SISTEMA DOMÓTICO PARA UNA CASA INTELIGENTE

SISTEMA DOMÓTICO PARA UNA CASA INTELIGENTE
Autor: Marcos Peirotén, Rodrigo Alejandro de
Directores: Sánchez Miralles, Álvaro. Boal Martín-Larrauri, Jaime
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
1. Introducción
Desde mediados del siglo XX se han organizado varias exhibiciones para
enseñarnos ideas de cómo las casas aparentarían y cómo funcionarían en un futuro
lejano. La gente se imaginaba cómo se podría hacer más cómoda la estancia en casa,
cómo se facilitarían las tareas domésticas, etc. Después de la aparición de dispositivos
electrónicos inteligentes como el ordenador fue surgiendo el concepto de la
automatización del hogar: la domótica [1].
Este concepto se refiere a la automatización y control (encendido, apagado,
apertura, cierre y regulación) de aparatos y sistemas de instalaciones eléctricas y
electrotécnicas (iluminación, climatización, persianas y toldos, puertas y ventanas
motorizadas, el riego, etc.) de forma centralizada y/o remota. El objetivo principal del
uso de la domótica es el aumento del confort, el ahorro energético y la seguridad del
hogar.
Sin embargo, llevar a cabo la automatización de un hogar no es tarea fácil. Es un
sistema complejo con una gran variedad de elementos conectados entre sí. Es
imprescindible una organización rigurosa del sistema para que en su conjunto pueda
funcionar correctamente. Se deben definir unas reglas de automatización y de
comunicación de manera que los dispositivos de percepción (sensores) comuniquen el
estado actual de varios aspectos de la casa a los dispositivos que se encargan de cambiar
estos aspectos (actuadores) para poder llevar a cabo el objetivo principal de la domótica.
Además, debe haber una interfaz para que el usuario pueda personalizar el sistema
inteligente a su antojo, como por ejemplo la temperatura en una habitación.
La
arquitectura
del
sistema
inteligente podría parecerse a lo mostrado
en la Figura 1 [2]. La comunicación del
sistema debe ser una red de bajo alcance, de
baja tasa de transmisión de datos y de bajo
consumo de manera que el coste no sea
alto. A día de hoy se han desarrollado
varios protocolos de comunicación que
cumplen estos requisitos; y casi todos están
enfocados al tema de la domótica.
Figura 1: Arquitectura posible de un sistema domótico [2]
1
Un importante aspecto de un sistema domótico es que no debería requerir la
constante atención del usuario, sobre todo en temas de regulación. Un sistema que
regule la temperatura a lo largo del día en una sala seguramente ahorre más energía que
una persona regulando el termostato. La única salvedad es el mantenimiento del
sistema; por ello, se trata de diseñar un sistema domótico resistente y de bajo consumo
de modo que se permita un mantenimiento menos frecuente.
Debido a estos aspectos del sistema domótico, la demanda en este sector está en
aumento mientras que estos sistemas inteligentes avanzan en diseño y tecnología. Por
ello, la gente de hoy en día busca esta alternativa cómoda para cambiar su vida cotidiana
a algo más atractivo y moderno.
Hoy en día existe un gran número de empresas en este sector; y como ejemplo se
muestran los siguientes 2 ejemplos: SmartThings [3] e INSTEON [4]:
Figura 2: Ejemplos de empresas en el sector de la domótica
La empresa SmartThings, que ahora está en auge, ha diseñado una centralita o
hub que entiende de varios protocolos inalámbricos como ZigBee o WiFi y también
tiene conexión a un servidor en internet. Habilitando los electrodomésticos existentes
para la comunicación inalámbrica, este hub se conecta los electrodomésticos entre sí en
una red inalámbrica para formar el sistema domótico. En cambio, la empresa INSTEON
vende ya sus electrodomésticos habilitados para la comunicación con su protocolo de
comunicación propio, que bien puede ser por WiFi o por el cableado eléctrico
(powerline communications).
Sin embargo, aunque son muy completos en cuanto a la automatización del
hogar, ofrecen escasas alternativas en cuanto al ahorro energético. Además, la gran
mayoría de las empresas en el sector de la domótica se han fundado en EEUU, donde la
domótica es un sector más fuerte; y éstas se han internacionalizado después. Por ello, en
países como España apenas se pueden encontrar anuncios y ofertas provenientes de
empresas de domótica.
2
Esto es lo que despierta interés en
este proyecto. Este proyecto constituye
la mitad de un gran proyecto. Este
proyecto se encarga del control de los
sensores y actuadores que sirven
propósitos
distintos:
seguridad,
climatización, iluminación y ocio. El
otro se encarga del ahorro energético por
medio de, por ejemplo, almacenar la
energía cuando esta sea barata y usarla
cuando sea cara. Así, un hogar podrá
aprovechar el confort y la seguridad que
ofrece el sistema de automática y el
ahorro energético del de energía. Debido
a ello, este proyecto se ha dedicado a
cumplir los siguientes objetivos:
Figura 3: Estructura del proyecto global
Desarrollo de una red inalámbrica con dispositivos de control.
Integración de sensores y actuadores a la red.
Desarrollo de un software de interacción con el usuario a través de un PC.
Integración con el sistema gestor de energía.
2. Metodología
Se ha definido una arquitectura para
el sistema general, que se muestra en la
Figura 4. El sistema domótico tiene cuatro
partes importantes: el sistema de seguridad,
el de iluminación, el de climatización y el de
ocio; con sus respectivos sensores
(temperatura,
luz,…)
y
actuadores
(persianas, calefacción,…). El maestro se
encarga de coordinar el sistema domótico y
el sistema gestor de energía, además de
formar un puente entre el usuario y ambos
sistemas. El usuario puede gestionar estos
sistemas a través de la interfaz de control,
que muestra la información relevante del
sistema, que se almacena en la base de datos.
Figura 4: Arquitectura general del sistema
En cuanto al hardware de esta arquitectura, en el nivel más alto se encuentra un
PC y un router. Los niveles más bajos son tarjetas controladoras gestionadas por un
microprocesador de Microchip Technology Inc, las cuales son capaces de comunicarse
entre ellos con un protocolo de comunicación inalámbrica mediante un módulo de
3
radiofrecuencia de la misma empresa basada en ZigBee: MiWi. Además, el maestro
central es una tarjeta especial, la cual también es capaz de comunicarse por WiFi a
través de un módulo de comunicación WiFi de la misma empresa con el router para
llegar al servidor y enlazar ambos niveles del sistema.
En cuanto al software de este sistema, en el nivel más alto se ha diseñado con Qt
Designer la interfaz de control y se ha programado con Microsoft Visual Studio 2010 en
lenguaje C++. La conexión con la base de datos MySQL se ha programado con el
mismo programa y también se ha hecho posible con ODBC (Open DataBase
Connectivity). Para la conexión MiWi y WiFi se han empleado los drivers de Microchip
Technology Inc. de estos protocolos en los microprocesadores. El algoritmo de control
que los microprocesadores deben seguir en este proyecto se ha programado con
MPLAB IDE.
3. Resultados
Se han desarrollado 5 tarjetas controladoras distintas, aunque dos de ellas sirven
propósitos parecidos: son la TCD (Tarjeta Control Domótico), la TCI-4F (Tarjeta de
Control de Iluminación – 4 Fases), la TCI-F (Tarjeta de Control de Iluminación – Foco),
la TCA (Tarjeta de Control de Actuadores) y la TCC (Tarjeta de Control Central:
(a) TCD
(b) TCI-4F
(d) TCA
(c) TCI-F
(e) TCC
Figura 5: Tarjetas desarrolladas en el proyecto
La TCD en principio se diseñó como una tarjeta de propósito general, pero como
los sensores son los únicos que requieren un circuito de acondicionamiento simple, se
4
han desarrollado las demás tarjetas, aparte de la TCC, que es el coordinador de los
dispositivos. Las tarjetas TCI-4F y TCI-F se han diseñado para conectarles LEDs RGB,
que sirven propósitos de iluminación personalizada (sistema de ocio). La tarjeta TCA se
ha diseñado para actuar varios tipos de sistemas automatizados (persianas, riego,…)
mediante sus relés.
En cuanto a la interfaz de control,
se ha desarrollado la mostrada en la
Figura 6. Según la habitación escogida en
la lista desplegable de la izquierda en la
parte inferior (dentro de la pestaña de
Home Automation) se muestran las
lecturas de los sensores y los
controladores para los actuadores (en este
caso existen persianas y LEDs RGB para
controlar). En caso de que no exista un
dispositivo de los que se muestran en la
Figura 6 instalado en la habitación
seleccionada, se mostrará un mensaje de
advertencia.
Figura 6: Interfaz de control
4. Conclusiones
Este proyecto ha contribuido a desarrollar un sistema domótico robusto, fácil de
controlar, y modular, ya que se puede controlar los dispositivos conectados a estas
tarjetas sin importar su número. Este sistema domótico se ha integrado con éxito con un
sistema gestor de energía para cubrir las necesidades de ahorro energético de la casa
inteligente. Asimismo, durante el proceso se ha modificado el protocolo de
comunicación MiWi para que sea más entendible para el usuario y para mejorar su
funcionamiento, que puede ser aprovechado en futuras aplicaciones.
5. Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
Wikipedia, domótica: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica
Casadomo, domótica: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14
Empresa SmartThings: http://smartthings.com
Empresa INSTEON: http://www.insteon.net/
Palabras clave: domótica, automatización del hogar, WiFi, ZigBee, casa inteligente.
5
HOME AUTOMATION SYSTEM FOR A SMARTHOME
PROJECT ABSTRACT
1. Introduction
Since mid-20th century, many exhibitions have been organized to show ideas
about how would houses look and function in a distant future. People were imagining
how could one make their homes more comfortable, how could the domestic tasks
become easier, etc. Following the arrival of intelligent electronic devices like
computers, the concept of home automation started to be present in many places [1].
This concept refers to the automation and control (switching on and off,
opening, closing and regulation) of devices and of electrotechnic and electrical
installations (lighting, climate control, blinds and sunshades, doors and motorized
windows, sprinklers, etc.) in a centralized way and/or remote. The main targets of home
automation are to increase comfort, security and energy savings.
However, carrying out the automation of a home is not an easy task. It is a
complex system with a wide variety of interconnected elements. It is necessary to
establish a rigorous organization of the system so it can run correctly by itself.
Automation and communication rules must be defined so the perception devices
(sensors) are able to communicate their current status regarding several aspects of the
home to the devices which are in charge of changing these aspects (actuators) to carry
out the main targets of home automation. In addition, there should be an interface so
that the user can customize the intelligent system as he/she pleases, like, for example,
the temperature of a certain room.
The network could look like what is
shown in Figure 1 [2]. Its communication
should be low-range, low-bitrate and lowconsumption in order to reduce costs. As of
today, many protocols have been developed
which meet these requirements; and the great
majority are focused to home automation
environments.
Figure 1: Possible architecture of the system [2]
An important feature of a home automation network is that it should not require
the user’s constant attention, especially in regulation tasks. A system that adjusts the
temperature in a room throughout the day will surely save more energy that a person
adjusting the thermostat. The only exception is the maintenance of the system;
therefore, this is about designing a robust and low-consumption home automation
system in order to afford less frequent maintenances.
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Due to these features of the home automation system, the demand in this sector
is increasing and these systems are upgrading in design and technology every year. That
is why people today want to find this comfortable alternative to change their day-to-day
lives to something more attractive and modern.
As of today there are a great number of companies in this sector; and as an
example the following 2 examples are shown: SmartThings [3] and INSTEON [4]:
Figura 2: Examples of companies in the home automation sector
On the one hand, the SmartThings company, which is relatively new, has
designed a hub that understands several wireless protocols such as ZigBee or WiFi and
also has connection with an online server. Enabling the existing appliances for wireless
communication, this hub connects all these appliances together in a wireless network to
create the home automation system. On the other hand, the INSTEON company sells its
own appliances enabled for communication with their own communication protocol,
that can be either by wireless communication or by powerline communications.
However, even if they are complete regarding automation at home, it offers very
few alternatives regarding energy savings. In addition, the great majority of companies
in the home automation sector have been founded in the USA, where home automation
is a stronger sector; and these have globalized eventually. This is why, in countries like
Spain, people can barely find advertisements and offers coming from home automation
companies.
This is what generates interest in this project. This project constitutes the half of
a great project. This project is in charge of the control of the sensors and actuators that
serve different purposes: security/safety, lighting, heating/cooling and leisure. The other
is in charge of energy savings through, for example, energy storage when it is cheap and
its use when it is expensive. By doing so, a home can take advantage of the comfort and
the security that the automation system provides and the energy savings provided by the
energy system.
Therefore, this project has been carried out by completing the following
objectives:
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Wireless network with control
devices development.
Sensor and actuator integrations.
Interaction software with the user
using a PC.
Energy system integration.
Figura 3: Global project structure
2. Methodology
An architecture has been defined for
the general system, shown in Figure 4. The
home automation system is made up of 4
main
subsystems:
security,
lighting,
heating/cooling and leisure; with their
respective sensors (light, temperature,…)
and actuators (blinds, heaters,…). The
master is in charge of coordinating the home
automation system and the energy control
system, as well as creating a bridge between
the user and both systems. The user can run
these systems using the control interface,
which displays relevant information
regarding the system, which is also stored in
the database.
Figure 4: General system architecture
In the matter of this architecture’s hardware, there is a PC and a router at the
topmost level. The lower levels are controller boards runned by Microchip Technology
Inc. microprocessors, which are able to communicate among themselves with a wireless
communication protocol by means of a radiofrequency module from the same company
based on ZigBee, MiWi. In addition, the central master, which is represented by a
special controller board, which is also able to communicate by WiFi through a WiFi
module of the same company with the router to reach the server and link the
architecture’s levels.
Regarding this architecture’s software, the control interface has been designed
with Qt Designer and has been programmed with Microsoft Visual Studio 2010 in C++
language. The link with the MySQL database has been programmed with the same
program and has been made possible with ODBC (Open DataBase Connectivity).
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Microchip Technology Inc. drivers have been used for the MiWi and WiFi connection
of its microprocessors. The control algorithm which the microprocessors follow in this
project has been programmed with MPLAB IDE.
3. Results
Five different controller boards have been designed, although two of them are
used for similar purposes. These are (Spanish names are shown too): the Domotic
Controller Board (TCD – Tarjeta de Control Domótico); the 4-Phase Lighting
Controller Board (TCI-4F – Tarjeta de Control de Iluminación – 4 Fases); the Spotlight
Lighting Controller Board (TCI-F – Tarjeta de Control de Iluminación – Foco); the
Actuator Controller Board (TCA – Tarjeta de Control de Actuadores); and the Central
Controller Board (TCC – Tarjeta de Control Central):
(a) TCD
(b) TCI-4F
(d) TCA
(c) TCI-F
(e) TCC
Figure 5: Controller boards designed in this project
The TCD was designed initially as a general purpose Controller Board, but due
to the fact that the sensors are the only devices which required a simple conditioning
circuit the other boards were designed, apart from the TCC which is the device
coordinator. The TCI-4F and TCI-F boards were designed to connect RGB LEDs to
them, which are used for customized lighting (leisure system). The TCA is suitable for
actuating various types of automatic systems (blinds, sprinklers,…) by means of relays.
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In the matter of the control
interface, the one shown in Figure 6 has
been developed. The sensor readings and
the controllers of the actuators (in this
case there are blinds and RGB LEDs to
control) are displayed according to the
room selected from the pull-down menu at
the left (under the Home Automation tab).
In case of a missing device among the
ones shown in Figure 6, a warning
message will be displayed and the
controller will be disabled.
Figure 6: Control interface
4. Conclusions
This project has contributed to develop a robust home automation system, which
is easy to control and has modulation options, due to the fact that no matter how many
boards and devices installed, the system is still controllable. This home automation
network has been successfully merged with the energy control system to cover the
energy saving needs of the smarthome. Additionally, during the process the MiWi
wireless protocol has been modified to make it more user-friendly and to upgrade its
performance, which can be used in future applications.
5. References
[1]
[2]
[3]
[4]
Wikipedia, domotics: http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica
Casadomo, domotics: http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14
SmartThings company: http://smartthings.com
INSTEON company: http://www.insteon.net/
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