir a “Alta de punto de iluminación RGB” y seleccionar dirección 31, canal 11 y después pulsar enviar.

En la siguiente ventana se pueden ver todos los módulos dados de alta:

Cuando se ha terminado de dar de alta los elementos que se quieren controlar abrimos el programa Domotica_Winkhel.exe. Todos los elementos que hemos dado de alta se encuentran “apilados” en la esquina superior derecha. Para ir moviéndolos se seleccionan con el botón derecho del ratón y se fijan en la posición deseada pulsando el botón izquierdo del ratón. El programa permite escoger el plano de la vivienda deseada y sobre ella se van colocando los elementos. En este ejemplo tenemos un boceto de un plano del Taller 4. Pulsando con el botón izquierdo sobre cada elemento podemos controlar sus distintas funciones como con el programa anterior.

Se puede pasar del programa Domotica_Winkhel.exe al Inmotica_Arduino pulsando a la derecha en “Configuración”.Nos aparecerá una ventana como la siguiente:

Debemos pulsar en Diagnóstico (opciones avanzadas) y nos pedirá confirmación para desconectar un programa y conectar otro:

Aceptamos para continuar y nos aparece la ventana siguiente para conectarse de nuevo al maestro:

11. Programa de control para AndroidCon el programa de Android “Winkhel Building Automation” se puede manejar la instalación domótica desde un móvil o una tableta con Android. Para ello, el maestro WK0500 debe estar conectado a un router WiFi.