REDUCCION DEL CONSUMO DE AGUA EN EDIFICIOS

Reducción del Consumo de Agua en Edificios
Mediante Implantación de Sistemas Automáticos
PROYECTO DE INGENIERIA DE SISTEMAS II
INTRODUCCIÓN
El agua un recurso fundamental para la vida. Este recurso es ampliamente utilizado en
diversos ámbitos como el domestico, industrial y agrícola.
En el siglo XXI grandes regiones del planeta padecerían de escasez extrema de agua: En el
año 2025 habrían más de treinta países (800 millones de personas) con disponibilidad de
agua menores a 1000 m3/hab./año1.
La escasez del agua provoca:
o
Degradación del suelo, la sequía y la desertificación están vinculadas a niveles más
bajos de los ríos, lagos y acuíferos, lo que afecta a la cantidad y la calidad de la
oferta de agua dulce.
o
Limitación de la expansión y producción agrícola e industrial.
o
Racionamiento del agua en el sector poblacional.
El calentamiento global viene afectando a casi
todos los países del planeta, en el Perú el
calentamiento global es un factor que influye en
nuestro panorama hídrico, es decir, en los últimos
30 años han desaparecido el 25% de los glaciares
andinos con un impacto negativo en el caudal de los
ríos y por ende en la producción hidroeléctrica, en la
agricultura, población e incluso en el turismo2.
En este contexto, es una tarea fundamental crear herramientas para lograr el uso
responsable y eficiente del agua. Actualmente con el desarrollo y aplicación de las
tecnologías es posible gestionar de una manera adecuada y optima este valioso recurso en
casas y edificios, permitiendo así ahorrar costos de consumo, cuidar y preservar el recurso
hídrico para las futuras generaciones.
1
Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente - http://www.pnuma.org/
2
Blog Juan Arellano: Aguas revueltas, la problemática del agua en el Perú - http://www.arellanojuan.com/aguas-revueltas-laproblematica-del-agua-en-el-peru/
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El edificio Guernica ubicado en la Av. Reducto 1091, Miraflores,
Lima es un edificio moderno concebido como un espacio para la
comodidad, cuenta con 134 departamentos distribuidos en sus 17
pisos, acondicionado con 2 salones de usos múltiples, un lujoso
hall de ingreso y cuatro ascensores de alta velocidad. Dada la
complejidad de esta Infraestructura típica, en edificios actuales, es
difícil gestionar de manera adecuada el uso del servicio de agua
empleando métodos convencionales por lo que es necesario hacer
uso de herramientas tecnologías para una gestión automática de este recurso en la
totalidad del edificio.
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CAPÍTULO 1: EL PROBLEMA
1.1.
Planteamiento del Problema
Reducción del nivel de consumo de agua en m3 mediante
la implantación de un sistema de control automático de
gestión de agua en el edificio multifamiliar Guernica,
Miraflores, Lima
Parámetros
Carrera
Ingeniería de Sistemas.
Área
Tecnología.
Asignatura/Especialidad
Control Automático de Recursos.
Reducción del consumo de agua aplicando
Temas
procesos de automatización controlados por
software y hardware
Temas Específicos
Reducción de costos en el consumo de agua.
Gestión óptima y eficiente del agua en edificios
multifamiliares
Situación Problemática
mediante
la
aplicación
de
tecnología orientada al control automático con
el objetivo de lograr una reducción en el
consumo, reducción en costos de consumo y
uso eficiente del recurso hídrico.
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1.2. Formulación del Problema
En el año 2025, 3 mil millones de personas podrían
carecer de los requerimientos básicos de agua vital.
Asimismo, es previsible que el agua se convierta en
uno de los principales temas de conflicto a lo largo
de este siglo; es urgente dar respuesta a la meta 10
de los objetivos del milenio, la cual se refiere a
resolver el problema de escasez del agua3.
El agua no es sólo es un factor determinante para el funcionamiento de los
ecosistemas, sino un asunto crítico para el desarrollo de las naciones. Es por ello que
su cuidado es sumamente imprescindible. En el Perú hay variedad de cuerpos de
agua distribuidos en ríos, lagos, lagunas y manantiales. Sin embargo un problema
importante es el abasto y su distribución.
En la actualidad en el país se vive
en un ambiente de un incremento
muy
desmesurado
construcción
multifamiliares,
construcción
de
de
la
edificios
el
crece
sector
a
tasas
superiores al 10%, vale decir a
ritmos mayores que la tasa de
crecimiento del PBI global. Tal es
así que desde el año 2006 creció en más del 14% anual, excepto en el año 2009
cuando cayó al 6% causado por
la crisis financiera
internacional,
pero
inmediatamente se recuperó hasta alcanzar en el año 2010 una tasa superior al 17%.
Los años subsiguientes continuó creciendo, aunque con menor velocidad4.
3
Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente - http://www.pnuma.org/
4
BCRP e INEI: EL BOOM DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION EN EL PERU - http://www.inei.gob.pe/ http://www.bcrp.gob.pe/estadisticas.html
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Un gran número de estas edificaciones no usan sistemas de control que permita
gestionar de manera adecuada el consumo del recurso hídrico, en consecuencia hay
mucha perdida del líquido elemento lo cual repercute grandemente en el ecosistema y
además genera gastos elevados e innecesarios en la economía de los ciudadanos.
A pesar de los constantes esfuerzos de las instituciones el agua se desperdicia
constantemente. En los edificios y casas el mayor desperdicio de agua se da en las
regaderas, inodoros, y válvulas de salida (caños). Esto podría ser evitado con el uso
de herramientas tecnológicas que permitan controlar de manera eficaz el consumo de
este recurso.
1.3. Objetivos de la investigación
Objetivo General
o
Determinar el nivel de ahorro en el consumo de agua en m3 con la
implantación de sistemas de control automático que gestionen de manera
optima y automática su distribución en el edificio multifamiliar Guernica,
Miraflores, Lima.
Objetivos Específicos
o
Diseñar e integrar un prototipo de software de control automático que permita
gestionar el consumo agua utilizando sensores, PLCs y lenguaje de
programación java.
o
Exponer las características y beneficios de las tecnologías aplicadas al control
automático en nuestra realidad.
o
Aportar al cuidado del entorno ecológico y conservación del recurso hídrico
para las próximas generaciones.
o
Acercar a la población a la utilización de herramientas tecnológicas para la
gestión eficiente del recurso hídrico.
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1.4. Justificación de la Investigación
Porque?
El agua es un recurso vital para la vida. A pesar de esta realidad en la actualidad de
toda el agua potable que se produce en el país, el 42% se pierde principalmente por el
mal uso, fugas y conexiones clandestinas. Por hacer una comparación, mientras que
en el Perú se pierde 42% de agua potable, en países del primer mundo como Japón,
el porcentaje de pérdida es solo de 3,5% en Alemania 5%, incluso en países
latinoamericanos como México se pierde solo 17%5.
Una de las causas más importantes y comunes
es el desperdicio de agua debido a una
inadecuada gestión, lo cual permite que agua
fluya sin control; Por ejemplo el inodoro es el
sistema sanitario donde se pierde más agua, la
perdida en un inodoro malogrado pude llegar a
ser cercano a 5000 litros al día5.1, lo cual
también representa un costo adicional. Pero más allá del costo que implica, se está
arrojando al desagüe, agua tratada apta para consumo humano sin darle ningún uso.
Esto nos lleva a hacernos algunas interrogantes como:
- ¿Somos conscientes de la importancia de este recurso en nuestra vida diaria?
- El costo que pagamos por el agua, ¿es realmente lo que consumimos?
Actualmente, en el ámbito internacional, existen soluciones,
basadas en aplicación de tecnología, para el problema de
gestión óptima del agua en edificios pero aún están muy
alejadas de nuestra realidad y son poco aplicables debido a la
complejidad y a que requieren grandes inversiones de dinero e
infraestructura específica6.
5
SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento - http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php
5.1
6
RPP PUBLICACIONES : Septiembre 2010,
CEDOM : Asociación española de Domótica - http://www.cedom.es/
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Para qué?
Con la aplicación de la tecnología, se puede reducir los costos de consumo y
optimizar la gestión del líquido elemento; para ello se plantea brindar soluciones en el
área de la Inmótica del agua orientada a la gestión integral del agua en la edificación y
los puntos de consumo, con lo cual se lograra el control automático del agua en sus
variables: caudal y consumo.
Para la gestión integral del agua en los edificios se contara de una serie de
componentes mecánicos y electrónicos más un software de gestión que permiten
conocer, gestionar, optimizar y establecer políticas de eficiencia. Además posibilita
llevar a cabo cortes puntuales de suministro, realizar limpiezas preventivas
controladas, detectar y ayudar a eliminar el 100% de las fugas e informar sobre el
consumo exacto en cada punto de toma de información.
En consecuencia, se logra una gestión adecuada y eficiente del recurso hídrico en
edificios multifamiliares permitiendo la reducción de costos de consumo y reducción
de desperdicios al máximo. De esta manera aportando significativamente al bienestar
de la economía de los ciudadanos, cuidado del medio ambiente y preservación del
equilibrio en los ecosistemas.
1.5. Limitaciones
o
Ámbito de aplicación: Edificio Guernica, Miraflores, Lima.
o
El tema es poco estudiado y aplicado en nuestro medio, en consecuencia hay
muy pocos estudios previos de aplicación de tecnologías de control automático
en edificios.
o
La comprobación y validación de hipótesis se va a realizar a través de un
prototipo de software.
o
Poco conocimiento en el medio acerca de sistemas de control automático, por
parte de la población.
o
Nivel cultural de la población y falta de conciencia en el ahorro de agua.
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CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la Investigación
2.1.1. Caso de éxito7
Proyecto
“Implantación de Sistemas Automáticos de Gestión del Agua en España”
Prevención de inundaciones, gestión de las sequías y gestión integral del
recurso hídrico.
Alcances
El proyecto trata la implantación de sistemas automáticos de gestión del agua
en España.
Responsable del proyecto.
Creatividad y Tecnología S.A es una empresa de consultaría tecnológica con
30 años de experiencia. Dentro del ámbito del agua está altamente
especializada en planificación hidrológica, sistemas automáticos de gestión del
agua, sistemas de modernización de regadíos (operación remota y control) y
sistema tarifario.
Problemática
España tiene recursos hídricos renovables del orden de 111 000 mil
hectómetros cúbicos lo que supone alrededor de 2 700 m3 por habitante al
año. La distribución de los recursos hídricos es muy heterogenia debido a la
irregularidad de la climatología y las precipitaciones a lo largo de toda la
geografía nacional y a lo largo del año.
Consecuencia de esta irregularidad es la existencia de episodios extremos
asociados como inundaciones y periodos de sequía que ponen en riesgo la
garantía del suministro de agua.
En España durante los últimos 500 años se han documentado al menos 2 400
inundaciones muchas de ellas catastróficas así entre los años entre 1950 y
1990 podemos contabilizar una media de 40 muertos al año, millones de
7
C&T Creatividad y Tecnología – Los Sistemas Automático de Gestión del Agua – España -http://www.cytsa.com
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afectados y unas pérdidas económicas superiores a los 1900 millones de
dólares.
La rotura de una gran presa en el Levante Español en 1982 propicio que la
administración española decidiera implementar un sistema automático de
gestión hídrico a nivel nacional para cada una de las diferentes cuencas
hidrográficas. Así se comenzó a implementar el primer sistema automático,
sucesivamente desde 1985 hasta 1992 se fueron implantando estos sistemas
en las cuencas hidrográficas de la vertiente mediterránea, principales zonas
con riesgo de inundaciones.
A partir de 1995 se comienzan a implantar estos sistemas en el resto de
España esta vez incorporando nuevas tecnologías de desarrollo reciente como
las comunicaciones vía satélite; se trato de una puesta pionera en España con
el liderazgo tecnológico de Creatividad y Tecnología que ha participado en el
diseño y/o proyecto y/o control y vigilancia de todas las grandes cuencas
españolas.
Una vez visto el potencial y adaptabilidad de estos sistemas la administración
decidió en 1992 implantar redes de sistemas automáticos de gestión de
calidad de las aguas para controlar los parámetros de turbidez, oxigeno
disuelto, PH, conductividad, temperatura y otros.
Costos e Inversión
La inversión realizada en España en la implantación de estas soluciones entre
1982 y el año 2009 ha sido de 1000 millones de dólares esta cifra contempla
tanto la construcción como los mantenimientos anuales de estos sistemas.
Es este periodo de tiempo se han implantando estos sistemas en 8 cuencas
hidrográficas mediante la instalación de más de 2200 puntos de control.
Para la administración española se trata de una inversión totalmente justificada
y amortizada desde los puntos de vista; social, debido al drástico descenso de
las muertes por inundación; económico, propiciado por la reducción al mínimo
de las pérdidas materiales por inundaciones y sequías y medio ambiental
como consecuencia de la mejora en la gestión del agua y en la seguridad del
abastecimiento.
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Resultados
Creatividad y Tecnología como proveedor de servicios tecnológicos de alto
valor añadido ha demostrado la bondad de estos sistemas en entornos como:
La planificación hidrológica y caudales ecológicos integrando:
 Modelos hidrológicos.
 Caudales ecológicos.
 Información y participación pública “on-line”.
La gestión integral del recurso hídrico incorporando:
 Modelos de explotación.
 Modelos de ayuda a la decisión.
 Modelos hidrometeoro lógicos.
 Modelos de dispersión de contaminantes.
La gestión de situaciones de emergencia implementando:
 Alarmas automáticas: protección civil y población.
 Estaciones de alerta temprana,
 Automatización de planes de emergencia en presas.
El mantenimiento de infraestructuras mediante sistemas de gestión del
mantenimiento asistido por computadora. Además, esta ha contribuido a
mejorar la gestión de otros sistemas relativos a:
 La potabilización y saneamiento.
 Las redes de abastecimiento.
 Las comunidades de regantes.
De acuerdo con la experiencia de Creatividad y Tecnología el coste anual del
mantenimiento y explotación de un sistema automático de gestión del agua es
aprox. del 2.5% de la inversión inicial en los conceptos de:
 Comunicaciones: infraestructuras y permisos;
 Instrumentación: caudal metros, niveles, pluviómetros;
 Software y licencias conllevan el mayor coste en el mantenimiento.
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Creatividad y Tecnología apuesta por un buen diseño independiente de los
proveedores de equipos para diseñar sistemas extraordinariamente flexibles y
versátiles, lejos de la percepción muy extendida de ser paquetes cerrados,
sobredimensionados y muy caros.
o
Sistemas modulares: Permitiendo la adición de nuevos elementos en
función
del
presupuesto
disponible,
necesidades
del
cliente
y
disponibilidad tecnológica.
o
Sistemas
escalables:
permitiendo
la
inclusión
sucesiva
de
infraestructuras sin costes excesivos, la ampliación del dimensionamiento
a futuras arquitecturas más ambiciosas, la reducción de procesos de
reingeniería, incorporación de escenarios futuros como los derivados del
cambio climático.
o
Diseño de soluciones abiertas para huir de la cautividad del sistema:
soluciones “open source”, protocolos de comunicación e instrumentación
abiertos.
Conclusiones
Para Creatividad y Tecnología los retos para el futuro de los sistemas
automáticos de gestión de recursos hídricos se pueden resumir en ampliar
funcionalidades “SmartBasin” teniendo en cuenta; costes ambientales, gestión
del riesgo; integración global de toda la información disponible incluyendo
ordenación territorial, modelos hídricos, comunidades biológicas afectadas,
organismos de protección civil, sistemas paneuropeos y panamericanos hasta
alcanzar redes de información internacionales y globales, integrar las
tecnologías de los sistemas de gestión del agua “SmartBasin” cuales
plataformas de las “SmartCities”, aumentar la presencia de diseños en base a
soluciones abiertas, potenciar el diseño independiente frente al llave en mano,
ir hacia mantenimientos más fiables y económicos.
Los sistemas automáticos de gestión del agua constituyen una herramienta
esencial para:
 La prevención de inundaciones,
 La gestión de sequías y
 La gestión integral del recurso hídrico.
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2.2. Bases Teóricas
Sistema de control automático, un sistema de control automático es una estructura
que ofrece a sus usuarios un conjunto coherente de herramientas y facilidades que
permite el control centralizado y/o remoto de aparatos y sistemas eléctricos y
electrotécnicos
utilizando
la
tecnología
existente
como
la
electrónica,
telecomunicaciones, electricidad, robótica, etc.8
En la automatización de edificios, según la naturaleza y el uso las exigencias serán
muy diferentes, lo cual nos permite determinar inicialmente dos grandes grupos:

Domótica, define la automatización de la vivienda, del hogar esté en una
vivienda aislada o enun piso de un inmueble, sea cual sea su grado y las
tecnologías empleadas.9

Inmótica, define la automatización de edificios no destinados a vivienda, es
decir, oficinas, despachos, pequeño terciario y servicios en general.9
La aplicación de sistemas de automatización en edificios se hace con el objetivo de
obtener mejoras en:

Seguridad y protección.

Confort.

Comunicación.

Gestión de energía.
Un sistema de control automático se desarrolla tomando en cuenta los adelantos
tecnológicos tales como sistemas de control, PLCs, redes de sensores. Todos nodos
se comunican entre ellos y con un nodo central de forma que pueden cooperar entre
sí y trasmitir la información a otros sistemas de información.
8
Rodríguez Arenas, A. (2005). Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios.
9
Romero Morales, C. (2005). Domótica e Inmótica.
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2.2.1. Estructura de unsistema automatizado
La amplitud de un sistema automatizado
puede variar desde un único dispositivo,
que realiza una sola acción, hasta
amplios
sistemas
que
controlan
prácticamente todas las instalaciones
dentro
de
dispositivos
edificio.
de
Los
los
distintos
sistemas
automatizados se pueden clasificar en
los siguientes grupos:
o Controlador – Los controladores son los dispositivos que gestionan el
sistema según la programación y la información que reciben. Puede haber
un controlador solo, o varios distribuidos por el sistema.
o Actuador – El actuador es un dispositivo capaz de ejecutar y/o recibir una
orden del controlador y realizar una acción sobre un aparato o sistema
(encendido/apagado, subida/bajada, apertura/cierre, etc.).
o Sensor – El sensor es el dispositivo que monitoriza el entorno captando
información que transmite al sistema (sensores de agua, gas, humo,
temperatura, viento, humedad, lluvia, iluminación, etc.).
o Bus – Es bus es el medio de transmisión que transporta la información
entre los distintos dispositivos por un cableado propio, por la redes de
otros sistemas (red eléctrica, red telefónica, red de datos) o de forma
inalámbrica.
o Interface – Los interfaces refiere a los dispositivos (pantallas, móvil,
Internet, conectores) y los formatos (binario, audio) en que se muestra la
información del sistema para los usuarios (u otros sistemas) y donde los
mismos pueden interactuar con el sistema.
Es preciso destacar que todos los dispositivos del sistema de domótica no
tienen que estar físicamente separados, sino varias funcionalidades pueden
estar combinadas en un equipo. Por ejemplo un equipo de Central de Domótica
puede ser compuesto por un controlador, actuadores, sensores y varios
interfaces.
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Los sistemas automatizados actúan e interactúan con los aparatos y sistemas
eléctricos de la vivienda según:

El programa y su configuración.

La información recogida por los sensores del sistema.

La información proporcionada por otros sistemas interconectados.

La interacción directa por parte de los usuarios.
2.2.2. Clasificación de los sistemas automatizados10
Según sea la configuración empleada para implementar sus funciones, se
pueden diferenciar entre sistemas centralizados y sistemas descentralizados.
a.
Sistemas centralizados
Son los sistemas en los que los elementos para controlar y supervisar
(sensores, válvulas, etc.) están conectados en único punto, generalmente a
la unidad de control central que contiene la inteligencia de todo el sistema y
la comunicación entre elementos pasa por tanto por la unidad central.
Los sistemas centralizados presentan dos inconvenientes:
- Para el fabricante la manera más fácil de suministrar productos que
operen con este diseño es mediante la producción del sistema completo.
Ello crea una dependencia de una sola marca, ya que no se asegura que
elementos de un fabricante puedan comunicarse con los de otros.
- El sistema de control es el corazón de la vivienda, lo que supone, que si
éste falta, todo deja de funcionar.
Esquema de Sistema automatizado Centralizado
10
Rodríguez Arenas, A. (2005). Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios.
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b.
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Sistemas descentralizados
En este tipo de sistemas existen diferentes elementos de control, cada uno
de ellosposee la capacidad de tratar la información que recibe y actuar en
consecuencia deforma autónoma. En estos sistemas los elementos de
control están lo más cercaposible de los elementos que se deben controlar.
Mediante este método se eliminan los dos problemas mencionados en el
sistemacentralizado. No existe una unidad de control central, y por tanto, el
usuario nodepende de un solo fabricante; por otra parte, la avería de
cualquier elemento noafecta al funcionamiento del resto. Además existen
otras ventajas, como la facilidad dereconfiguración del sistema, lo que
incide directamente en el grado de flexibilidad, y sobre todo en el ahorro de
cableado de la instalación. Al tratarse de sistemas máscaros también son
sistemas más potentes, que permiten implementar una grancantidad de
aplicaciones y servicios al usuario.
Como inconveniente, este sistema implica una estandarización de los
mensajes yla forma en que se han de transmitir: todos los equipos han de
ser capaces de recibir ycomprender los mensajes enviados por otros
elementos.
Esquema de Arquitectura de Sistema automatizado Descentralizado
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2.2.3. Medios de transmisión
El medio de transmisión de la información, interconexión y control, entre los
distintos dispositivos de los sistemas de control automático pueden ser de varios
tipos. Los principales medios de transmisión son:
a.
Cableado Propio
La transmisión por un cableado propio es el medio más común para este
tipo de sistemas, principalmente son del tipo: par trenzado, paralelo,
coaxial o fibra óptica.
b.
Cableado Compartido
Se utilizan cables compartidos y/o redes existentes para la transmisión
de su información, por ejemplo la red eléctrica (corrientes portadoras), la
red telefónica o la red de datos.
c.
Inalámbrica
Muchos sistemas automatizados utilizan soluciones de transmisión
inalámbrica entre los distintos dispositivos, principalmente tecnologías de
radiofrecuencia o infrarrojo.
Un sistema de control automático puede combinar varios de los sistemas
anteriores, debiendo cumplir los requisitos aplicables en cada parte del sistema.
2.2.4. Tipos de sistema automatizados11
a.
Sistemas Automatizados Ad Hoc
Estos sistemas están pensados para aplicaciones determinadas y su
configuración es muy limitada, como por ejemplo el control de intensidad
de una luminaria, el control de riego por temporizador, el encendido de
luminarias activadas por sensor de movimiento y así un número de
posibles ejemplos para casos concretos.
11
Saavedra Silveira, J. (2009). Domótica. Edificios Inteligentes.
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La funcionalidad de los sistemas está limitada a la programación
establecida por fábrica, dejando poco margen de configuración por parte
del usuario, tan solo tendrá libertad para definir unos pocos parámetros,
por ejemplo, en un temporizador de regadío, el horario de encendido y de
apagado.
b.
Sistemas Automatizados sobre Red Eléctrica de Baja Tensión
En este tipo de instalaciones domóticas, en Redes Eléctricas de Baja
Tensión, también conocidas como Power Line (PL), el medio de
transmisión es el cableado de la red eléctrica de baja tensión (220 VAC).
La transmisión es digital para lo cual se requiere que la onda sinusoidal 20
sea lo más limpia posible, como máximo tenga una distorsión del 10%
sobre la tensión eficaz de 220 VAC y en frecuencia +/- 0.5 Hz. sobre los 50
Hz.
En los Sistemas Automatizados PL, la impedancia, esta genera una
disminución de la tensión como consecuencia del decremento de la
impedancia, causada por el aumento de la capacidad electrostática (C).
Estos pequeños cambios resistivos son detectados por los Sistemas
Automatizados y deben adaptarse dinámicamente a ellos.
Con estos puntos a tener en cuenta la aplicación domótica PL no se debe
utilizar, por normativa, en los casos siguientes: a la hora de monitorizar
equipos médicos, conectar varios edificios, en redes eléctricas donde estén
conectadas maquinarias que sobrepasen los límites de interferencia
radioeléctrica (generalmente motores de potencia), cuando exista
transformadores en la red eléctrica, si la línea de red eléctrica es utilizada
por sistemas que utilicen la banda de 105,6 kHZ. – 115,2 kHZ. y
finalmente, cuando no se asegure los límites 220c +/- 10% y 50 Hz. +/- 0,5
Hz.
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c.
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Técnica sobre Radio Frecuencia
Los elementos empleados para esta técnica utilizan como medio de
transmisión el radioeléctrico. Cada sensor y actuador lleva integrado un
dispositivo transmisor y receptor.Un solo receptor (o varios, si existen
obstáculos insalvables o la vivienda es amplia) es el que recibe las señales
de los sensores para procesarla y emitirla a los actuadores.
La comodidad de esta técnica es que no hace falta ninguna obra de
acometida para la instalación. Incluso pueden adherirse a cristales (como
mamparas) haciendo al sistema muy versátil.La frecuencia utilizada para la
transmisión aún no está estandarizada, por ejemplo, Jung, utiliza 433 MHz
con una potencia más baja que la empleada en la telefonía móvil. Dicha
frecuencia permite una transmisión de 1000 bits/s. La modulación utilizada
es ASK (Amplitude Shift Keying). Un “1” ó “0” se asocia a un nivel distinto
de señal que se modula con la portadora de 433 MHz. El alcance
dependerá de los obstáculos que se encuentren, normalmente cuando el
espacio es diáfano la distancia es de 300 m. decreciendo a 50 m. cuando
existen obstáculos.
2.2.5. Protocolos comunicación12
Los protocolos de comunicación son los procedimientos utilizados por los
sistemas automatizados para la comunicación entre todos los dispositivos con la
capacidad de “controlador”.
Existen una gran variedad de protocolos, algunos específicamente desarrollados
para la domótica y otros protocolos con su origen en otros sectores, pero
adaptados para los sistemas automatizados. En un sistema distribuido los
protocolos de comunicaciones pueden ser abiertos o cerrados (propietarios).
12
Huidobro Moya, M. (2004). Domótica. Edificios Inteligentes.
21
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a.
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Sistemas cerrados o propietarios
Son aquellos en los que los nodos decontrol utilizan un protocolo de
comunicaciones cerrado, es decir, un protocoloque ha sido creado
únicamente para comunicar los productos de un fabricante.
Generalmente estos equipos son más económicos aunque tienen una
grandependencia de un solo fabricante y altos costes de mantenimiento.
b.
Sistemas abiertos
Son aquellos en que los nodos de control utilizan unprotocolo de
comunicación estándar. Estos sistemas ofrecen soluciones másviables y
los diferentes protocolos han evolucionado enormemente. Tienen
suorigen en la década de los 90, y se presentan con soluciones más
completasque los protocolos propietarios, y con capacidad de integrar
productos dedistintos fabricantes.
Su mantenimiento tiene costes más bajos, hay una amplia gama de
productos, y se tiene mucha flexibilidad y capacidad de ampliación. Los
principales
protocolos
de
Sistemas
Automatizados
abiertos
son
LONWORKS, X-10, KONNEX-EIB.
 LONWORKS
LonWorks es una tecnología de control
domótico propietaria de la compañía
americana Echelon Corp. Al igual que
KNX, LonWorks puede utilizar una gran variedad de medios de
transmisión: aire, par trenzado, coaxial, fibra, o red eléctrica.
Requiere la instalación de “nodos” a lo largo de la red que gestionan
los distintos sensores y actuadores. La instalación y configuración
de estos nodos debe ser realizada por profesionales utilizando las
herramientas informáticas apropiadas.
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LonWorks es una tecnología muy robusta y fiable por lo que está
especialmente indicada para la automatización industrial, ámbito del
que procede.Está más implantada en Estados Unidos que en
Europa.
 X-10
EE.UU finales de los 70, para el control
remoto de dispositivos eléctricos. Utiliza la
línea eléctrica (220V o 110V) para transmitir
señales
de
control
entre
equipos
de
automatización del hogar en formato digital.
Domótica X10 es el sistema de Domótica mas extendido y utilizado
en los hogares del mundo debido a su sencillez de instalación y a su
fácil manejo que se adapta a todas las necesidades actuales de
control domótico en los hogares.
X10 es el "lenguaje" de comunicación que utilizan los productos
compatibles X10 para hablarse entre ellos y que le permiten
controlar
las
luces
y
los
electrodomésticos
de
su
hogar,
aprovechando para ello la instalación eléctrica existente de 220V de
su casa, y evitando tener que instalar cables. Este es el principal
motivo por el que X10 se considera un sistema de Domótica sin
instalación.
A nivel físico hace uso de las líneas de baja tensión (ondas
portadoras).En el protocolo X-10 existen tres tipos de dispositivos X10:

Los que sólo pueden transmitir órdenes.

Los que sólo pueden recibirlas.

Los que pueden enviar/recibir.
A medida que fueron desarrollándose nuevos estándares se unieron
en un solo protocolo llamado Konnex.
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 KONNEX: EHS + EIB + BatiBUS
Esta
tecnología
contempla
varios
sistemas de transmisión (cable, radio,
ondas portadoras, fibra óptica, etc.).
EHS (European Home System): Está basada en una topología de
niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se especifican los
niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación.
EIB (European Installation Bus): es un sistema de domótica basado
en un Bus de datos. Utiliza su propio cableado.
BatiBUS: Se basa en la tecnología de par trenzado pudiendo
transmitir hasta 4800 bps (comprobar). El sistema es centralizado,
pudiendo controlar cada central hasta 500 puntos de control.
2.2.6. Componentes de un Sistema Automatizado13
a.
Sensores
La misión de un sensor es la conversión de magnitudes de una determinada
naturaleza a otra, generalmente eléctrica. Estas magnitudes pueden ser
físicas, químicas, biológicas, etc. En un edificio, se encargarán de
proporcionar toda la información necesaria parasu posterior gestión.
Sensores habituales son los de temperatura, humedad, presencia,
iluminación, etc.
En la mayoría de los casos, los sensores disponen de un encapsulado
mediante elcual consigue un correcto funcionamiento al evitar que no le
afecten condicionesexternas distintas de la magnitud a medir.
13
Huidobro Moya, M. (2004). Domótica. Edificios Inteligentes.
24
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A continuación se citan las características más importantes que definen
elfuncionamiento de un sensor:

Amplitud: Diferencia entre los límites de medida.

Calibración: Patrón conocido de la variable medida que se aplica
mientrasse observa la señal de salida.

Error: Diferencia entre valor medido y valor real.

Exactitud: Concordancia entre valor medido y valor real.

Factor de escala: Relación entre la salida y la variable medida.

Fiabilidad: Probabilidad de no error.

Histéresis: Diferencia recorrido de la medida al aumentar o disminuir
ésta.

Precisión: Dispersión de los valores de salida.

Ruido: Perturbación no deseada que modifica el valor.

Sensibilidad: Relación entre la salida y el cambio en la variable
medida.

Temperatura de servicio: Temperatura de trabajo del sensor.

Zona de error: Banda de desviaciones permisibles de la salida.
Se pueden realizar varias clasificaciones de sensores en función de
suscaracterísticas:
Por su alimentación:

Activos: Deben ser alimentados eléctricamente a los niveles
apropiados (tensión, corriente, etc.). Son los más habituales.

Pasivos: No necesitan alimentación eléctrica.
Los sensores pasivos no suelen utilizarse en aplicaciones industriales o
domótica, aunque un termómetro de mercurio y un indicador de presión
serían ejemplos de los mismos.
Por el tipo de señal implicada:

Continuos: Cuando las señales que proporcionan son continuas.

Discretos: Cuando las señales que proporcionan son discretas.
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Un sensor discreto dispone de un número finito de salidas posibles,
quecorresponden a un número finito de estados posibles de la variable a
medir: presenciao no presencia, circuito abierto o cerrado, iluminación o no,
etc. Suelen ser mássencillos, baratos y de gran fiabilidad.
La salida de un sensor continuo es una magnitud cuyo valor varía de
formacontinua en función de la variable medida. Algunos ejemplos son los
de iluminación, de temperatura, de presión, de humedad, de viento.
Por el ámbito de aplicación:
Sensores de temperatura (resistivos,
Gestión climática
semiconductores, termopares…), termostatos,
sondas de temperatura para inmersión, para
conductos, para tuberías, sensores de humedad,
sensores de presión, etc.
Gestión contra
Sensores iónicos, termovelocimétricos, sensores
incendio
ópticos, infrarrojos, de barrera óptica, sensores
ópticos de humos, de dilatación, etc.
Sensores de presencia por infrarrojos, por
Gestión contra
microondas o por ultrasonidos, sensores de
intrusión/robo
apertura de puertas o ventanas, sensores de
rotura de cristales, sensores microfónicos,
sensores de alfombra pisada, etc.
Control de presencia
Control de la
iluminación
Otros sistemas
Lector de teclado, lector de tarjetas,
identificadores corporales (biométricos), etc.
Sensor de luminosidad.
Sensores de lluvia, de viento, de CO, de gas, de
inundación, de consumo eléctrico, de consumo de
agua, de nivel de depósitos, etc.
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b.
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Actuadores
Son los dispositivos electromecánicos que actúan sobre el medio exterior y
afectanfísicamente al edificio. Convierten una magnitud eléctrica en otra de
otro tipo (mecánica, térmica,…), realizando, de alguna manera, un proceso
inverso al de lossensores. Los actuadores pueden mantener niveles de
salida continuos o discretos.
Los actuadores pueden ser el motor de una persiana, los contactores de un
circuito de iluminación, lámparas, radiadores, sirenas, etc.

Relés: son interruptores que permiten conmutar circuitos de potencia
máselevada mediante una señal de baja potencia.

Contactores: son relés de mayor potencia.

Dimmers: son dispositivos basados en semiconductores que
permitenregular la potencia que llega a una carga.

Electroválvula: son válvulas cuya apertura es controlada mediante
unaseñal eléctrica externa. Se utilizan principalmente para controlar
caudalesde líquidos o gases.

Motores eléctricos: Convierten energía eléctrica en mecánica para
generar, de esta forma, un movimiento.

Resistencias eléctricas: Se utilizan para elevar la temperatura del
mediodonde se encuentran.
c.
Controladores
Es la unidad del sistema capaz de recibir, procesar o tratar la información,
segúnprograma o algoritmo preestablecido, y comunicarlo, cuando proceda,
a los actuadores correspondientes.
La evolución de la electrónica embedida ha permitido que algunos sensores
y actuadores sean totalmente autónomos al incorporar la función del
procesador. En definitiva, eslo que caracteriza la arquitectura del sistema.

Reguladores físicos.

Microcontroladores.

Microprocesadores.

Controladores Lógicos programables(PLC)
27
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PLC (Programable Logic Controller) son dispositivos electrónicos muy
usados en automatización. Controlan la lógica de funcionamiento de
dispositivos, plantas y procesos automáticos.Su estructura básica son dos o
más planos de puertas lógicas, normalmente AND y OR, que el
programador debe conectar de forma adecuada para que hagan la función
lógica requerida. Suelen programarse en ABEL o VHDL.
Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores y
computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los
modernos sistemas de control distribuidoEstos dispositivos consiguen entre
muchas otras cosas, que ciertas tareas se hagan de forma más rápida y
evita que el hombre aparezca involucrado en trabajos peligrosos para él y
su entorno más próximo.
En la actualidad debido al desarrollo de la electrónica hay distintas
variedades de autómatas que van desde: Micro autómatas y Nano
autómatas que se utilizan en apertura y cierre de puertas, domótica, control
de iluminación, control de válvulas de agua, etc., autómatas de gama alta,
prestaciones de un pequeño ordenador, principal virtud de un PLC es su
robustez y facilidad de interconexión con el proceso.
La tendencia actual es dotarlo de funciones específicas de control y de
canales de comunicación para que puedan conectarse entre sí y con las
PCs en red. Red de autómatas.
EL PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de
aplicación muy extenso. La constante evolución del Hardware y Software
amplia continuamente este campo para poder satisfacer las necesidades
que se detectan en el aspecto de sus posibilidades reales.
Sus reducidas dimensiones, las extremas facilidades de u montaje, la
posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida
utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su
eficiencia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se reduce
necesidades tales como: Espacio reducido. Procesos de producción
periódicamente cambiantes Maquinaria de procesos variables, instalación
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de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada
de las partes del proceso.
Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de
poder expandirse para satisfacer las necesidades de los sistemas de
control.
d.
Red
Una red se puede definir como una interconexión de nodos (agentes,
dispositivos) que intercambien información o recursos. Conjunto de
elementos independientes interconectados. Multiplicidad de agentes
(nodos) que actúan autónomamente (independientes) coordinándose de
forma espontánea en la red y queforman un universo reticular.
2.2.7. Tecnología Inalámbrica
El vertiginoso avance en las tecnologías inalámbricas está haciendoque los
dispositivos, cada vez, mejoren sus características y disminuyan su precio.
Deesta forma, dichos dispositivos han reducido su consumo energético para
posibilitaruna mayor autonomía, en el caso de tener que instalarlos en lugares
donde deban seralimentados con baterías.
REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 28/62
Tecnologías como Wi-Fi, Bluetooth entre otras, nos rodean hoy en
díaproporcionándonos servicios digitales avanzados. Además los grandes
estándaresdomóticos (EIB-KNX y LonWorks) actualmente disponen de la
posibilidad de implantarsu protocolo por medio de transmisión inalámbrica,
permitiendo realizar instalacionessin tener que hacer obras.
La tecnología inalámbrica en la actualidad es una realidad y cada vez está
másextendida, este hecho junto con los avances de la electrónica embebida,
hanpropiciado una reducción en los costes de fabricación que se ha traducido
en unaimplantación masiva de todo tipo de comunicaciones inalámbricas, que
además siguecreciendo.
29
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La tendencia de las tecnologías inalámbricas en el ámbito de los edificios ha
dado lugar en la última década a la aparición de un nuevo protocolo
decomunicaciones,
optimizado
para
adaptarse
perfectamente
a
las
prestacionesnecesarias para soportar los servicios digitales necesarios.
ZigBee14 comunica una serie de dispositivos haciendo que trabajen de forma
más eficiente entre sí. Es untransmisor y un receptor que usa baja potencia para
trabajar y tiene como objetivo lasaplicaciones que requieren comunicaciones
seguras con baja tasa de envío de datos ymaximización de la vida útil de sus
baterías. Es ideal para conexiones con diversostipos de topología, lo que a su
vez lo hace más seguro, barato y que no haya ningunadificultad a la hora de su
construcción porque es muy sencilla.
Esta tecnología no tienecompetencia fuerte con las tecnologías existentes
debido a que sus aplicaciones sonde automatización de edificios, residenciales
e industriales, especialmente paraaplicaciones con usos de sensores. Es el
protocolo principal de las redes de sensores.
2.2.8. Tecnología Clave
Una red de sensores es una red de dispositivos distribuidos que usan
sensorespara
monitorizar
condiciones
en
diferentes
localizaciones.Cada
dispositivo está equipado con un sensor(es), un trasmisor, un pequeño micro
controlador y una fuente de energía (normalmente una batería). Los
dispositivosse comunican unos con otros usando una arquitectura ad-hoc (sin
infraestructurapredeterminada) y de forma inalámbrica.15
En lo que se refiere a la sensórica utilizan transductores que convierten la
cantidada ser medida (temperatura, presión, etc.) en una señal útil que pueda
ser medida yprocesada. Debido a que el acondicionamiento de señal y el
procesado se realizan porcircuitos electrónicos, los transductores generalmente
tiene
salidas
en
voltajes
ocorrientes.
Los
sensores
con
tecnología
MicroElectroMechanical Systems (MEMS) están hoy en día muy desarrollados y
son los que se suelen utilizar en las redes desensores. Las características
principales de los sensores MEMS son: escalamicroscópica (alrededor de 1mm),
14
Zuccato, L. (2007). Zigbee for Building Control Wireless Sensor Networks.
15
Asociación Española de Domótica. (2010). Numero: 09.
30
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capacidades eléctricas y mecánicas y que sonrealmente sistemas (combinan
sus capacidades para realizar una función).
Cada nodo sensor se compone de cuatro componentesbásicos, la unidad
sensora, el trasmisor, la unidad de energía y la unidad procesadora.Ésta última
es la que maneja los procedimientos para que el nodo colabore con losdemás,
la que se encarga de procesar los datos de los sensores, y la que en
realidadhace que el nodo realice las tareas que tiene encomendadas.
Existen dispositivos que ya combinan laparte de radio (comunicaciones) con un
procesador (de uso más o menos general) enun único formato. Existen sistemas
operativos embebidos como TinyOS que ha sidoseleccionado muchos
fabricantes, plataformas y desarrolladores como el sistemaoperativo utilizado en
las redes de sensores inalámbricas. Ha sido específicamentediseñado para este
tipo de redes y un diseño basado en componentes de SW y unmodelo de
ejecución basado en eventos que soporta un alto grado de concurrencia,
minimiza el consumo mientras que permite la implementación de algoritmos
complejosy protocolos sofisticados.
Las claves para el éxito de este tipo de redes son el bajo consumo (y por lo
tanto lalarga vida de las baterías) así como un coste unitario barato de cada
nodo y sufacilidad de instalación y mantenimiento. En el apartado del consumo
de energía, cadauno de los componentes de los que forman el sistema está
optimizado. Actualmenteestán soportados por baterías pero las tendencias que
se están observando apuntan ala propia generación de energía por parte de
cada una de los nodos o sensores. Lamisma tecnología MEMS se está
utilizando en este campo.
Se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser autoconfigurables,
pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios
deencaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos
referentes alos sensores locales de cada nodo. Otra importante característica es
la gestión querealiza de su propia fuente de energía, la cual le permite disponer
de una autonomíade años.
31
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Muchas redes de sensores inalámbricos están basadas en estándares de
redesinalámbricas propietarios, pero la tendencia reciente crece cada vez más
hacia laestandarización de la comunicación inalámbrica de bajo consumo.
ZigBee es un claroejemplo de esto, ya que ofrece un estándar para la medición
y control inalámbricosque está basado en unas especificaciones bien conocidas
como la 802.15.4.
El estándar IEEE 802.15.4 define el nivel físico y el control de acceso al medio
deredes inalámbricas con tasa bajas de transmisión de datos. El propósito del
estándares definir los niveles de red básicos para dar servicio a un tipo
específico de redinalámbrica de área personal (WPAN) centrada en la
habilitación de comunicaciónentre dispositivos ubicuos con bajo coste y
velocidad.
Entre los aspectos más importantes se encuentra la adecuación de su uso para
tiempo real por medio de slots de tiempo garantizados, evitación de colisiones
por CSMA/CA y soporte integrado a las comunicaciones seguras. También se
incluyen funciones de control del consumo de energía como calidad del enlace y
detección de energía.
2.2.8.1 Nodos16
Los, son dispositivos capaces de realizarprocesados, sensar parámetros
y comunicar con otros dispositivos de su misma red.
Los componentes principales de un nodo son:
16

Microcontrolador

Transceiver

Sensores y

Fuente de alimentación.
Gharavi, H. (2003). Sensor Networks and Applications.
32
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
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Micro controlador
El microcontrolador realiza tareas, procesa datos y controla la
funcionalidad delresto de componentes de la mota. Existen
distintas
alternativas
a
usar
un
microcontrolador:
microprocesadores de propósito general, DSP’s, FPGA’s y
circuitos integrados específicos.
Los
microcontroladores
son
la
mejor
opción
para
estos
dispositivos, ya que son flexibles a la hora de conectar con otros
dispositivos, son programables y consumen muy poca energía, ya
que son capaces de pasar la mayor parte del tiempo inactivo y
despertar solo para realizar las tareas necesarias.

Transceiver
Las redes de sensores operan en la banda ISM, la cual está libre
de señales deradio, y están disponibles en todo el mundo. Existen
varias opciones a la hora detransmitir de forma inalámbrica:
radiofrecuencia, comunicaciones ópticas (láser) einfrarrojos.
La comunicación mediante láser requiere poca energía, pero
necesita apuntar acada dispositivo con el que se quiera comunicar
y disponer de unas condicionesatmosféricas propicias.
La comunicación mediante radiofrecuencia es la idónea para las
aplicacionesimplantadas mediante redes de sensores. Opera en
las frecuencias entre 433 MHz y2.4 GHz La funcionalidad de
transmisor y receptor se combinan en un solo dispositivoconocido
como transceiver.

Sensor
Los sensores son las partes hardware que proporcionan una
respuesta medibleante un cambio en una condición física como
por ejemplo la temperatura. La señalcontinua captada por el
sensor es recogida por el convertidor A/D del microcontroladorque
digitaliza la señal para su posterior procesado.
33
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
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Fuente de alimentación
El consumo de energía en un nodo se produce por las acciones
de sensar, procesar y transmitir. La mayor parte de esta energía
se corresponde a las tareas decomunicaciones; las tareas de
sensado y procesado apenas consumen. La cantidadde energía
necesaria para transmitir 1 Kb a una distancia de 100 metros
esaproximadamente la misma que para ejecutar 3 millones de
instrucciones a unavelocidad de 100 millones de instrucciones por
segundo.
La energía puede almacenarse en condensadores o en baterías,
aunque son estasúltimas las más utilizadas en redes de sensores.
Actualmente se están desarrollando sensores que tienen la
capacidad de obtenerla energía por sí mismos mediante la luz del
sol, temperatura, vibraciones, etc.
2.2.8.2 Características de Nodos
Descripción de las últimos nodos y sus características existentes en el
mercado:
 IMote
Intel® ha creado una plataforma para el desarrollo de motas destinada
adesarrollar dispositivos, incrementando su capacidad de procesado,
mejorando lascomunicaciones y su fiabilidad y utilizando componentes
no comerciales paramantener un precio reducido.
Actualmente se comercializa la versión IMote2, que cuenta con un
procesador IntelPXA271 XScale a 13-416 MHz, un coprocesador
DSP/Wireless MMX y 32 Mb dememoria FLASH.
Integra una antena de 2,4 GHz, además de incluirse en la CPU el
estándar802.15.4 de radio. Además su diseño es modular y permite la
ampliación medianteconector, de entradas/salidas digitales y analógicas,
2 puertos SPI, 3 puertos UART, bus I2C, USB host y cliente, etc.
Como puede observarse, es un dispositivo con una potencia superiory se
orienta a aplicaciones que requieran una complejidad mayor.
34
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 XBee
El XBee es un integrado que incluye elmicrocontrolador y el transceiver,
siendo necesario conectar únicamente los sensoresa sus entradas
disponibles e incorporarle una fuente de alimentación.
Puede transmitir a velocidades de 250 Kbps y ha distancias de hasta
100m encampo abierto. Existe una versión mejorada llamada XBee-Pro
que aumenta las prestaciones de distancia y velocidad de transmisión.
 TinyNode mote
El filosofía de desarrollo de TinyNode es la de implementar nodos
paraaplicaciones industriales. La empresa Shockfish SA ha desarrollado
dos dispositivos, el TinyNode 584, y el TinyNode 184.
Se trata de dispositivos modulares, que pueden ser ampliados
medianteconectores. Ambos modelos funcionan con el microcontrolador
MSP430 a 16MHz deTexas Instruments. Tienen un consumo ultra-bajo
que les permite hasta 10 años deautonomía con dos baterías tipo 3AA.
Además de la memoria del microcontroladordispone de un chip externo
flash de 512 KB para almacenar los datos recogidos.
La diferencia entre ambos modelos reside en la velocidad y distancia
detransmisión, y en la capacidad de ampliación. El modelo 584 permite
rangos de hasta2 Km y velocidades de 150 Kbit/s, mientras que el 184
permite hasta 150 m y hasta250 Kbit/s.
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2.2.8.3 Software
Las
aplicaciones
tradicionales
de
monitorización
(generalmente
cableadas) se basan en principios o arquitecturas cliente servidor. En las
redes de sensores esteconcepto no es válido y deberían estar orientadas
a arquitecturas orientadas a evento, de forma que sólo se produzca una
comunicación (o cualquier actividad de intercambiode información)
cuando se alcanza un determinado umbral o se ha detectado
algúncambio significativo. Por otra parte la estructuración en módulos o
componentes hacemás livianos, portables y configurables los sistemas
software. Otro motivo para laestructuración en módulos es que facilita la
carga remota ya que sólo es necesariodescargar los módulos que
necesitan actualización y posibilita la actualización incremental.
En el mundo de las redes de sensores cada fabricante suele disponer de
suspropias herramientas para programar sus motas. Pero también ha
surgido un sistemaoperativo con la idea de estandarizar y facilitar la
programación de este tipo desistemas. Se trata del sistema operativo
TinyOS. Los dos principalescomponentes que contiene cada una de los
nodos de la red de sensores son elmicroprocesador y el transceptor de
radio.
El sistema operativo contiene bloques conceptuales que aíslan esos
componentes puramente hardware de forma que las aplicaciones y
funciones que proporciona son portables de una plataforma a otra.
Define componentes y los utiliza para la composición de otras
funcionalidades. Estos componentes suelen tener una serie de interfaces
de entrada (comandos) y otros de salida (eventos) y generalmente se
programan en un dialectode C denominado nesC.
nesC es el lenguaje de programación orientado a componentes que se
suele utilizar para programar las redes de sensores, e íntimamente
relacionado con elTinyOS. Se basa en el lenguaje C pero con
capacidades añadidas para explotar losconceptos de componentes y
concurrencia. Una aplicación desarrollada con nesCconsiste en una serie
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de componentes, cada uno con su funcionalidad, que han sido
ensamblados o unidos.
Un componente tiene una doble vertiente en la que por una parte
proporciona unosinterfaces y por otra hace uso de interfaces. Los
interfaces que proporcionarepresentan la funcionalidad que provee a su
usuario mientras que los que usa sonaquellos que necesita para su
ejecución. Los interfaces pueden ser una serie decomandos (funciones a
desarrollar por el proveedor del interface) y eventos (funcionesa
desarrollar por el usuario del interface). Para que un componente utilice
loscomandos de un interface debe de implementar también los eventos
que ese interfaceproporciona. En nesC hay dos tipos de componentes:
los módulos (que proporcionan la implementación de una o varias
interfaces) y las configuraciones (utilizadas para unir varios componentes
utilizando las interfaces). Todas las aplicaciones nesC tienen un módulo
configuración que une o enlaza a todos sus componentes.
2.2.9. Arquitectura de Red
Las comunicaciones son uno de los principales elementos de las redes
desensores y que más las caracteriza. Por otra parte son uno de los
componentes clavede los Sistemas Automatizados ya que fija la integración y la
compatibilidad de lossistemas. Todos los aspectos relacionados con las redes
de sensores están diseñados ypensados para ofrecer un bajo consumo y
siempre teniendo en cuenta las limitacionesde procesamiento y capacidad de
los propios nodos.
La arquitectura de comunicaciones suele presentar una distribución por capas
oniveles típicos de las redes de comunicaciones: un nivel físico, un nivel de
acceso almedio y un nivel de enrutamiento o red, ejecutándose por encima del
mismo lasaplicaciones. El nivel físico suele presentar varias alternativas de
bandas de radio (lastres principales bandas de radio para sistemas de
comunicaciones) y que se dividen asu vez en varios canales. Sobre él se
definen los protocolos de acceso al medio ytransmisión básica de datos que
constituyen el nivel 2 de de los niveles OSI decomunicaciones (y cuya principal
37
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misión en permitir la comunicación entre dosdispositivos). Actualmente el
estándar de estos primeros niveles en las redes desensores es 802.15.4.
Sobre esa capa se definen una serie de protocolos que permiten el
enrutamientode paquetes y arquitecturas de red, y finalmente la aplicación que
usa los serviciosofrecidos por el nivel inferior. En el mundo de las redes de
sensores el principal y másextendido estándar es ZigBee.
A modo de resumen este nivel se encarga de funcionescomo el descubrimiento
de vecinos, el mantener una topología de red, el enrutamientode paquetes, está
preparado para preservar la energía de los nodos, y otros serviciosadicionales
como la autenticación y encriptación, servicios de aplicación adicionales.
Una red ZigBee puede adoptar tres topologías distintas:

Estrella en la que un existe un nodo central que está asociado con todos
losdemás nodos de la red y por el que pasan todos los mensajes.

Árbol en la que existe un nodo superior y del cual cuelga una estructura
deramas y hojas. Para alcanzar su destino, un mensaje viaja arriba o
abajo através de la jerarquía hasta lograrlo.

Malla, que es similar a una estructura en árbol, pero en la que algunas
hojasestán directamente asociadas.
REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 37/62
Así mismo, existen tres tipos distintos de nodos en una red ZigBee:

Coordinador encargado de arrancar la red, seleccionar el canal
decomunicaciones y permitir la conexión de otros nodos. En una red
ZigBeeúnicamente puede haber un coordinador. En una configuración
en estrella es elnodo central y en las topologías de árbol y malla es el
nodo más alto de la jerarquía.

Nodo Final, que envían y reciben mensajes. Están optimizados para una
bajoconsumo y generalmente están dormidos a no ser que tengan que
trasmitir orecibir información. Son los nodos extremos en una topología
de estrella y lashojas en la topología en árbol y malla.
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
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Nodos enrutadores, que redireccionan mensajes de un nodo a otro y
permitenconectarse a sus hijos. Una topología en estrella no necesita
nodosenrutadores, en una topología en árbol suelen estar situados de
forma que sepermitan el paso de los mensajes de arriba abajo (y
viceversa) y en unatopología en malla en cualquier lugar donde es
preciso el paso de mensajes.
Dentro de ZigBee se ha definido elestándar ZigBee RF4CE (Radio Frequency
for Consumer Electronics) que lo queproporciona es una solución de control
remoto para electrónica del hogar, que esinteroperable entre distintos
fabricantes y que permite una conectividad inalámbricabidireccional entre dos
dispositivos, simple, robusta y de bajo coste. Este aspectoreafirma la
introducción del estándar ZigBee en el hogar y cómo las solucionesbasadas en
radio frecuencia van sustituyendo a los tradicionales infrarrojos enaplicaciones
como el control de dispositivos de entretenimiento en el hogar, la aperturade
puertas de garaje o los sistemas de cerraduras sin llaves.
No hay que olvidar el resto de estándares de protocolos de comunicaciones
inalámbricas existentes y que pueden ser utilizados como base para las redes
desensores como pueden ser WiFi (IEEE 802.11), Bluetooth (IEEE 802.15.1),
RFID (Radio Frequency Identification), UWB (Ultra Wide Band), etc. Muchos de
ellos estándesarrollando nuevos estándares que disminuyen el consumo
(generalmente a costade reducir el ancho de banda) y que podrían ser utilizados
en las aplicaciones de control automático.
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2.3. Definición de Términos
 INMOTICA: Es la incorporación al equipamiento de edificios de uso industrial
(oficinas, edificios corporativos, hoteleros, empresariales y similares), de
sistemas de gestión técnica automatizada de las instalaciones, con el objetivo
de reducir el consumo de energía, aumentar el confort y la seguridad de los
mismos.
 DOMOTICA: Es el conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda,
aportando servicio de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación, y
que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de
comunicación, cableadas o inalámbricas, y cuyo control goza de cierta
ubicuidad, desde dentro y fuera del hogar.
 ACTUADOR: Dispositivo que recibe una orden desde el regulador o controlador
y la adapta a un nivel adecuado según la variable de salida necesaria para
accionar el elemento final de control, planta o proceso.
 AMPLIFICADOR: Nos proporciona un nivel de señal procedente de la
realimentación, entrada, comparador, etc., adecuada al elemento sobre el que
actúa.
 CONTROLADOR: Dispositivo que van conectados a la red eléctrica y se ocupan
de enviar señales de control a través de la misma, para controlar los distintos
“módulos de activación” de la aplicación requerida.
 ENTRADA DE MANDO: Es la excitación que se aplica a un sistema de control
desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta. Es
la señal externa al sistema que condiciona su funcionamiento.
 INTERFAZ: Interconexión eléctrica, mecánica o de datos, para la adaptación de
diferentes servicios. Conexión entre el ordenador y el mundo exterior. Es un tipo
de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible pero
menor que la de las microondas.
 LAN: Red de área local.
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 PERTURBACION: Son las señales no deseadas que influyen de forma adversa
en el funcionamiento del sistema. Por ejemplo abrir una ventana representa una
perturbación en el sistema de control de temperatura mediante termostato.
 PLC: Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic
Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en
automatización.
 PROTOCOLO: Conjunto de reglas usadas por computadoras para comunicarse
una con otras a través de una red.
 SENSOR: Dispositivo que responde a algunas propiedades de tipo eléctrica,
mecánica, térmica, magnética, química, etc., generando una señal eléctrica que
puede ser susceptible de medición.
 SEÑAL ACTIVA: También denominada señal de error. Representa la diferencia
entre la señal de entrada y la realimentada.
 SEÑAL DE REFERENCIA: Es una señal de entrada conocida que nos sirve
para calibrar al sistema.
 SISTEMA: Es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de realizar
una operación dada o de satisfacer una función deseada.
 SISTEMA AUTOMATICO: Conjunto de componentes físicos conectados o
relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí
mismos, es decir sin intervención de agentes exteriores (incluido el factor
humano), corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su
funcionamiento.
 TRANSDUCTOR: Transforma una magnitud física en otra que es capaz de
interpretar el sistema.
 UNIDAD DE CONTROL: Gobierna la salida en función de una señal de
activación.
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 UNIDAD DE REALIMENTACION: Está formada por uno o varios elementos que
captan la variable de salida, la acondicionan y trasladan a la unidad de
comparación.
 VARIABLES DEL SISTEMA: Son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia
y control, que definen el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura,
posición, etc.).
 1 M3 AGUA: 100 litros de agua
2.4. Sistema de hipótesis
Con la implantación del sistema de control automático para la gestión de agua en el
edificio Guernica, se lograra reducir en un 90% el desperdicio de agua causado por
fugas y consumo inadecuado; por consiguiente también se logrará la reducción del
consumo total de agua y el costo asociado.
2.5. Sistemas de Variables
a. Nivel de consumo de agua (m3)
b. Costo asociado al nivel de consumo de agua.
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CAPÍTULO 3: MARCO METODOLOGICO
3.1
Nivel de investigación
El proyecto se basa en un nivel de investigación descriptiva y cuantitativa, ya que se
expondrá las características, beneficios y/o limitaciones de los sistemas automáticos
en la gestión del agua en edificios.
Descriptiva, Tiene como objetivo determinar el impacto de la implantación de los
sistemas de control automático del agua en el nivel de consumo del recurso hídrico.
Cuantitativa, A partir del recojo de información de la variable: nivel de consumo, se
analizara las propiedades y fenómenos cuantitativos expresados en metros cúbicos
consumidos (m3) y costo por consumo (S/.)
3.2
Diseño de la investigación
3.2.1 Métodos:
Para el desarrollo de la investigación se empleara los siguientes métodos:
a. Método experimental
Dado que se llevara acabo un estudio de campo para recopilar información y
posterior análisis y comprobación.
Primero, se recogerá la información de consumo
por departamento y
determinara el consumo total en m3.
Segundo, una vez implantado el prototipo de sistema automático de gestión
de agua se determinada el nuevo consumo. Esta información se analizara y
evaluara para determinar el nivel de ahorro de agua en m3 que se llego a
obtener en base a comparación de resultados.
b. Método de observación
Mediante la cual se va a poder percibir directa y claramente la magnitud del
problema y la variable relacionada.
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c. Método de Medición
Para la obtención y comparación de datos numéricos relacionados al
consumo, es decir la cantidad en m3 de agua consumida y cantidad de m3
de agua que se desperdicia en fugas.
Estudio de campo:
Según la información recolectada mediante Entrevista 17 en un departamento
estándar se cuenta con las siguientes instalaciones de agua:


Servicios Higiénicos
o
3 caños de lavatorio
o
3 duchas
o
3 inodoros
Cocina
o

1 caño
Lavandería
o
1 caño
El estudio de campo y en base a la información obtenida de los propietarios
mediante la técnica de entrevista se llego a determinar que las fugas pueden
llegar a duplicar el consumo normal de agua lo cual concuerda con la
información estimada por Sedapal.
Según Sedapal, afirma que las de fugas en una zona residencial de lima
generalmente se producen por:

Por Goteo
: 80lts/día = 2.4 m3/mes = s/. 4.30

Por Inodoro
: 5000lts/día = 150 m3/mes = s/.810.2018

Válvula del tanque elevado.

Filtraciones en las paredes por tuberías rotas.

Aspersores en áreas verdes
Por lo que estima que podría representar entre 30% y 50% del consumo
total19.
Consumo normal (sin fugas)
17
: Sedapal, Agosto 2012, http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua
18
19
: Sedapal, Agosto 2012, http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua
: Sedapal, Publicación marzo 2011, http://blogsedapal.blogspot.com.au/2011/03/dia-mundial-del-agua-2011-agua-para-las.html
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Normalmente se consume 10 m3 de agua y se paga alrededor de s/.18
Consumo con fugas menores
Cuando hay fugas menores (goteo de caños) se llega a consumir 15 a 18 m3 y pagar
alrededor de S/. 30.
Consumo con fugas mayores
Cuando las fugas son mayores (fugas en inodoro) se llega a consumir entre 20 y 25
m3 lo que asciende a un costo alrededor de s/.40
Con la implantación del sistema de control automático de gestión de agua, las fugas
se podrían reducir en un 90% con un margen de error de +-5% ya que los caños y
válvula de inodoro se sustituirán por dispositivos electrónicos controlados que solo se
activaran el tiempo adecuado de acuerdo a la necesidad, además ayuda al uso optimo
del recuso evitando que el agua fluya innecesariamente..
3.2.2 Técnicas:
Para lograr la obtención de información, conocimiento y llevar el control de los
datos se hacer uso de las siguientes técnicas:

Cuestionarios
Dirigido a formular preguntas para entrevista con propietarios y personal
administrativo con el objetivo de recoger información especifica como
datos de facturación y consumo.

Entrevistas
Dirigidas a propietarios, personal administrativo para obtener información
oral acerca del uso del agua y estado de los instalaciones de agua.

Observación Directa
Utilizado para que mediante la observación de los factores que influyen
en el comportamiento de la variable se haga una recolección de datos.

Análisis de datos
Técnica mediante la cual se va a organizar, describir y analizar los datos
recogidos.
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3.2.3 Instrumentos
El instrumento que se utilizará para la comprobación de hipótesis es un prototipo
de software basado en componentes electrónicos (PLCs, Redes de sensores,
Actuadores) más un componente lógico, el cual permitirá conocer la variable
investigada (consumo de agua), detectar, controlar y ayudar a eliminar el 100%
de las fugas e informar sobre el consumo exacto en cada punto de toma de
información.
Para implantación del prototipo de control automático, en un departamento se
requiere la instalación de 11 nodos según la instalaciones y disposición de
válvulas de abastecimiento de agua que contiene, estos nodos constan
válvulas electrónicas y
de
sensores interconectadas a un centro de control
mediante una topología de red donde será gestionada la información recibida de
los nodos, consecuentemente el centro de control actuará directamente sobre
las válvulas de control de flujo de agua.
El prototipo se pondrá a prueba durante 30 días en los cuales se hará la
observación, lectura de consumo y flujo de agua para posteriormente ser
analizada y comparada con los datos de consumo anterior a la implantación del
sistema de control automático.
El prototipo de software, un sistema automático de gestión de agua, recopilará
los datos necesarios a través de sensores emplazados en estaciones remotas y
ubicadas en puntos estratégicos como estaciones de distribución capturando así
la información deseada y enviándola a través de protocolos y sistemas de
comunicaciones a un centro de control con la periodicidad deseada. Es en este
centro de control donde los datos recogidos son transformados en información
útil para facilitar la toma de decisiones a los responsables de la gestión de los
recursos hídricos.
El diseño radica en la definición, selección, parametrización y ubicación de los
tres elemento principales.
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Sistema Automático de Gestión de Agua : Elementos Principales
Para dotar a las estaciones remotas de la mejor localización se hacen necesario
un estudio de la topología de las redes así como la selección de los sensores y
sus tecnologías más adecuadas en base a los datos a obtener, los procesos de
captura de información deseados, el diseño de algoritmos del PLC para cada
acción y los mecanismos de validación del dato previos a su envío.
La selección de las tecnologías y
sistemas de comunicación más
apropiados pasa por la realización
de mapas de cobertura, estudios de
radio frecuencias y por la definición
de especificaciones y estándares
de los sistemas y protocolos de comunicación. Para desarrollar un centro de
control eficaz se define el SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de
Datos) del sistema así como las bases de datos asociadas, el HMI, los
protocolos de seguridad de la información y los modelos matemáticos.
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BIBLIOGRAFIA
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http://www.ingocasa.com.pe/proyectos/guernica/recorrido-virtual
2. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente
http://www.pnuma.org/
http://www.pnuma.org/unidos/peru.php
3. CEDOM : Asociación española de Domótica
http://www.cedom.es/
4. SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento
http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php
5. PUBLICACION RPP: En Lima se desperdicia el 30 por ciento del agua que
ingresa a los hogares.
http://radio.rpp.com.pe/cuidaelagua/en-lima-se-desperdicia-el-30-or-ciento-del-aguaque-ingresa-a-los-hogares/
6. Blog Juan Arellano: Aguas revueltas, la problemática del agua en el Perú.
http://www.arellanojuan.com/aguas-revueltas-la-problematica-del-agua-en-el-peru/
7. BCRP e INEI: EL BOOM DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION EN EL PERU
http://econoblognet.blogspot.com/2012/01/el-boom-de-la-industria-de-la.html
http://www.inei.gob.pe/
http://www.bcrp.gob.pe/estadisticas.html
8. SEDAPAL
http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua
http://blogsedapal.blogspot.com.au/2011/03/dia-mundial-del-agua-2011-agua-paralas.html
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9. Domótica e Inmótica
Autor: Cristóbal Romero Morales, Francisco Vásquez Serrano, Carlos de Castro
Lozano.
Edición: 2005
ISBN: 978-84-78976-53-9
10. Domótica. Edificios Inteligentes
Autor: José Manuel Huidobro Moya, Ramón Jesús Millán Tejedor.
Edición: 2004
ISBN: 978-84-92779-14-7
11. Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios.
Autor: Antonio Rodríguez Arenas.
Edición: 2005
ISBN: 978-84-96334-11-3
12. Sensor Networks and Applications
Autor: Hamid Gharavi.
Edición: 2003
ISBN: 0018-9219
13. Automatización de Viviendas y Edificios
Autor: José Rubén Saavedra Silveira.
Ediciones Ceac - 2009, Barcelona.
14. Eficiencia Energética en Edificios
Autor: Francisco Javier Rey Martínez, Eloy Velasco Gómez.
Editorial Paraninfo, 2006.
15. Autómatas Programables. Entorno Y Aplicaciones
Autor: Enrique Mandado Pérez, Serafín Pérez López, Jorge Marcos Ace.
Edición: 2004
ISBN: 978-84-97323-28-4
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16. Zigbee for Building Control Wireless Sensor Networks
Autor: Fabio L. Zuccato, Clecio A. Biscassi.
Edición: 2007
ISBN: 1424406617
17. Revista CEDOM
Autor: Asociación Española de Domótica (CEDOM)
Edición Numero: 09.
Publicación: Abril 2010.
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ANEXOS
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Anexo 1
Cuestionario Nro. 1
Formulación de preguntas para la entrevista realizada a los propietarios del edificio
Guernica:
1. ¿Cuantos m3 de agua consume normalmente al mes? (ver recibo)
2. ¿A tenido problemas de fugas de agua dentro de su departamento?
3. ¿A experimentado incrementos significativos en su consumo causados por fugas? En
cuantos m3 se incremento?
4. ¿En donde se produce la mayor parte de fugas?
5. ¿Hay otro caso, aparte de las fugas, en el que se desperdicia?
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