AUTOMATIZACIÓN DE UNA CASA A ESCALA. DOMÓTICA. Autor

AUTOMATIZACIÓN DE UNA CASA A ESCALA. DOMÓTICA.
Autor: Gregorio Grande, Pedro de.
Director: Sánchez Miralles, Álvaro.
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
1. Introducción
Vivimos inmersos en un mundo inteligente. Teléfonos móviles que van más allá
de las llamadas, automóviles que se conducen solos, o televisores capaces de servir
contenido bajo demanda son sólo algunos de los objetos inteligentes que no hace tanto
parecían de ciencia ficción y que ahora existen o existirán en un futuro próximo. Sin
embargo, hay un campo en el que no se puede decir que dicha supuesta inteligencia esté
presente hoy en día, o no al menos en la forma en que lo está en otros ámbitos, como los
ya citados. Este no es otro que el de la domótica.
1.1 Estado de la técnica
En la actualidad, los sistemas domóticos que se pueden encontrar en el mercado
están enfocados principalmente al control centralizado del hogar, ya sea desde dentro o
desde fuera, a través de internet. Un control centralizado es un paso adelante en el
control del hogar, pero no se puede considerar como un sistema inteligente. Para serlo,
tendría que controlar diferentes parámetros internos y externos de la casa y ser capaz de
responder ante ellos, sin intervención directa de ninguna persona. Actualmente, los
sistemas comerciales descuidan este aspecto, relegando la automatización a meras
reglas IFTTT (IF This, Then That – si ocurre esto, entonces haz esto otro) o tareas
programadas. Además, no siempre se le ofrece al usuario una interfaz de control sencilla
de usar, lo que hace difícil su uso y su aceptación.
La investigación actual y los nuevos productos derivados de ella sí que tienen en
cuenta, en cambio, otros factores también importantes para el desarrollo de la domótica
como son la interconexión de los diferentes elementos del hogar a través de la red (la
llamada “internet de las cosas”) o el control desde el Smartphone de la climatización o
la iluminación. Que exista una interconexión sólida entre los diferentes sistemas de una
casa al más bajo nivel es fundamental para el desarrollo de los sistemas domóticos (se
podrá tener un mayor control sobre dichos elementos y sistemas) y la integración del
control centralizado en una herramienta como el Smartphone, presente en los bolsillos
de cada vez más personas, acerca esta tecnología al usuario, haciéndola más natural y
sencilla de usar. Sin embargo, todos estos desarrollos no definen en sí mismos la
domótica, sino que son un vehículo indispensable para que la automatización pueda
tener lugar.
1.2 Motivación y objetivos
La motivación de este proyecto es conseguir crear un demostrador que permita
probar y desarrollar algoritmos inteligentes de control y demostrar el funcionamiento de
dichos algoritmos. Por tanto, se pretende:


Desarrollar un sistema de control centralizado (empleando un ordenador), que
permita una gestión automática de todos los parámetros de la casa, con el fin de
dotarla de una autonomía real, sin necesidad de intervención humana, a la hora
de controlar aspectos como la iluminación, la climatización, la seguridad y el
riego de zonas exteriores. Dicho control también permite al usuario establecer
diferentes parámetros de forma manual, así como actuar directamente sobre los
distintos elementos de la casa a voluntad. El sistema también tiene en cuenta el
consumo energético de la vivienda y es capaz de ajustar los niveles de confort de
la misma con el fin de limitar el gasto si fuera necesario.
Construir una maqueta a escala de una vivienda donde sea posible demostrar el
control una vez desarrollado. Por un lado, una maqueta permite ser trasladada
con facilidad, pudiendo así demostrar su funcionamiento donde sea necesario. Y,
por otro lado, aun tratándose de un modelo a escala, se controla de la misma
forma que una vivienda a tamaño real, con los mismos algoritmos de control y
mismo software y se obtienen resultados escalables. Además, los costes del
proyecto (incluyendo sensores y actuadores, con todo el material y cableado
necesario para su instalación, y la propia casa), son mucho menores en el caso de
la maqueta.
2. Metodología
En el proyecto se pueden distinguir tres grandes bloques de funcionamiento:
SENSORES/
ACTUADORES
MICROCONTROLADORES
dsPIC30F3010
SOFTWARE DE
CONTROL (PC)
Figura 1- Bloques principales del sistema
El primer bloque, el de los sensores y actuadores, es el que permite obtener la
información de los cambios internos y externos de la casa (luminosidad, temperatura,
humedad y presencia) y, a su vez, permite que la casa responda de forma que se
cumplan las consignas dictadas por el control.
No existen circuitos de acondicionamiento de la medida de los sensores, esto es,
no hay circuitos de puesta a cero ni de linealización. Esto se decidió realizar así por dos
motivos: simplicidad y robustez. Es simple debido a que se reduce sensiblemente el
número de componentes necesarios por cada sensor y se considera que es una solución
más robusta debido a que se eliminan posibles fuentes de fallo intermedias o desajustes
de la calibración que afecten a las medidas. Aprovechando la potencia de cálculo del
software de control del ordenador, se ha preferido tomar la medida en bruto de la
tensión correspondiente a cada sensor y operarla para obtener el valor de la magnitud
medida. Los actuadores, por su parte, tienen la electrónica necesaria para su
alimentación, así como la necesaria para poder controlar su funcionamiento, bien sea a
base de transistores o de relés.
Los microcontroladores empleados son los dsPIC30F3010 de Microchip. Como
placa base para los mismos, se ha empleado una placa PicTrainer por cada uno de ellos.
Estas placas contienen el zócalo para insertar el microcontrolador, pines accesibles para
conectar circuitos electrónicos al microcontrolador, una zona apta para soldar
componentes (en este caso, todos menos los sensores y actuadores en sí mismos, que
están instalados en la casa empleando cables) y la circuitería necesaria para permitir la
conexión al PC por medio de un cable USB.
Figura 2- Placa PicTrainer con circuitos de acondicionamiento
Para la programación de los microcontroladores, se ha usado el entorno de
trabajo MPLAB IDE 8, empleando el lenguaje C. Para la labor de depuración y la
programación definitiva de los mismos, se ha empleado un programador y debugger
PICKit 3, también de Microchip.
Los microcontroladores hacen de intermediarios entre los sensores y actuadores
y el ordenador de control. Están programados con las funciones necesarias para poder
medir la tensión de los sensores, empleando convertidores A/D, controlar los actuadores
y comunicarse con el software de control del PC para transmitirle los valores medidos y
recibir las órdenes que ejecutar sobre los actuadores.
El software de control de PC, por su parte, es la interfaz de control de la casa,
propiamente dicha. Permite controlar todos los parámetros de la casa, tanto de forma
automática (empleando los algoritmos correspondientes) como de forma manual si se
desea.
Figura 3- Interfaz del software de control
Consiste en una aplicación para Windows, desarrollada con Microsoft Visual
Studio 2008 en Visual C++. Dispone de una interfaz gráfica en la que el usuario puede
modificar las consignas de control por medio de controles visuales (que serán intuitivos
y familiares para el usuario, tales como deslizadores o botones) y activar o desactivar
las funciones del control automático que desee, así como obtener información sobre qué
está ocurriendo en la casa (qué temperatura hay, qué nivel de iluminación hay en cada
habitación, si se está regando o no, cuánta potencia se está consumiendo y cuántas
personas hay y dónde se encuentran). El programa, en modo automático, sigue un bucle
en el que lee los valores necesarios de los microcontroladores, realiza los cálculos
correspondientes para transformarlos en las magnitudes de interés y aplica en cada caso
el algoritmo correspondiente de control para conseguir que dichos valores se aproximen
con la mayor exactitud posible a las consignas fijadas tanto por el usuario como por el
propio control en caso de necesitar recortar el gasto energético.
3. Conclusiones
Una vez que se juntan los tres grandes bloques del proyecto y se integran con la
propia maqueta, el resultado obtenido es el de una casa a escala completamente
automatizada que responde adecuadamente a las consignas que se fijan desde el control
y es capaz de cambiar lo que sea necesario. A partir de aquí, este demostrador ya está
preparado para poner a prueba la bondad de nuevos algoritmos de control, más rápidos,
precisos y eficientes, que puedan llevarse después a una vivienda real.
Por otro lado, tras evaluar el funcionamiento del demostrador se puede afirmar
que se han cumplido satisfactoriamente los objetivos marcados al comienzo del
proyecto.
Figura 4- Aspecto final del demostrador
AUTOMATION OF A MODEL HOUSE. DOMOTICS.
SUMMARY
1. Introduction
We live in an intelligent world. Mobile phones can do much more than just
calling, there are cars that can be driven by themselves and televisions offer on-demand
contents. These are just some intelligent objects that seemed like almost like sci-fi not
so long ago but they do exist right now or will exist soon. However, there is still a field
in which that intelligent is not present today or it is not in the way it is in other areas,
such as those already mentioned. This is domotics, or home automation.
1.1 State of the art
Nowadays, home automation systems are mainly aimed to offer the user a
centralized control of the house whether from inside or from outside, through the
internet. Centralized control is a step forward towards home automation, but cannot be
considered as an intelligent system by itself. To be an intelligent system, that control
should be able to control many internal and external parameters of the house and
respond to them without the direct intervention of the user. Currently, most of the
commercial home automation systems available in the market do not take care of this,
offering automation systems based on IFTTT rules (IF This Then That) or scheduled
tasks. Also, they do not pay enough attention to the user interface, turning the control of
the system into a difficult task and making home automation systems undesirable.
Current research and the new products derived from it, however, are focused on
two important features for domotics such as the interconnection of different devices of
the home through the internet (so called “the internet of the things”) or integrating
lightning or climate control on the Smartphone. The first one, the interconnection
between the different systems of the house at the lowest level is essential to develop the
home automation systems in a way that let the system control almost everything in the
house. The second one, the Smartphone integration of the control brings domotics
nearer to the users, making them to interact with home automation systems in an easier
and more natural way. However, all of those developments do not define domotics by
themselves, but they are key features needed to make possible a real home automation.
1.2 Motivation and main aims
The motivation for this project is to build a demonstrator that allows researchers
to develop and try intelligent control algorithms and demonstrate its behaviour.
Therefore, the aims of this project are:

To develop a centralized control system (using a computer) able to manage
automatically all parameters of the house without human intervention. It has to
be able to control lightning, climate, security and irrigation. That control system
also allows the user to set any parameter manually and control any device of the

home. The control system also takes into account the power consumption of the
house and is able to adjust the comfort levels of it to limit that consumption if
necessary.
To build a scale model of a house to demonstrate the behaviour of the developed
control system. On one hand, a model can be moved easily making it possible to
show its behaviour where necessary. And on the other hand, even being a scale
house, it is controlled in the same way a full-size house is, with the same
algorithms and the same control software. Also, the cost of the project is lower
with a model house than with a full-size one (including the cost of bigger
sensors and actuators, wiring and the house itself).
2. Methodology
The automation system has three main parts:
SENSORS/
ACTUATORS
MICROCONTROLLERS
dsPIC30F3010
CONTROL
SOFTWARE (PC)
Figure 1 - Main parts of the system
The first one, the sensors and actuators one, lets the system to get the
information of the internal and external changes of the house (light, temperature,
humidity and presence) and also lets the house to respond to them in order to match the
levels set by the control.
There are no sensor-conditioning circuits (no zero adjustment or linearization
circuits). This was decided so because it reduces significantly the number of necessary
electronic components for each sensor and because it is considered a way more robust
solution as it removes possible sources of failure or calibration mismatches that may
alter the measurements. Taking advantage of the computing power of the computer
control system, it was preferable to let the microcontroller read the raw voltage value
coming from the sensor and calculate the actual measurement in the corresponding scale
(lux, ºC…) on the computer. The actuators have circuits to supply them power and to
control their behaviour, using transistors or relays.
Microcontrollers used are dsPIC30F3010, made by Microchip. Each of these
microcontrollers is installed on a PicTrainer board. These boards have the socket to
insert the microcontroller, I/O pins to connect electronic circuits directly to the
microcontroller pins, an area in which electronic components can be soldered (in this
case, all components are soldered there but the sensors and actuators, which are
installed in the house) and the circuitry necessary to connect the board to the PC via
USB.
Figure 2- PicTrainer board with some conditioning cirtcuits on it
The development environment used to develop the microcontrollers’ software is
MPLAB IDE 8, programming in C language. For the debugging and the programming
of the microcontrollers, it has been used a PICKit 3, a Microchip programmer and
debugger.
The microcontrollers act as intermediaries between sensors and actuators and the
control computer. They are programmed with the necessary functions to make them
able to read the voltage of the sensors (using A/D converters), control the actuators and
communicate with the control software on the PC to transfer the read values and receive
the commands to control the actuator.
The PC control software is the control interface of the house. It allows to control
all the parameters of the house in an automatic way (using the right algorithms) or in a
manual way if desired.
Figure 3- Control software interface
It is a Windows application, developed with Microsoft Visual Studio 2008 using
Visual C++ language. It has a graphical interface in which the users can set any
parameter they want using visual controls that will be familiar to them (such as sliders
or buttons) and activate or deactivate any automatic function. They also can get
information of what is happening in the house (what is the temperature or the lightning
level on each room, if the garden is being irrigated or not, how many power is the house
consuming and how many people are there in the house and where are they). The
program, running in automatic mode, follows a loop in which reads the necessary values
from the microcontrollers, calculates the real magnitudes behind those voltages and
applies the corresponding control algorithm to get those values nearer to the user
settings (or the control system own settings, in case of a cut in power consumption is
needed).
3. Conclusion
The result of these three parts working together and integrated with the model
house is a fully automated model house capable to respond accurately to the commands
of the control system and to make the necessary changes if there is any external change
to hold the value of the controlled variables. From this point forward, this demonstrator
is ready to try the goodness of new algorithms, making possible to develop in an easy
way faster, more accurate and more efficient algorithms that can be installed later on a
real house.
Furthermore, after evaluating the performance of the demonstrator is proven that
all the aims of this project have been reached successfully.
Figure 4- Final appearance of the model house