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UNIVERSIDAD UTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE DISPOSITIVOS
INALÁMBRICOS PARA EL CONTROL DOMÓTICO DE UNA
VIVIENDA DESDE UN SMARTPHONE CON PLATAFORMA
ANDROID
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
KLEVER ANDRÉS CHIRIBOGA SUQUILLO
DIRECTOR: MSC. JUAN CARLOS RIVERA
QUITO, SEPTIEMBRE DE 2018
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© Universidad UTE 2018.
Reservados todos los derechos de reproducción.
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FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172103656-2
APELLIDO Y NOMBRES: Chiriboga SuquilloKlever Andrés
DIRECCIÓN: Alangasí Calle Simón Bolivar
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022787808
TELÉFONO MOVIL: 0996457388
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con
plataforma Android
AUTOR O AUTORES: Klever Andrés Chiriboga Suquillo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
03 de Julio de 2018
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Msc. Juan Carlos Rivera
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo consiste en el diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android. El diseño se lo realizó con la motivación de utilizar plataformas de código abierto, para lo cual se comprobó que se pueden desarrollar muchas aplicaciones útiles, aumentando el confort y optimizando el consumo de energía. El sistema se diseñó para lograr controlar, los dispositivos electrónicos que se encuentran comúnmente instalados en el hogar; monitorear la seguridad, tanto desde la parte interna como externa; además de optimizar el consumo energético. Logrando que el usuario del sistema pueda interactuar con el hogar. El sistema mantiene un protocolo de comunicación WiFi entre los distintos equipos para controlar y monitorear los mismos. Para el control desde el exterior de la vivienda se creó una aplicación para Smartphone que funciona en la plataforma Android; el cual permite recibir y enviar datos desde el hogar a cualquier lugar del mundo y viceversa, donde el usuario tenga conexión a internet. Para el sistema de control se tomó en cuenta dos factores, manual y automático; que permiten al usuario desbloquear todo el sistema en caso de falla de energía eléctrica, desde un tablero de control ubicado dentro del hogar. El tablero de control también me permite monitorear e interactuar desde una
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mailto:[email protected]
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pantalla, teclado y mouse ubicados en el mismo. El sistema se puede controlar ya sea desde la parte del tablero de control o desde el Smartphone teniendo las mismas funciones en ambos casos.
PALABRAS CLAVES: Mecatrónico, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone
ABSTRACT:
This work involves the design and implementation of wireless devices for a home automation control from a Smartphone with Android platform. The design was made with the motivation to use open source platforms for which it was found that can develop many useful applications, improving comfort and optimize energy consumption. The system was designed to achieve control, electronic devices that are commonly installed in the home; monitor security, both from the inside and externally; and optimize energy consumption. Making the system user can interact with the home. The system maintains a wireless communication protocol between different computers to control and monitor them. For control from the outside of the housing an application for Smartphone that runs on the Android platform was created; which can receive and send data from home to anywhere in the world, where the user has an Internet connection. For the control system took into account two main factors, locked and unlocked; allowing the user to unlock the entire system in case of power failure from a control panel located inside the home. The control panel also allows me to monitor and interact from a screen, keyboard and mouse located in the same. The system can be controlled either from the control of the board or the Smartphone having the same functions in both cases.
KEYWORDS
Mechatronics, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
Digital de la Institución.
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
CI: 172103656-2
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DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, Klever Andrés Chiriboga Suquillo, CI172103656-2autor del proyecto
titulado:“Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el
control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma
Android.”,previo a la obtención del título de Ingeniero en Mecatrónica en la
Universidad UTE.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo
144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la
SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de
graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión
pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una copia
del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un
Repositorio que democratice la información, respetando las políticas
de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 25 de Septiembre de 2018
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
CI 172103656-2
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DECLARACIÓN
Yo Klever Andrés Chiriboga Suquillo, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad UTE puede hacer uso de los derechos correspondientes a
este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normativa institucional vigente.
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
C.I.: 172103656-2
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una
vivienda desde un Smartphone con plataforma Android.”, que, para aspirar al
título de Ingeniero en Mecatrónica, fue desarrollado por Klever Andrés
Chiriboga Suquillo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de
Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el
reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.
f:
Msc. Juan Carlos Rivera
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I.: 0501373823
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DEDICATORIA
Este título se lo dedico a mi familia, en especial a mi padre y a mi madre que
dieron e hicieron todo por verme ser un ingeniero y una gran persona.
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AGRADECIMIENTO
Agradezco en especial a Dios y a toda mi familia que han estado a mi lado
apoyándome y dándome el soporte necesario durante todo este tiempo
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ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA
RESUMEN ................................................................................................... 12
ABSTRACT ................................................................................................. 13
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 8
2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................. 2
3. METODOLOGÍA ...................................................................................... 26
4. DISEÑO ................................................................................................... 30
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO ..................... 31
4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN ................................................................. 36
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ................................................ 41
CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA .................................... 43
4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL ................................................... 45
4.6 DISEÑO PLACA WIFI ............................................................................ 50
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................. 52
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ...................................................... 57
PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS ..................... 57
5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y
ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL ............................ 60
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 62
CONCLUSIONES ........................................................................................ 63
RECOMENDACIONES ................................................................................ 65
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................ 66
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ÍNDICE DE TABLAS PÀGINA
Tabla 1. Características del contacto magnético ......................................... 33
Tabla 2. Características de los detectores de rotura de cristales ................ 34
Tabla 3. Características del detector de humo ............................................ 34
Tabla 4. Características del sensor de movimiento ..................................... 34
Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad ................. 35
Tabla 6. Características de la sirena ........................................................... 35
Tabla 7. Características del motor de puerta ............................................... 36
Tabla 8. Características del calefactor ........................................................ 36
Tabla 9. Tabla de características para la selección de luminarias............... 37
Tabla 10. Tabla de factores de diseño ........................................................ 38
Tabla 11. Tabla de normas para iluminación ............................................... 39
Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables .................................... 39
Tabla 13. Tabla de selección de luminarias ................................................ 40
Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto ...................................... 53
Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta ......................... 59
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ÍNDICE DE FIGURAS PAGINA
Figura 1. Metodología aplicada al proyecto 17
Figura 2. Esquema de hogar digital 21
Figura 3. Sensor de presencia 22
Figura 4. Sensor magnético 22
Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada 23
Figura 6. Metodología mecatrónica aplicada al proyecto 27
Figura 7. Esquemático de sensores 28
Figura 8. Esquemático de actuadores 28
Figura 9. Esquemático video vigilancia 28
Figura 10. Esquemático video vigilancia 29
Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa 31
Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel
de control 32
Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha
de baloncesto 32
Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de
ingreso a la propiedad 33
Figura 15. Tipos de iluminación 37
Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa 40
Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa 40
Figura 18. Página web oficial de Raspberry Pi 42
Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines 42
Figura 20. Reservación de direcciones IP 43
Figura 21. Software requerido para la configuración de la placa
Raspberry Pi 43
Figura 22. Conexión de servidor 44
Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin 45
Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor 46
Figura 25. Programación de la pantalla del índice en App Inventor 46
Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App Inventor 47
Figura 27. Pantalla de control de puerta implementada en Android 48
Figura 28. Programación de la pantalla de control de motores en App
Inventor 48
Figura 29. Pantalla de iluminación implementada en Android 49
Figura 30. Pantalla de cámaras implementada en Android 49
Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android 50
Figura 32. Pantalla de escena 2 implementada en Android 50
Figura 33. Pruebas protoboard 51
Figura 34. Placa electrónica aislada 51
Figura 35. Conexiones del tablero de control 54
Figura 36. Protecciones y fuente de voltaje del sistema de control 54
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Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el
tablero de control 55
Figura 38. Instalación del sensor magnético 55
Figura 39. Instalación de sensor de humo 56
Figura 40. Instalación de sensor de movimiento 56
Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje 56
Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema 57
Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio 1 57
Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1 58
Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía
internet 61
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RESUMEN
Se diseñó e implementó dispositivos inalámbricos para el control domótico
de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android. Se integró
varios sub sistemas como son video vigilancia, seguridad interna, sistema
contra incendios e iluminación a un sistema maestro el cual permite fusionar
los sistemas anteriormente descritos a una sola plataforma. El sistema logró,
controlar, los dispositivos electrónicos que se encuentran comúnmente
instalados en el hogar; monitorear la seguridad del mismo, tanto desde la
parte interna como externa; además de optimizar el consumo energético.
Logrando que el usuario del sistema pueda interactuar con el hogar desde
una sola aplicación.
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13
ABSTRACT We designed and implemented wireless devices for the home automation
control of a home from a Smartphone with Android platform. Several sub
systems were integrated such as video surveillance, internal security, fire
protection system and lighting to a master system which allows to merge the
previously described systems to a single platform. The system achieved,
control, the electronic devices that are commonly installed in the home;
monitor the security of the same, both from the internal and external part; in
addition to optimizing energy consumption. Achieving that the user of the
system can interact with the home from a single application
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1. INTRODUCCIÓN
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15
La domótica en el país está desarrollándose a paso lento, ya que existen
muchas dificultades en el momento de la implementación dentro de los
hogares, ya que para lograr un hogar domótico se necesita un sistema
maestro el cual permita controlar a varios subsistemas; en este caso
llamaremos sistema a la unión de varios subsistemas como son el de video
vigilancia, seguridad y control de iluminación los cuales serán monitoreados
y accionados desde un sistema maestro.
Para lograr que los subsistemas se comuniquen entre sí, actualmente se
utiliza cableado externo para la unión de cada dispositivo electrónico entre
las distintas centrales para ello, se realiza readecuaciones a las estructuras
internas y externas de los hogares donde se lleva acabo las
implementaciones domóticas ocasionando que al valor de las mismas se
sume valores de remodelaciones civiles.En otras ocasiones se ha tenido que
colocar canaletas plásticas expuestas para llevar los cables necesarios con
los cuales se alimentan los dispositivos o se comunican, estropeando la
fachada de los lugares a ser implementados los sistemas domóticos.
Como se detalla anteriormente todos estos subsistemas se monitorean o
controlan individualmente no existe actualmente un sistema maestro el cual
los comunique y logre realizar la unión de mismos para que el usuario tenga
el control de todos estos subsistemas en una sola plataforma.
Al realizar este proyecto de titulación se realizó dispositivos inalámbricos los
cuales disminuyen los costos de instalación, logrando comunicar todos los
dispositivos a una tarjeta maestra; Raspberry Pi la cual recoge todos los
datos proporcionados por los distintos elementos electrónicos instalados
como son sensores de presencia, sensores de humo, cámaras de video
vigilancia y temperatura. Y acciona los distintos actuadores acoplados al
sistema.
Al acoplar todos los distintos sensores y actuadores a la tarjeta madre
Raspberry Pi se hace necesario desarrollar una plataforma mediante la cual
el usuario pueda monitorear los distintos subsistemas, para ello se desarrolló
una aplicación para teléfonos inteligentes “smartphone”, la cual permitirá
controlar y monitorear desde una sola aplicación los distintos subsistemas
acoplamos al sistema maestro. Cabe destacar que Intel propone un
argumento a tomar en cuenta en este trabajo, “Imagine cosas más
inteligentes y más conectadas”, donde define a las cosas conectadas a una
sólida red de diferentes dispositivos integrados con electrónica, software y
diferentes sensores que permiten intercambiar y analizar datos
prácticamente en tiempo real. (Alejandro. García, 2017).
En trabajos expuestos con anterioridad se desarrollan sistemas domóticos
con un sistema de control de luces los cuales constan de tres elementos
fundamentales: la interfaz de usuario que son instaladas en dispositivos
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16
móviles, la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi y la placa de potencia para el
encendido y apagado de las luminarias, ambas montadas en el interior de la
casa. La comunicación entre el dispositivo móvil y la tarjeta Raspberry Pi se
genera vía Web, ya sea mediante WiFi o transferencia de datos, a través de
una arquitectura cliente – servidor, lo cual permite el uso del sistema de
manera simultánea por más de un usuario. (Oscar May. Renan Quijano.
Fernando Fernández, 2015).
La comunicación inalámbrica de datos entre equipos electrónicos se aplica
cada vez más, las tecnologías existentes permiten realizar diseños cada vez
más eficientes sin necesidad de un amplio conocimiento y con un número
reducido de componentes externos. Lo cual se utiliza para lograr la
comunicación entre una interfaz HMI de control y monitoreo, conectándose a
un servidor web. Permitiendo ejecutar un método remotamente y recibir su
resultado como si se tratara de un método local a nuestro sistema. Cuando
se crean sistemas embebidos con adquisición de datos inalámbricos,
permitiendo controlar iluminación, acceso y alarma. (Christian Acosta, 2015).
Para la realización del presente trabajo de titulación se planteó el siguiente
objetivo general:
Diseñar e implementar dispositivos inalámbricos para el monitoreo y
control domótico de una vivienda desde un Smartphone con
plataforma Android desde el interior o exterior de la vivienda.
Mientras que los objetivos específicos son los siguientes:
Investigar las teorías y áreas de conocimientos que soportan o
sustentan la elaboración de los dispositivos.
Desarrollar dispositivos electrónicos que permitan controlar y
monitorear de manera inalámbrica la vivienda.
Realizar y configurar la red inalámbrica entre los distintos dispositivos
necesarios.
Desarrollar la aplicación Android para Smartphone que permita
monitorear y controlar los distintos tipos de dispositivos electrónicos
desde cualquier punto donde tenga acceso a internet.
El alcance de este trabajo de titulación es diseñar e implementar un sistema
domótico de una vivienda mediante plataformas de hardware de código
abierto, permitiendo controlar, manipular, recibir, e interactuar de una
manera fácil con los distintos dispositivos electrónicos existentes en el hogar.
El diseño del sistema domótico se basa en la unión de dos plataformas
“Arduino” y “Raspberry Pi”, logrando el control y monitoreo de las mismas
desde la red ya sea dentro o fuera del hogar domótico.
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Para el control y monitoreo se utiliza una aplicación desarrollada en software
libre para teléfonos inteligentes con plataforma Android que permite controlar
y monitorear los distintos datos del sistema, logrando el encendido o
apagado de distintos equipos, apertura y cierre de ventanas, puertas, etc.
obteniendo un monitoreo de la seguridad del hogar. Se destaca una
comunicación entre los equipos vía WiFi y entre los dispositivos mediante la
red con direcciones IP, las cuales permiten reflejar los datos a cualquier
parte del mundo, siempre y cuando se tenga conexión a internet.
Con este diseño se puede aumentar el confort de los propietarios de las
viviendas logrando disminuir el esfuerzo que se realiza dentro del hogar para
ejecutar acciones cotidianas dentro del mismo. (Figura 1).
Figura 1. Metodología aplicada al proyecto
Análisis del
Problema
Definición de
Requerimientos
Diseño
Implementación
Pruebas
Análisis de
Resultados
Sistema Domótico
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18
En instalaciones domóticas implementadas con anterioridad se hace
recurrente un gran problema; el cual es el cableado que es necesario
implementar para la alimentación y la comunicación de los dispositivos que
conforman dicho sistema, generando gastos extras a los sistemas,
deteriorando las fachadas internas y externas de las viviendas ya que estas
no cuentan con tuberías necesarias para la instalación de este tipo de
sistemas, lo cual hace necesario instalar canaletas plásticas para poder
alimentar y comunicar los dispositivos; ocasionando que las canaletas que
se instalan queden visibles, lo cual genera molestias en los usuarios.
En este proyecto de titulación se comunica a los elementos que conforman
el sistema mediante una señal WiFi la cual evita que se realice un cableado
para que los elementos envíen y reciban datos, eliminado la instalación de
las canaletas plásticas lo que causa que el precio del sistema en si
disminuya tanto por las canaletas como el cableado a cada elemento.
La domótica comprende de la unión de varios sistemas que en la actualidad
se implementan por separado como son: seguridad interna del hogar,
iluminación, video vigilancia, etc. Los cuales no poseen una plataforma que
los fusione y permita monitorear a todos en general.
En este caso se desarrolló una plataforma para teléfonos inteligentes la cual
abarca todos los sistemas anteriormente mencionados, permitiendo al
usuario controlar y monitorear los mismos.
Se recolectaron los requerimientos del cliente en base a sus necesidades
tomando en cuenta el costo, estética, tiempo de respuesta, tiempo de
instalación, encender o apagar actuadores eléctricos como motores,
controlar el encendido de iluminación para crear ambientes en cuartos
determinados, visualizar a través de internet el estado de actuadores,
sensores y cámara de video vigilancia, acceso remoto a los distintos tipos de
subsistemas acoplados al sistema maestro, tiempo de entrega del
dispositivo, capacidad máxima de elementos añadidos al sistema,
disponibilidad de repuestos , modo de operación, tiempo entre
mantenimientos.
Tomando en cuenta estos requerimientos anteriormente descritos se
generaron 3 diseños conceptuales, de los cuales se escogió uno para su
posterior desarrollo, en base a los criterios de estructura y composición del
armario o tablero de control y fuerza montado en el proyecto, control del
sistema maestro y esclavos, sensores a instalarse, actuadores los cuales
realizaran los movimientos, protocolo de comunicaciones en este caso WiFi,
monitoreo del sistema en su totalidad mediante una aplicación para teléfonos
inteligentes, protecciones para los distintos circuitos tanto de control como
de fuerza instalados en el interior del hogar en este caso se utilizó breaker y
borneras portafusibles.
Se diseñó un circuito eléctrico para que los sensores y actuadores envíen y
reciban señales inalámbricas.
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Se diseñó una aplicación móvil para controlar el sistema por medio de
internet.
Se programó distintos escenarios de iluminación en cuartos solicitados por el
cliente.
Se implementó un tablero de control el cual contiene los breaker de
protección y de borneras portafusibles para dar un grado óptimo de
seguridad a los circuitos dentro del sistema, se colocó en lugares
estratégicos los sensores y las cámaras de video vigilancia para mantener la
seguridad dentro del hogar. Se realizó un estudio de iluminación mediante el
cual se determinó estándares de iluminación adecuados para cada cuarto y
así optimizar la cantidad de luminarias necesarias en cada cuarto.
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2. ESTADO DEL ARTE
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21
En instalaciones domóticas actuales se instalan canaletas plásticas dañando
la estética del interior y exterior de las viviendas ocasionando gatos
adicionales por instalación y tiempo invertido de personal para colocar las
mismas, realizar el cableado desde cada sensor a su central para poder
recibir y enviar datos.
Cada sub sistema que se utiliza para que un hogar sea domótico tiene su
propia central y no se comunican entre sí, lo cual hace que el control de
cada uno sea independiente, teniendo que instalar varias aplicaciones en los
teléfonos inteligentes sobrecargando al mismo de información, teniendo que
cerrar una aplicación y abrir otra para monitorear o accionar los elementos.
Las aplicaciones desarrolladas por cada uno de los fabricantes de los sub
sistemas la mayor parte de veces no son compatibles o acoplables para
otras marcas, haciendo que sus entornos de desarrollo sea cerrados y que
no se comuniquen entre dispositivos de distintas marcas.
Para instalar seguridad dentro del hogar como sensores de movimiento,
sensor de ruptura de cristales, sensores de humo es necesario instalar un
cableado desde los mismos a su central, lo cual en este proyecto de
titulación se creó un circuito el cual se acopla a los dispositivos y permite
eliminar el cableado transmitiendo las señales mediante WiFi utilizando este
para transmitir datos incrementando la capacidad para transmitir
información, almacenarla, transmitirla, recibirla y procesarla. Lo cual permite
establecer una comunicación con el resto de dispositivos conectados a la red
interna del hogar desde cualquier lugar. Mediante este protocolo de
comunicación podemos recibir señales de video vigilancia y estados de
sensores, también podemos enviar datos a los actuadores para que realicen
las acciones programadas por el operador. Permitiendo establecer una
comunicación entre todos los dispositivos instalados dentro y fuera del hogar
y estableciendo una comunicación entre todos ellos hacia una sola central
que controla todos los subsistemas. Como se da a notar en la (Figura 2). El
hogar en si tiene una interrelación con cada uno de los elementos dentro del
mismo.
Figura 2.Esquema de hogar digital
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22
Al instalar sensores de movimiento o de presencia y cablearlos (Figura 3), es
necesario llevar un cable desde cada sensor a la central lo cual en las cajas
de conexiones da una sobre carga de cableado dependiendo del número de
sensores al ser instalados, en este trabajo de titulación se los acoplo a una
placa que capta la señal enviada por el sensor y la envía mediante un
moduló WiFi hacia la central la cual capta los estados de los mismos.
Figura 3. Sensor de presencia
En el caso de los sensores magnéticos, su funcionamiento depende de la
distancia que posea entre su campo magnético, enviando una señal al
dispositivo eléctrico al que esté conectado. Si el inductor interno es
alimentado genera un campo magnético que realiza el cierre del sistema, si
se deja de alimentar el campo magnético desaparece y deja abierto el
sistema. Se los utiliza habitualmente para el control de apertura o cierre ya
sea de puertas o ventanas, para enviar mediante WiFi el cambio de los
mismos. (Figura 4).
Figura 4. Sensor magnético
Las aplicaciones domóticas existentes no poseen una central que capte las
señales enviadas por los distintos subsistemas, lo cual en este proyecto de
titulación se desarrolló con una arquitectura centraliza a un sistema maestro,
que es elencargado de enviar información a los actuadores e interfaces,
como una respuesta de lo registrado por los sensores o los propios usuarios
que han activado alguna orden del sistema de control. (Figura 5).
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23
Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada
Los requerimientos del usuario son un dato muy importante para el
desarrollo de este trabajo de titulación. Los cuales tomados en cuanta tanto
en el inicio como en el final del mismo.
El costo al momento de la implementación de sistemas domóticos ya que en
el país es muy costoso, por el motivo que no existe una placa centralizada
para todos los sistemas y es necesario implementar los mismos uno por uno
dentro del hogar ocasionando compras a distintos proveedores o marcas e
incrementando su costo. Un sistema domótico en la actualidad se instala
entre 8000$ y 9000 $ dólares americanos para obtener un sistema domótico
completo en todo el hogar sin ser centralizado, en este trabajo de titulación
se hace un estimado de 4900 $ dólares americanos integrando varios sub
sistemas para lograr un sistema maestro completo de domótica haciendo a
este más económico y eficiente.
La seguridad que proporciona un sistema domótico es mucho más amplia
que la que puede brindar un sistema tradicional, pues integra tres campos de
la seguridad que normalmente están controlados por sistemas individuales.
a) Seguridad de los bienes:
Gestión de control de acceso y control de presencia, así como la
simulación de presencia dentro del hogar.
b) Seguridad de las personas
Se puede tener acceso desde un teléfono inteligente para monitorear a
personas mayores o minusválidas.
c) Incidentes
Mediante un botón, se puede dar aviso mediante un mensaje de cualquier
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novedad a sus ocupantes.
La domótica también ofrece la interconexión de los sistemas de seguridad
con el resto de dispositivos conectados en la misma red, lo que incrementa
la versatilidad del sistema. (Molina González, 2010).
Estética es muy importante para el cliente ya que no desea tener canaletas
plásticas expuestas en el hogar como los sistemas tradicionales, para esto
se eliminó la comunicación mediante cablees y si estableció la comunicación
entre dispositivos mediante señal WiFi con lo cual se elimina el
inconveniente de colocar canaletas vistas dentro y fuera del hogar.
Tiempo de respuesta entre los dispositivos integrados a la red y la
interacción desde el teléfono inteligente deben ser casi en tiempo real ya que
si existe un problema dentro del hogar ya sea robo o incendio debe poder
realizar una acción en el instante del suceso.
Ordenador que sea de bajo costo “Raspberry PI” que permite trabajar con
tan solo conectarlo a una pantalla y a un teclado, que posea un espacio de
almacenamiento “micro SD”, (Raspberry Pi, 2012).
Levantar un Web Server que se ejecute continuamente, manteniéndose a la
espera de peticiones de ejecución que lo hará un cliente o usuario de la
aplicación. Se encarga de contestar a estas peticiones de forma adecuada.
Android es un sistema operativo orientado a dispositivos portátiles como
teléfonos inteligentes, netbooks, tabletas, entre otros.Un sistema operativo
de teléfonos inteligentes como “Android”, que se diferencia del resto de
sistemas operativos para dispositivos móviles con iOS o Windows Phone, el
código fuente de Android se mantiene abierto lo que ha significado su
implementación a diversos dispositivos moviles. Soporta multimedia, interfaz
táctil, características basadas en voz y una amplia variedad de componentes
de hardware. Si se añade a esto un entorno de desarrollo gratuito que
incluye un emulador de dispositivos, herramientas para depuración de
memoria y análisis del rendimiento del software.(Baéz, Borrego, Hernández,
& Torralbo, 2010).
EL modo de funcionamiento se va a dividir en dos partes las cuales son:
Tablero de control y aplicación móvil.
En el tablero de control se ubican las protecciones de los sistemas eléctricos
de la casa y las protecciones del circuito de control, la placa Raspberry Pi, la
placa arduino y una placa de relés para controlar la iluminación. EL tablero
posee un selector el cual permite pasar de manual o automático.
En modo automático el sistema se lo puede controlar desde la aplicación
móvil estableciendo comunicación entre los dispositivos instalados en la red
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interna y los dispositivos conectados mediante la aplicación para así poder
controlar y monitorear los mismos.
En modo manual el cual entraría a funcionar en caso de una falla de algunas
de las placas de control ya sea Raspberry Pi o Arduino, o en caso de una
falla de energía, permitiendo controlar el sistema como tradicionalmente lo
haría una casa si domótica; con interruptores de luz.
La aplicación móvil, permite que el usuario se descargue la misma mediante
un código QR el cual la instalara en su dispositivo, se coloca una contraseña
establecida y única por el usuario que solo él tiene la posibilidad de colocar a
los integrantes de su familia, la cual le permite el ingreso al sistema,
permitiendo controlar seguridad, puertas, cámaras e iluminación del interior,
control de temperatura y exterior del hoga
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3. METODOLOGÍA
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27
En el siguiente diagrama de flujo se detalla el método que se utilizó para la
consecución de los objetivos, este se basa en la metodología expuesta por
William Bolton para el desarrollo de sistemas mecatrónicos. (Figura 6).
Figura 6.Metodología mecatrónica aplicada al proyecto
(Bolton, 2006)
Se levantó un servidor el cual es la parte más importante y fundamental del
sistema domótico el cual es el que reúne y asocia a todos los subsistemas
para así poder interrelacionar los mismos e integrarlos en una sola
plataforma, el servidor está conectado a internet el cual se puede conectar a
una aplicación móvil instalada en teléfonos inteligentes lo cual permite
controlar y monitorear los distintos sub sistemas acoplados al servidor.
El usuario envía una señal por medio de la aplicación ya sea un uno lógico o
un cero lógico el cual permitirá al servidor enviar una orden a los distintos
controladores que están instalados en el sistema.
Servidor
Aplicación
Smarthphone
Internet
Controlador
Nodo 1
Controlador
Nodo 2
Controlador
Nodo 3
Iluminación Sensor
Driver
Actuador
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28
Si se envía una señal de encendido o apagado de luminarias instaladas esta
pasa por un controlador el cual permite recibir la señal y realizar la acción
necesaria.
Es similar en los distintos sub sistemas instalados ya sea en los actuadores
y sensores, estos envían y reciben datos los cuales mediante el servidor se
reflejan en la aplicación móvil y a su vez al usuario.
En los siguientes esquemáticos se reflejan los distintos dispositivos
instalados en su detalle en la (Figura 7), se da a notar el diseño de los
sensores.
Figura 7.Esquemático de sensores
Para los actuadores se recibe una señal mediante WiFi la cual llega al
Arduino el mismo da un impulso activando un relé para el accionamiento de
los actuadores ya sean luminarias, motores, encendido de calefactor, como
se refleja en la (Figura 8).
Figura 8.Esquemático de actuadores
Para recibir los datos de video vigilancia se recolecta la información que
envían las cámaras ya que estas son IP y transmiten la información
mediante WiFi, se acopla la señal directamente al controlador principal que
es la Raspberry Pi la cual envía los videos a la aplicación véase en la (Figura
9).
Figura 9.Esquemático video vigilancia
Movimiento
Temperatura
Humo
Arduino Nano Módulo WiFi
Relé Módulo WiFi Arduino
Video
Cámaras WiFi Aplicación Móvil Raspberry
Pi
Iluminación
Motores
Calefactor
-
29
La aplicación móvil tiene como entradas la solicitud del usuario en la misma,
mediante los botones a presionar para que así se realicen la acciones
solicitadas, este envía la información mediante el servidor web el cual llega a
la Raspberry Pi, y da la señal de activación a los distintos actuadores. Véase
en la (Figura 10).
Figura 10.Esquemático video vigilancia
Aplicación
Móvil Servidor
Web Actuadores Raspberry
Pi
-
4. DISEÑO
-
31
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO
El sistema eléctrico se encarga de regular y estudiar las características
eléctricas de los elementos que se utilizarán para la implementación del
proyecto. Definir las corrientes y tensiones necesarias para cubrir el
consumo de los elementos domóticos y también definir las protecciones
necesarias para evitar daños en el sistema.
CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS
Los componentes electrónicos se seleccionaron mediante las necesidades
del sistema domótico, cada uno de los elementos fueron dimensionados en
base a las características del proyecto. En los planos que se muestran a
continuación se puede observar la distribución de los componentes
electrónicos que debe controlar el sistema domótico.
El plano de la (Figura 11), se muestra la distribución de las luminarias dentro
de la casa. Estas luminarias fueron analizadas y seleccionadas con el
software DIALux, como se puede observar en el estudio de iluminación
dentro del presente capitulo.
Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa
En la (Figura 12), se encuentra la distribucion fisica de los diferentes
componentes que conforman el sistema de seguridad, como son sensores,
actuadores y panel de control. La selección de estos elemenntos se adecuo
a las necesidades del sistema.
-
32
Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel de control
Los planos de las (Figuras 13 y 14), muestran la distribución de luminarias y
actuadores en el área de la cancha de baloncesto y la entrada de la
propiedad.
Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha de baloncesto
-
33
Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de ingreso a la propiedad
Contacto magnético
Dentro del sistema el contacto magnético sirve para saber cuándo una
puerta o venta se encuentra abierta o cerrada. Estos sensores son
inalámbricos y se comunican con el sistema mediante la red WiFi de la casa.
Este dispositivo fue seleccionado en base a sus características
principalmente a la frecuencia de trabajo, se buscaba dispositivos que se
adapten a la red WiFi, en este caso el dispositivo trabaja con frecuencias de
433Mhz por lo que no va a tener inconvenientes dentro del sistema (Tabla
1).
Tabla 1.-Características del contacto magnético
Contacto de puerta/ventana inalámbrico WS4945
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Distancia máxima de detección 16 mm
Tipo de contacto Normalmente cerrado
Batería Litio, 3 V
Vida útil de batería 5 a 8 años
Detectores de rotura de cristales
Estos detectores se encargan de verificar el estado de las ventanas.
Estos sensores funcionan en base a sonidos y vibraciones. Las
características de estos sensores se muestran en la (Tabla 2).
-
34
Tabla 2. Características de los detectores de rotura de cristales
Detector de rotura de cristales DSC
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Distancia máxima de detección 7.5 m
Corriente de contacto 1 A a 24 V
Voltaje de alimentación 9-16 V
Corriente máxima de trabajo 35 mA
Detector de humo
Los detectores de humo tienen la función de activar las alertas o enviar
avisos a la aplicación si se detecta un incremento de las partículas de
combustión en el ambiente de la casa, con el fin de prevenir un incendio
(Tabla 3).
Tabla 3. Características del detector de humo
Detector de humo inalámbrico WS4916
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Tipo de sensor Fotoeléctrico
Sensibilidad nominal 3.0% +/- 0.8% oscurecimiento/pie. (UL)
Batería 2 baterías de Litio, 3 V
Vida útil de batería 5 a 8 años
Sensor de movimiento
Las características de estos sensores se muestran a continuación en la
(Tabla 4).
Tabla 4. Características del sensor de movimiento
Detector infrarrojo pasivo inalámbrico WS4904
Marca Tyco Security Products
Tipo de sensor Infrarrojo
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Cobertura 12 m x 12 m
Batería Litio, 3 V
-
35
Sensor de temperatura y humedad
Este sensor sirve para controlar la climatización de la casa, el usuario puede
establecer una temperatura específica y el sistema domótico debe activar los
actuadores para estabilizar la temperatura a la señalada. Estos están
ubicados en los dormitorios y en el estudio. Las características del sensor
son los que se explican en la (Tabla 5).
Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad
Sensor de temperatura y humedad DHT22
Marca AosongElectronics Co.,Ltd
Voltaje de alimentación 3.3-6 V DC
Tipo de sensor Capacitivo
Rango de operación Humedad 0-100%RH
Rango de operación Temperatura -40~80 Celsius
Batería Litio, 3 V
Exactitud 0.1% RH;
-
36
Tabla 7. Características del motor de puerta
Motor para automatización de puertas deslizantes Serie BX-246
Marca CAME CancelliAutomatici
Voltaje de alimentación 230 V AC
Frecuencia de trabajo 50/60 Hz
Potencia de consumo 400 W
El motor fue seleccionado con base en el peso de la puerta y la potencia
necesaria para moverla.
Calefactor
El calefactor se encarga de estabilizar la temperatura de las diferentes áreas
de la casa. Considerando que el clima donde se ubica la casa varía entre los
5 hasta los 25 grados centígrados, y teniendo como referencia una
temperatura optima de 22 grados centígrados, se eligió un calefactor que se
encienda si la temperatura es baja y se apague cuando la temperatura sea
mayor o se la desee estabilizar. Los calefactores se encuentran en dos
dormitorios y en el estudio. Las características del calefactor se ven en la
(Tabla 8).
Tabla 8. Características del calefactor
Radiador eléctrico / vertical HZ-709
Marca Honeywell
Voltaje de alimentación 120 V AC
Frecuencia de trabajo 60 Hz
Corriente de trabajo 12.5 A
Consumo de potencia 1500 W
Para la selección del todo el sistema de iluminación se realizó un estudio
específico donde se establecieron los requerimientos del sistema y se
eligieron los elementos adecuados para la implementación. El estudio se
muestra a continuación.
4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN
A partir del análisis de la información reunida, es posible establecer las
características que debe poseer la instalación para satisfacer las distintas
demandas del usuario.
-
37
Elección del sistema de alumbrado
En la siguiente (Figura 15), se muestras los tipos de alumbrado que serían
adecuados utilizar en las instalaciones de nuestro caso y en la (Tabla 9), se
resumen las características más importantes a tener en consideración para
seleccionar el tipo más adecuado.
Figura 15.Tipos de iluminación
Tabla 9. Tabla de características para la selección de luminarias
Sistema
de
alumbrado
Disposició
n de
luminarias
Característi
cas de
luminarias
Efectos visuales
Consumo
energético Sobre el
espacio
Sobre
personas
u objetos
General Uniforme
Altos niveles
de
iluminación
en todo
espacio
Produce
sensación de
amplitud y
orden
Modelados
blandos Elevado
Localizado Irregular
Altos niveles
de
iluminación
sólo en áreas
de interés
Produce
sensación de
reducción de
espacio
Modelados
duros Reducido
General y
localizado
Uniforme e
irregular
Iluminación
general
reducida
respecto de
áreas de
trabajo
Un balance
adecuado
puede
compensar la
sensación de
reducción de
espacio
Modelado
casi natural Intermedio
Modulariza
do
Uniforme
por
sectores
Iluminación
media
elevada
Similar al
alumbrado
general
Similar al
alumbrado
general
Elevado
-
38
De acuerdo al análisis de los sistemas de alumbrado en la (Tabla 10), y en
conjunto con el propietario de la vivienda se determinó que el sistema de
alumbrado General Localizado es el adecuado para la vivienda en conjunto
con el diseño arquitectónico de la misma.
Elección de las fuentes luminosas
Para la selección de las lámparas hay que tener en cuenta todos sus
parámetros y características funcionales, para el estudio se debe considerar
los factores de diseño que tiene que ver con las características, rendimiento
luminoso, tiempo encendido. En la (Tabla 10), se muestran los factores de
diseño a tener en cuenta.
Tabla 10. Tabla de factores de diseño
Características delas fuentes luminosas Requerimientos de diseño a tener en
cuenta
Rendimiento luminoso “lm/w”
Vida útil “Horas”
Dimensiones
Disponibilidad
Tiempo diario de funcionamiento
Uso racional de energía
Demandas estéticas
Requerimientos de mantenimiento
Seguridad
Es adecuado utilizar lámparas de luz tipo LED (Diodo emisor de luz), color
blanco, SYLVANIA. Adecuadas para cada ambiente dentro del hogar en
coordinación con la arquitectura y ubicación de las mismas.
Área a iluminar
De acuerdo a los planos suministrados por arquitectura:
Área/ Espacio a iluminar:
Primer piso: 11.5 x 9.17 x 2.80 m “Largo x ancho x altura”
Garaje: 6 x 5 x 2.8 m “Largo x ancho x altura”
Cancha múltiple: 28.5 x 15 x 3 m “Largo x ancho x altura”
Nivel de iluminación considerado: Residencial
Requerimientos de iluminación para la satisfacción de necesidades básicas:
Confort Visual: Los usuarios tienen una sensación de bienestar, de un
modo indirecto también contribuye a un elevado nivel de la
productividad.
Prestaciones Visuales: Los usuarios son capaces de realizar sus
tareas visuales, incluso en circunstancias difíciles y durante periodos
más largos.
-
39
Tablas de referencia
La (Tabla 11), muestra las normas necesarias en las que se basó el estudio
la implantación de las luminarias.
Tabla 11. Tabla de normas para iluminación
Normas para iluminación
Norma Título
UNE 12464.1 Norma europea sobre iluminación para interiores
NOM-025-STPS-
2008 Condiciones de iluminación en los centros de trabajo
INEN 1 154 Iluminación natural de edificios para fábricas y talleres
La (Tabla 12), muestra los factores a tener en consideración para la
selección de las luminarias.
Columna 1: Número de referencia para cada área
Columna 2: Tipo de interior, área y actividad
Columna 3: Iluminación mantenida Em, Haciendo referencia al área interior.
Columna 4: Límite de índice de Deslumbramiento unificados UGR
Columna 5: Índices de rendimiento de colores RA mínimos
Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables
N° Área Em lux UGR l Ra
1 Dormitorio 300 19 80
2 Baño 300 19 80
3 Sala 300 19 80
4 Estudio 500 19 80
5 Cocina 500 22 80
6 Garage 200 25 20
Selección de luminarias para las casa
Para la selección de las luminarias, se utilizó el programa DIALux.
Ingresando las características principales de los diferentes espacios físicos,
como son las dimensiones de las habitaciones, la distribución de los
espacios físicos, y el estudio de las características de las luminarias
mostrado anteriormente para cumplir las necesidades del usuario en cada
una de las áreas de la casa. El software procesa los datos ingresados,
realiza un modelo preliminar de la distribución de la iluminación en cada
habitación y sugiere diferentes luminarias. Se realizaron los siguientes
modelos en tres dimensiones de la casa para el cálculo. (Figura 16 y 17).
-
40
Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa
Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa
Junto con el modelo en tres dimensiones de la casa se adjuntaron los planos
de los espacios físicos donde se requiere colocar las luminarias.
Una vez ingresado todos los planos se obtuvo como resultado la selección
de las siguientes luminarias para la casa las cuales se revisó si existen en el
país. (Tabla 13).
Tabla 13. Tabla de selección de luminarias
Número de unidades Tipo de luminaria
2
Hela
Flujo luminoso 4800 lm
1xdl-43W-4000k-clear
2
Hela
Flujo luminoso 23000 lm
1xil230w
25
Hela
Flujo luminoso 3100 lm
1x5l-41W-400k
4
Ligthing Technologies
Flujo luminoso 7073 lm
D65 ex 5000k
-
41
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control es el encargado de monitorear los estados de los
diferentes sensores instalados, procesar las señales y tomar decisiones para
activar los diferentes actuadores del sistema. El análisis realizado, muestra
la configuración de este sistema y las bases para la selección de los
diferentes componentes.
El primer paso es definir si el sistema fue activado, mediante la aplicación,
caso contrario los dispositivos conectados en el hogar puedenutilizarse
manualmente. Si el sistema fue activado las diferentes tareas de control
podrán efectuar sus operaciones, analizando la información enviada por los
sensores hacia el sistema central de control, este proceso debe ser un bucle
del sistema, ya que siempre es necesario conocer el estado de los sensores,
El estado de los sensores será analizado continuamente, por lo que está
retroalimentado. Si los sensores están activados, el sistema realizará un
trabajo específico, por ejemplo si el sensor de humo se activa, su función es,
enviar esta información a la aplicación, para que el usuario pueda observar
que está pasando en su hogar, y como medida de prevención se activara la
alarma para que las personas que se encuentran en el área también tengan
la información de que algo está ocurriendo.
Es necesario decir que los botones programados dentro de la aplicación
también pueden activar los actuadores y en el caso de la apertura de puerta
de la entradaesnecesario activarla desde la aplicación debido a que no
existe una tarea que dependa de la activación de algún sensor.
En el caso de los botones al igual que los sensores es necesario revisar su
estado en todo momento por lo que se retroalimenta.
Para la activación de los actuadores, como se ha descrito hasta el momento,
se lo puede realizar mediante la comprobación de los estados de los
sensores o en el caso dela puerta de entrada mediante los botones de la
aplicación.
También es necesario mencionar que el único actuador que tiene otra
condición de funcionamiento es el calefactor debido a que también depende
de la temperatura en la que se encuentren las diferentes habitaciones, esta
temperatura se la fijo en 22 grados centígrados.
Por último los actuadores se desactivan si los sensores o los botones de la
aplicación regresan a su estado inicial lo que reinicia el flujo principal del
programa.
-
42
CONFIGURACIÓN DE LAS PLACAS DE CONTROL
Configuración de Raspberry Pi
Es necesario instalar el sistema operativo en la placa, en este caso se
utilizará Raspbian-jessie, a continuación se detalla los pasos necesarios
para realizar la instalación. (Figura 18).
Figura 18.Página web oficial de Raspberry Pi
Se realiza la configuración IP que la importante en este caso.
Configuración WiFi para Arduino
Se realiza un programa, para Arduino el cual está conectado al módulo WiFi,
para establecer los pines en lo que se necesita tener recepción y
transmisión, y se configura la velocidad a la que transmiten tanto el Arduino
como el WiFi. El proceso se explica a continuación en la (Figura 19).
Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines
-
43
Configuración de direcciones IP para módulos WiFi estáticos
Las configuraciones de las direcciones IP para los módulos WiFi de cada
uno de los dispositivos se realizó directamente desde el modem el cual
recoge todas las señales de los componentes instalados dentro de la red. Se
coloca las direcciones MAC de los equipos (Figura 20).
Figura 20. Reservación de direcciones IP
Se escribe la dirección MAC de cada módulo WiFi existente, porque esta
es única e irremplazable y viene por defecto en el equipo y se asigna la
dirección IP para ese equipo específicamente.
CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA
La función principal de la placa RaspberryPi es la de gestionar la red de
equipos conectados en el sistema, es decir que permite la comunicación
entre el sistema de control y los sensores. Su otra función es la de permitir el
acceso remoto al sistema por medio de internet.
Para el presente trabajo se instaló una serie de software dentro de la
Raspberry, los cuales se necesitan para lograr la comunicación requerida
entre los componentes (Figura 21).
Apache: Servidor Web HTTP open source.
MySQL: Base de datos Open source
PHO (Personal Home Pages): Lenguaje de programación que forma parte
del servidor web para crear wbs dinámicas.
PHPmyAdmin: Sirve para administrar la base de datos a través de interfaz
web.
Figura 21. Software requerido para la configuración de la placa Raspberry Pi
-
44
En la siguiente imagen se puede mostrar el procedimiento de un servidor
web (Figura 22).
Figura 22. Conexión de servidor
Todos los elementos que se instalaran en la Raspberry Pi estarán
funcionando sobre el sistema operativo DEBIAN de LINUX por lo que los
comandos de ejecución serán explicados bajo esta plataforma.
Instalación y configuración de Apache
Para que todo funcione es necesario instalar el propio servidor, el más
común es Apache.Para poder visitar la web desde otro ordenador dentro de
la red local habrá que conocer la IP del Raspberry Pi.
Por medio del navegador se puede acceder mediante la IP del Raspberry Pi
desde el computador con la siguiente dirección:http://192.168.1.105.
Instalación y configuración de PHP
Es necesario instalar el lenguaje de programación PHP en la placa
RaspberryPi.
Instalación y configuración deMySQL
MySQL es un gestor de base de datos de código libre que sirve para
almacenar y gestionar bases de datos. Para su instalación se utiliza el
siguiente código:
sudoapt-getinstallmysql-server mysql-client php5-mysql
Es necesario colocar una contraseña para iniciar el programa, la contraseña
será establecida por el usuario.
Instalación y configuración dePHPmyAdmin
PHPmyAdminés un software basado en PHP que sirve para administrar la
base de datos MySQL a través de interfaz web.
http://192.168.1.105/
-
45
En el proceso de instalación es necesario indicar que servidor web se ha
instalado en la placa raspberry. (Figura 23).
Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin
4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL
La aplicación fue diseñada en el software App Inventor que trabaja para
plataformas que funcionen con Android, la selección de este sistema se
debe a que en el mercado actual la mayoría de usuarios de teléfonos
inteligentes usan sistemas con sistemas operativos Android.
El desarrollo se lo realizó por pantallas, donde se colocaron los diferentes
dispositivos del sistema domótico. Se implementó un sistema de fácil uso e
intuitivo para el usuario. A continuación se muestra cada una de las pantallas
programadas.
Diseño de pantalla de inicio
La pantalla de inicio es la primera que aparecerá cuando se inicie la
aplicación. En esta pantalla se colocó un cuadro de texto donde se da la
bienvenida al usuario, de igual manera se insertó una imagen del logo de la
carrera de Mecatrónica de la universidad. En esta pantalla era necesario
implementar un sistema de acceso mediante una clave, logrando proteger el
acceso a los dispositivos del sistema, se colocaron tres botones, el primer
botón sirve para ingresar al sistema cuando la contraseña sea correcta. El
segundo botón sirve para ingresar por primera vez la contraseña y que sea
guardada en la base de datos. El tercer botón sirve para reiniciar o cambiar
la contraseña, para realizar esta operación de igual manera se necesita
ingresar la contraseña anterior. (Figura 24).
-
46
Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor
Diseño de pantalla delíndice
La pantalla del índice sirve como nexo para ingresar a los diferentes
componentes del sistema. En esta pantalla índice se colocó un texto de
“INDICE” y la imagen de la universidad. (Figura 25).
Figura 25.Programación de la pantalla del índice en App Inventor
También se colocaron siete botones, el primer botón sirve para ingresar al
sistema de seguridad y poderactivar o chequear los elementos destinados a
esta función. El segundo botón sirve para entrar al sistema de control de
motores de puerta para abrirlas o cerrarlas. El tercer botón permite acceder
a las cámaras de colocadas en la casa. El cuarto botón contienen todas las
luminarias que pueden ser encendidas o apagadas desde el dispositivo
móvil. El quinto y sexto botón permiten acceder a dos escenas diferentes,
que fueron configuradas para activar ciertos dispositivos del sistema
-
47
automáticamente dependiendo de los requerimientos del sistema. El último
botón sirve para salir de la pantalla y dirigirse a la pantalla de inicio.
Diseño de la pantalla de seguridad
En esta pantalla se colocaron todos los dispositivos relacionados al sistema
de seguridad. En este caso sensores de movimiento, sensores de cristales
rotos, contactos magnéticos de puertas, sensor de humo y las cámaras de
seguridad. Mediante checkbox en cada uno de los elementos se puede
determinar el estado de cada uno de los sensores para determinar ciertas
acciones en el mismo. Además se colocaron tres botones, el primer botón
señala que el usuario esta en casa y que si se activa alguno de los sensores
envíe la información al checkbox, pero no realice ninguna acción. El segundo
botón es para activar la alarma total de la casa donde sí se activa cualquiera
de los sensores envíe la información al checkbox y además active la sirena
dentro de casa. El último botón es de emergencia y realiza una llamada de
auxilio al 911 si es presionado. (Figura 26)
.
Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App Inventor
Diseño de pantalla de puertas eléctricas
La pantalla de control de puertas tiene implementado dos botones para abrir
y cerrar las puertas mediante la activación de los motores, tanto la de la
entrada a la propiedad como la del garaje. (Figura 27 y 28).
-
48
Figura 27.Pantalla de control de puerta implementada en Android
Figura 28.Programación de la pantalla de control de motores en App Inventor
Diseño de pantalla de iluminación
En esta pantalla se implementaron botones para encender y apagar las
luces de cada una de las áreas de la casa que son, los dos dormitorios, el
estudio, la cocina y la sala. (Figura 29).
-
49
Figura 29.Pantalla de iluminación implementada en Android
Diseño de pantalla de cámaras
En la pantalla de cámaras, se colocaron las cuatro cámaras que se
encuentran instaladas en la casa. Estos cuadros sirven para visualizar la
imagen en tiempo real de cada uno de los dispositivos. (Figura 30).
Figura 30.Pantalla de cámaras implementada en Android
-
50
Diseño de pantallas de escenas
Las pantallas de las escenas, son modificables y deben adaptarse a las
necesidades del cliente, en estas pantallas se colocan ciertos dispositivos
que deben ser activados de manera automática con el fin de lograr un
escenario preestablecido dentro del hogar.
Para el presente proyecto se crearon dos escenas, la primera enciende la
iluminación de la sala y del primer dormitorio, además estabiliza la
temperatura mediante el calefactor. La segunda escena controla la
iluminación de la sala y la coloca en un nivel establecido por el usuario.
(Figura 31 y 32).
Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android
Figura 32.Pantalla de escena 2 implementada en Android
4.6 DISEÑO PLACA WIFI
Para el diseño de las placas acopladas a los actuadores se realizó
esquemas en AutoCAD para luego realizar pruebas, las cuales fueron
-
51
desarrolladas en protoboard en un inició para lograr descartar fallas en las
conexiones y el funcionamiento de la misma. (Figura 33).
Figura 33.Pruebas protoboard
Luego de establecer que el funcionamiento es el correcto se elaboró placas
para la instalación de las mismas en los diferentes actuadores. (Figura 34).
Figura 34.Placa electrónica aislada
Con las pantallas de la aplicación programadas y con los sistemas del
servidor configurados y listos para operar, es posible realizar las pruebas de
funcionamiento del sistema domótico. En el siguiente capítulo se analizaran
los resultados obtenidos del protocolo de pruebas planteado para el sistema
.
-
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
-
53
Una vez finalizado el proceso de diseño se tuvo como resultado un sistema
domóticoimplementado y en funcionamiento con el siguiente presupuesto:
(Tabla 14).
Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto
Item Descripción Cantidad
Precio
unitario en
dólares
Precio
total en
dólares
1 Raspberrypi 1 75 75
2 Arduino Mega 1 25 25
3 Arduino Nano 1 20 20
4 Placa de Relés 1 35 35
5 Fuente de Voltaje 1 60 60
6 Breaker de Protección 9 10 90
7 Motores Eléctricos 2 750 1500
8 Sensores de Movimiento 5 25 125
9 Sensores de Humo 4 25 100
10 Sensor de Temperatura 3 25 75
11 Sensores Magnéticos 3 25 75
12 Sensor de Cristales Rotos 6 45 270
13 Electro Válvulas 1 45 45
14 Sirena 1 20 20
15 Calefactor 3 95 285
16 Lámparas Tipo Led 6 110 660
17 Tablero de control 1 160 160
18
Base Para Tablero de
Control
1
45
45
19 Pantalla 7’ para raspberry 1 65 65
20 Instalación 1 230 230
21 Mano de Obra 1 400 400
SUBTOTAL 4285
IVA 14% 599.9
TOTAL 4884.9
La implementación del sistema se realizó de manera sistemática revisando
el funcionamiento de cada uno de los dispositivos conectados en la red
domótica.
-
54
Se realizó la conexión del sistema de control dentro del tablero como se
muestra en la siguiente (Figura 35).
Figura 35.Conexiones del tablero de control
Como podemos ver en la imagen, dentro del tablero de control se colocaron
las protecciones del sistema, la fuente de alimentación de los dispositivos, el
controlador Arduino Mega ADK, la placa Raspberry Pi y los relés para
activación de los actuadores. El tablero de control se encuentra instalado en
la cocina de la casa como se indicó en los planos realizados (Figura 36 y
37).
Figura 36. Protecciones y fuente de voltaje del sistema de control
-
55
Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el tablero de control
De igual manera se realizó la instalación de los sensores y actuadores
distribuidos como se indicó previamente en los planos de la casa, como se
puede observar en las siguientes (Figura 38, 39, 40 y 41).
Figura 38. Instalación del sensor magnético
-
56
Figura 39. Instalación de sensor de humo
Figura 40. Instalación de sensor de movimiento
Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje
Posterior a la instalación del sistema se procedió a realizar las pruebas
necesarias.
-
57
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS
Las pruebas de comunicación entre los dispositivos se realizaron mediante
las direcciones IP que se asignaron a cada uno de los sensores y
actuadores del sistema. En la siguiente figura se puede observar cada una
de las direcciones asignadas. (Figura 42).
Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema
Mediante el símbolo del sistema de la placa Raspberrry se comprobó que
todos los elementos se encuentran operando sin inconvenientes y que la
comunicación está operando correctamente en la red local.Además de
comprobar los tiempos de respuesta de cada uno de los dispositivos, como
resultado se obtuvo que la mayoría de respuestas de los dispositivos son
tiempos menores a 1 ms. En las siguientes figuras se muestran algunos
resultados obtenidos desde el símbolo de sistema y una tabla con los
elementos, las direcciones IP y los tiempos de respuesta. (Figura 43 y 44).
Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio 1
-
58
Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1
-
59
Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta
Con los tiempos establecidos podemos decir que todos los procesos deben
trabajar y dimensionarse en base al sensor con mayor tiempo de respuesta,
en este caso el sensor de cristales rotos del dormitorio 2, para evitar
Ítem Descripción Dir. IP Min. Max.
1 Router 192.168.1.1 2 88
2 Raspberry pi 2 Ethernet 192.168.1.2
-
60
problemas en el funcionamiento del sistema es necesario considerar esta
variable y colocar los tiempos de espera necesarios para que el controlador
pueda recibir y procesar la señal. El resto de actuadores y sensores no
tendrán inconvenientes en el funcionamiento debido a que su tiempo de
respuesta es menor y se puede procesar las señales casi en tiempo real.
5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y
ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL
Para las pruebas de control de escenarios se implementaron dos pantallas.
La primera pantalla como se explicó anteriormente, controla el encendido de
la luz de la sala y del dormitorio principal, además del encendido de la
calefacción. En la primera prueba se configuro para que todo se active
simultáneamente, como se pudo observar en los tiempos de respuesta del
sistema no existe problema para activar todo en tiempo real si el usuario se
encuentra dentro de la red de área local. No existieron tiempos de retraso en
el accionamiento simultáneo de los componentes del primer escenario. La
segunda prueba para este escenario consistió en modificar los tiempos de
accionamiento, al presionar el botón de la escena debía pasar 20 segundos
para accionar la luz de la sala, 30 segundos para accionar la calefacción y 1
minuto para encender la luz de la habitación. Nuevamente se obtuvieron los
resultados esperados sin retrasos significativos, debido a que los tiempos de
respuesta dentro del área local se encuentran en la orden de los micros
segundos.
La segunda escena programada es más simple debido a que debe prender o
apagar algunas de las luminarias de la sala con el fin de lograr la iluminación
adecuada para observar una película. Los tiempos de respuesta de la
escena fueron óptimos.
Por último para comprobar el acceso remoto al sistema por medio de la
aplicación e internet, se realizó la prueba de accionamiento de las escenas
mediante la aplicación fuera de la red de área local. Se realizó esta prueba
mediante el celular y la aplicación. Para comprobar los tiempos de respuesta
de la red de internet se instaló en el celular un programa que permite enviar
y recibir paquetes de datos de prueba para comprobar la conexión. Se
obtuvieron los siguientes resultados. (Figura 45).
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Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía internet
Como podemos observar desde el dispositivo móvil se tiene tiempo de envío
y recepción de datos desde la red domótica vía internet total de 9016 ms,
este tiempo es el retraso es el que se puede observar en la lectura de
sensores y accionamiento actuadores del sistema. Este tiempo puede variar
dependiendo de la calidad y velocidad de la señal de internet con la que
cuente el dispositivo desde donde se acceda remotamente al sistema.
Al realizar las pruebas de los escenarios pudimos observar que el
accionamiento de los elementos relacionados a cada escena se realiza sin
inconvenientes, pero se puede también constatar los tiempos de retraso en
la culminación de la tarea ordenada desde la aplicación móvil.
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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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CONCLUSIONES
Con la implementación del sistema domótico se cumplieron con las
características principales de este tipo de sistemas de control, debido a que
se mejoró la eficiencia de algunas de las tareas que se realizan dentro del
hogar, se mejoró el consumo energético con el control adecuado de las
luces, se mejoró el confort del usuario con la programación de diferentes
escenas y por último se buscó implementar herramientas como son la
aplicación móvil para que el usuario pueda tener control sobre algunas
tareas de su casa vía internet sin la necesidad de estar presente.
Para la implementación adecuada del sistema se realizaron los estudios
referentes a los espacios físicos que tenía la casa, además de la factibilidad
de implementación del sistema.
Los estudios de iluminación que se realizaron permitieron determinar las
luminarias adecuadas para la implementación del presente proyecto,
además de indicar las áreas de la casa donde mayor control se necesitaba
debido al consumo que se puede dar en las mismas, enfocando el sistema
de control a estas áreas críticas.
La implementación del sistema ha demostrado que su ampliación es factible,
lo que ofrece al usuario la capacidad de implementar nuevos elementos ya
sean sensores o actuadores en un futuro, y esto se debe a la utilización de
plataformas con software y hardware libre como son Arduino y Raspberry.
La utilización de plataformas de software y hardware libre también tienen un
impacto importante en el presupuesto para la implementación del sistema
debido a que no se debe considerar costos por uso de software
especializado.
Las pruebas realizadas sobre los tiempos de respuesta de los sensores y
actuadores demostraron que el sistema puede funcionar en tiempo real
siempre y cuando el usuario este dentro de la red de área local.
Los tiempos de respuesta de los dispositivos también demostraron que si el
usuario desea acceder de manera remota al sistema siempre existirá un
pequeño retraso en la recepción de datos de sensores y en el activación de
los actuadores, estos tiempos de retraso dependerán de la velocidad y
calidad de internet con la que se cuente fuera de la red local.
Una de las consideraciones necesarias para la implementación de los
sistemas domóticos es conocer el lugar donde se instalaran los equipos,
además de las características principales de los mismos, sobre todo como
en este caso, si es necesario acceder a ellos vía WiFi o de manera
inalámbrica ya que cada dispositivo de comunicación tiene rangos máximos
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de conexión, y ciertas características del entorno pueden disminuir la señal
de transmisión.
La implementación de sistemas domóticos como el que se desarrolló en el
presente proyecto, ofrece alternativas al mercado ecuatoriano en esta área
de la tecnología.
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RECOMENDACIONES
Se recomienda utilizar el presente proyecto como guía para el desarrollo de
nuevas aplicaciones domóticas o para la investigación de las mismas.
Se recomienda poseer flexibilidad en la aplicación ya que en el momento
que el usuario desee incrementar otra cámara, sensor o actuador en este
caso debería llamar al ingeniero para poder realizar la programación en App
Inventor y poder añadir dispositivos a la misma.
Se recomienda flexibilidad en la plataforma para teléfonos inteligentes ya
que si el usuario desee comprar un Iphone la aplicación no serviría ya que
este ocupa otro sistema operativo que es el IOs.
Se recomienda realizar trabajos afines al desarrollo de aplicaciones que se
adapten a diferentes plataformas de control, debido a que es uno de los
aspectos poco desarrollados en la actualidad.
Se recomiendo realizar y apoyar el desarrollo de sistemas domóticos, debido
a que es uno de los ámbitos con mayor crecimiento a nivel mundial y con
proyección a corto plazo para estar presente en el mercado de consumo.
Si se desea desarrollar un proyecto similar el presentado, es necesario
mencionar que cada proyecto debe tener sus bases en estudios y cálculos
necesarios para la implementación y que el trabajo presentado fue diseñado
e implementado para operar con las características indicadas.
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BIBLIOGRAFIA
Romero, Implementación de servicios de red mediante una Raspberry-
Pi, IES, 2013.
Höller, V. Tsiatsis, C. Mulligan, S. Karnouskos, S. Avesand, D.Boyle:
From Machine-to-Machine to the Internet of Things:Introduction to a New
Age of Intelligence. Elsevier, 2014, ISBN 978-0-12-407684-6.
(Baéz, M., Borrego, A., Hernández, F., & Torralbo, P. (2010). Introducción
a Android. Madrid: E.M.E Editorial.
Bolton, W. (2006). Mecatrónica. Mexico D.F., Mexico: Alfaomega.
Creus, A. (2011). Instrumentación Industrial. Mexico D.F.: Alfaomega
grupo editorial.
Domínguez, H. M., & Sáez Vacas, F. (2006). Domótica: Un enfoque
sociotécnico. Madrid: Fundación Rogelio Segovia para el Desarrollo de
las Telecomunicaciones.
FESTO. (2008). Sensores. Denkendorf: FESTO.
Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid. (2007). La
Domótica Como Solución de Futuro. Madrid: Dirección General de
Industria, Energia y Minas .
Molina González, L. (2010). Instalaciones Domóticas. Madrid: McGraw-
Hill.
Monk, S. (2010). 30 Arduino Projects for the Evil Genius. Chicago: Mc-
Graw Hill.
Moreno Parra, R. A. (2016). Desarrollo de aplicaciones para Android
Usando MIT App Inventor 2. Cali: Universidad Libre.
Moro Vallina, M. (2011). Instalaciones domóticas. Madrid: Paraninfo.
Raspberry Pi. (2012). The Raspberry Pi Education Manual. BCS, The
Chartered Institute for IT.
Redolfi, L. (2013). Domótica. Buenos Aires: Fox Andina.
S. Tanenbaum, A. (2003). Redes de computadoras. Amsterdam:
Pearson.
WEG MOTORS LTDA. (2004). Manual de motores eléctricos. Jaragua du
sul, Brasil: WEG MOTORS LTDA.