Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingenierı́a
Escuela de Ingenierı́a Eléctrica
Diseño e implementación de un sistema de
control remoto para luces residenciales
utilizando tonos DTMF
Por:
Rodrigo Hernández Castro
Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica
29 de julio de 2013
Diseño e implementación de un sistema de
control remoto para luces residenciales
utilizando tonos DTMF
Por:
Rodrigo Hernández Castro
IE-0499 Proyecto eléctrico
Aprobado por el Tribunal:
Ing. Teodoro Willink Castro
Profesor guı́a
M.Sc. Geovanny Delgado Cascante
Profesor lector
Dr. Jaime Cascante Vindas
Profesor lector
Dedicatoria
A mi Dios.
v
Reconocimientos
A mi madre, hermanos y familia. A mi mejor amiga Carolina Arauz, a mi
novia Danelia Molina y a todos aquellos que estuvieron conmigo este tiempo.
Muchas gracias a mis profesores por sus consejos tanto dentro como fuera de
las aulas.
vi
Resumen
La alta expansión en la telefonı́a residencial y móvil, el desarrollo de sistemas domóticos que brindan confort y seguridad, y los cientos de denuncias
por robos a casas en el paı́s, condujeron al diseño e implementación de un
sistema de control remoto para luces residenciales al enviar tonos DTMF por
la red telefónica. Esto con el fin de simular la presencia de personas en la casa,
indicando a posibles delincuentes que el hogar no está solo. El sistema fue
concebido para funcionar en paralelo al teléfono fijo permitiéndole trabajar
normalmente.
Se diseñaron cinco etapas: contestador de llamadas, detector de rings, decodificador DTMF, microcontrolador y circuito actuador de luces. Una vez
listo se implementó y se probó cada una por separado, donde las tres primeras se conectaron a la lı́nea telefónica y se llamó para verificar su respuesta
correcta. Para el actuador se enviaron señales alto/bajo para manejar cada
luz. Finalmente se programó al microcontrolador para que enviara una señal
para contestar, además requirió leer a la salida del decodificador una cadena
DTMF especı́fica como clave de seguridad para ası́ poder controlar las luces
por medio de otros tonos. Se conectaron las etapas, y se probó al sistema en
conjunto, contestando la llamada, ingresando la contraseña apropiada y por
último encendiendo o apagando las luces deseadas.
Finalmente se ha dotado al usuario de un sistema seguro, fácil de usar
y funcional para que éste pueda tener el control de la iluminación en ciertas
zonas de su vivienda únicamente con una llamada tradicional sin importar por
ende su localización ni el tipo o modelo de teléfono que disponga.
vii
Índice general
Índice de figuras
x
Nomenclatura
xiii
1 Introducción
1.1 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2
4
5
2 Marco teórico
2.1 Domótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Funcionamiento de la lı́nea telefónica . . . . . . . . . . . . . . .
7
7
9
3 Diseño
3.1 Receptor de llamadas . . . . . . . .
3.2 Detector de llamada entrante . . .
3.3 Decodificador de tonos DTMF . .
3.4 Microcontrolador . . . . . . . . . .
3.5 Circuito actuador, manejo de luces
3.6 Sistema de control funcional . . . .
3.7 Simulaciones . . . . . . . . . . . .
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15
15
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21
22
23
24
27
4 Implementación
33
5 Conclusiones y recomendaciones
45
Bibliografı́a
49
ix
Índice de figuras
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Teclado telefónico. . . . . . . . . . . . . . .
Roseta telefónica por fuera y por dentro . .
Teléfono colgado . . . . . . . . . . . . . . .
Teléfono descolgado llamando a otro . . . .
Llamada contestada . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de bloques de los elementos de un
Hook Switch . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10
10
11
11
12
13
13
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
Teléfono para solo recibir llamadas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teléfono para solo recibir llamadas, internamente . . . . . . . . . .
Esquemático de un teléfono para contestar . . . . . . . . . . . . . .
Detector de corriente telefónica en la llamada . . . . . . . . . . . .
Unidad opto-contadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito detector de rings en módems . . . . . . . . . . . . . . . .
Configuración del MT8870 para la decodificación de tonos DTMF
Tabla de verdad, MT8870 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MT8870 con interfaz hacia la lı́nea telefónica . . . . . . . . . . . .
Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito actuador para el manejo de luces . . . . . . . . . . . . . .
Circuito para constestar únicamente . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detector, decodificador, unidad microprocesadora y actuadores . .
Diagrama de flujo del funcionamiento del Arduino . . . . . . . . .
Simulación teléfono para contestar, tensión DC colgado . . . . . .
Simulación teléfono para contestar, tensión AC . . . . . . . . . . .
Simulación teléfono para contestar, tensión DC contestado . . . . .
Simulación detector de ring, tensión AC . . . . . . . . . . . . . . .
Simulación detector de ring, tensión DC . . . . . . . . . . . . . . .
Simulación circuito protección del decodicador, tensión DC . . . .
Simulación circuito protección del decodicador, tensión AC . . . .
Simulación circuito protección del decodicador, tono DTMF . . . .
a) Luces apagadas b) Luces encendidas . . . . . . . . . . . . . . .
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25
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29
29
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31
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32
32
4.1
4.2
4.3
4.4
Onda cuadrada en la entrada del CD4047 . . . . . . . . . . . .
Multivibrador del detector de rings . . . . . . . . . . . . . . . .
Comparación de tensiones teóricas y medidas en el laboratorio
Señal de un tono DTMF en la entrada del MT8870 . . . . . . .
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34
34
35
x
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teléfono
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fijo
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4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
Decodificación del DTMF 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Estado sostenido del DTMF 0 al colgar . . . . . . . . . . . .
Señales de salida del MT8870 conectadas al Arduino . . . . .
Encendido de una bombilla por señal del Arduino . . . . . . .
Sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Manejo de luz 1,2 y 3 luego de ingresar la contraseña correcta
Luz 3 encendida luego de colgarse la llamada . . . . . . . . .
Llamada cancelada por recibir código erróneo en el manejo de
Todas las luces encendidas luego de colgarse la llamada . . .
Manejo de luces e ingreso de código erróneo de seguridad . .
Luz 1 y luz 2 encendidas luego de colgarse la llamada . . . .
xi
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luces
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36
36
37
37
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39
40
41
42
43
Nomenclatura
AC
Alternating Current
CEDOM
Asociación Española de Domótica
CEPAL
Comisión Económica para América Latina y el Caribe
DC
Direct Current
DTMF
Dual Tone Multi-Frequency.
GSM
Groupe Spécial Mobile
IC
Integrated Circuit
LED
Light Emitting Diode
MPU
Microprocessor Unit
PCB
Printed Circuit Board
RJ11
Registered Jack 11
RTC
Red Telefónica Conmutada
SIM
Subscriber Identity Module
SPDT
Single Pole, Doble Throw
xiii
1
Introducción
El teléfono, inventado en 1871 por Antonio Meucci, es un medio que permite
una comunicación individual e interactiva, de uno en uno. Nace con anterioridad a la aparición de los medios de comunicación de masas tradicionales,
radio y la televisión, caracterizados por el contrario, por una modalidad comunicativa completamente distinta, de unos a muchos. Está principalmente
orientado a ser utilizado en residencias.
Gracias al teléfono, por primera vez en la historia, dos personas podı́an
comunicarse en el mismo momento aunque estuvieran en lugares distintos.
Otra caracterı́stica importante del teléfono es que representa una tecnologı́a
en conjunto simple y amigable. Su uso no requiere competencias especiales y
es inmediato e intuitivo por completo; además, su introducción ha apoyado
un apremio y una necesidad tı́picos de las personas, permanecer en contacto
con familiares, amigos y conocidos.(Boni, 2008)
Según CEPAL (2008) (Comisión Económica para América Latina y el Caribe), a finales de los años noventa, la telefonı́a fija registró elevadas tasas de
crecimiento y se convirtió en un negocio muy atractivo para las operadoras de
telecomunicaciones.
La presencia de las telecomunicaciones en este siglo XXI es un campo
que crece dı́a a dı́a y desde hace mucho tiempo está presente dentro de los
hogares. No solamente por la telefonı́a fija, sino por sistemas de domótica,
la cual CEDOM (2013) (Asociación Española de Domótica) define como: el
conjunto de tecnologı́as aplicadas al control y a la automatización inteligente
de la vivienda, que permite una gestión eficiente del uso de la energı́a, además
de aportar seguridad, confort y comunicación entre el usuario y el sistema.
Ahora bien, como se mencionó anteriormente la domótica puede ayudar
en la seguridad de la vivienda y una de estas formas es efectuando un control
sobre los dispositivos que se encuentren dentro de ella, como puertas, alarmas,
luces y todo de forma automática. Esto es de gran importancia pues se trata
de la protección de la vivienda, de las personas y de bienes materiales. En
Costa Rica, en el año 2011 las estadı́sticas respecto a robos (asaltos, robos a
casas, locales comerciales y vehı́culos) resultaron de 939 denuncias por cada
100 mil habitantes. (Poder Judicial de Costa Rica, 2012)
1
2
1.1
1 Introducción
Justificación
En la actualidad existen métodos avanzados de seguridad como alarmas, cámaras de vigilancia, cercas eléctricas, entre otras, pero cuando una vivienda
se muestra oscura y sin señales de la presencia de sus dueños, ésta puede ser
un blanco para la delincuencia pues aprovecharı́an esa falta de personas para
ingresar a la vivienda y utilizar el tiempo al máximo para cometer el robo.
Incluso, a la hora de regresar al hogar ya sea de un viaje, de visitar a un
familiar, amistad, de una actividad social, si los dueños ingresan a oscuras a
la vivienda esto también podrı́a resultar peligroso, pues delincuentes podrı́an
acechar y se tendrı́a dificultad para verlos, dado la falta de luz.
Además de esto, más en detalle con el mercado de la telefonı́a, CEPAL
(2008) mostró datos altos con respecto a la base de clientes de telefonı́a fija
pues esta se incrementó de forma notable y pasó de 25 millones a 72 millones
entre 1990 y 2000 en América Latina. Ası́ mismo, la tendencia de suscriptores
de servicios de telecomunicaciones, 1997-2006, se incrementó de gran manera
para la telefonı́a móvil GSM (Sistema Global para Comunicaciones móviles,
del francés Groupe Spécial Mobile), pasando en 1997 de aproximadamente 15
millones a 400 millones en el año 2010 y según esta tendencia para la siguiente
década este aumento es inminente. Ahora bien, con respecto a la telefonı́a fija,
esta se presentó más rezagada pasando de poco más de 50 millones en 1997 a
una tendencia de más de 100 millones en 2010.
Aun ası́, existe una gran expansión de la telefonı́a fija en los hogares la
cual ofrece confiabilidad y buena calidad del servicio, junto con la alimentación por la red telefónica que permite su estado activo para recibir llamadas
(salvo que se esté utilizando o exista una averı́a con la conexión a la central
telefónica), sin necesidad de preocupación por recargar las baterı́as al final de
cada dı́a. Asimismo, una creciente presencia de telefonı́a móvil y la facilidad
de portabilidad entre miles de usuarios.
Debido a lo anterior, se concibió el diseño e implementación de un sistema de control remoto para luces en ambientes residenciales utilizando Tonos
Dobles Multi-Frecuencia (DTMF, del inglés Dual Tone Multi-Frequency) enviados a través de la red telefónica.
El sistema de control remoto fue pensado para poder estar conectado a la
lı́nea telefónica residencial al mismo tiempo que el teléfono fijo se encuentre
activo, es decir preparado para recibir llamadas y contestarlas sin problema
alguno. Para que no se interfiera con el flujo de información de la red, este sistema puede trabajar utilizando un adaptador que genera una conexión
“paralela” al teléfono pues la señal proveniente del cable RJ11 (Conector Registrado 11, del inglés Registered Jack 11, formado por un cable rojo negativo
“Ring” y uno verde positivo “Tip”) se bifurca para alimentar tanto al teléfono
fijo como al sistema de control.
1.1. Justificación
3
Ası́, cuando se genere una llamada en la red, ésta se presenta en el sistema
de control y en el teléfono fijo, y de ninguna manera afecta la transmisión de
información entre el teléfono fijo y el contacto que efectúe la llamada al hogar
o el caso contrario, si se llama desde la casa a algún otro teléfono.
La importancia del sistema de control reside en manejar la iluminación de
la casa de manera totalmente remota, es decir, desde cualquier parte del mundo
y con cualquier dispositivo telefónico que se disponga. Ası́, los dueños de la
casa tienen el confort de estar en una reunión social, paseo, visita de amigos,
etc. y manejar las luces necesarias para simular la presencia de personas en
la vivienda, brindando en la mayorı́a de los casos un tipo de seguridad, pues
advierte a delincuentes de que no está solo y descuidado el hogar.
Cuando sea el momento adecuado, se pueden desactivar las luces como
por ejemplo después de media noche o en horas del dı́a (todo esto teniendo
en cuenta que no hay personas en la casa, pues carecerı́a de sentido el uso del
sistema). Esto también se implementa a la hora de regresar los dueños a la
casa, pues ası́ se tendrı́an espacios de luz para no ingresar a oscuras y poder
tener visión de los alrededores.
Además, este sistema por DTMF muestra ciertas ventajas con respecto a
algún otro sistema de domótica como sensores de proximidad o dispositivos
programables para la activación de luz en un rango de tiempo determinado.
Entre ellas se destacan:
• Permite que se cambie la configuración del estado actual de las luces a
cualquier hora y momento del dı́a, mientras que mediante un dispositivo
domótico que sea accesible únicamente dentro del hogar y que requiera
de una programación previa para establecer el comportamiento de las
luces no serı́a posible para el usuario cambiar dicha configuración si lo
deseara y se encontrara fuera del hogar.
• El sistema de DTMF no requiere de ninguna compra o instalación de
alguna aplicación especial para el teléfono por lo que resulta multiplataforma (independiente del sistema operativo, modelo o tipo de dispositivo
telefónico ya sea móvil, fijo o inalámbrico).
• El medio de transmisión para efecutar el control remoto es la lı́nea telefónica convencional, por ende no se necesita acceso a una conectividad
de datos avanzada o la activación del internet inalámbrico en un teléfono
inteligente, basta únicamente con el servicio básico.
• No se requiere de ningún acceso a servidores de internet ni manejarse
desde equipos como computadoras.
• Si se utilizan sensores de proximidad a las afueras de la residencia, estos
se pueden activar con mucha frecuencia si alguien externo pasa cerca
4
1 Introducción
de la casa por lo que si este evento se repite muchas veces, encendido y
apagado de la luz y el sensor no es desactivado, entonces puede dar una
señal de que posiblemente no hay nadie en la casa. Con el sistema de
control remoto la luz permanecerá encendida el tiempo y momento que
el usuario desee.
• Si los dueños de la casa salen de viaje y por error no desactivan los sensores de proximidad en afueras de la vivienda, estos pueden encenderse
en horas de la mañana de forma absolutamente innecesaria. Con el sistema DTMF esto no sucederı́a puesto que se controları́a a voluntad del
usuario desde su lugar de destino.
• Caso similar, si estos sensores no son activados al salir de casa al momento de regresar en horas de la noche, se estarı́a a oscuras y podrı́a
resultar peligroso. Con el sistema DTMF el usuario no debe preocuparse
en este aspecto dado que antes de volver al hogar, sencillamente efectúa
una llamada para activar las luces que él desee.
• Un control programado de luces siempre debe realizarse antes de salir
del hogar por lo que requiere mucha coordinación por parte del usuario
pues de forma similar a los sensores, si se olvidó por error establecer el
horario de encendido, la casa permanecerá oscura y regresar a la vivienda únicamente para activarlo podrı́a representar un factor económico
considerable.
1.2
Objetivos
Objetivo general
Diseñar e implementar un sistema de control remoto para el manejo de luces
a través de la red telefónica utilizando tonos dobles multi-frecuencia.
Objetivos especı́ficos
Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos:
• Investigar sobre sistemas de domótica que funcionen a través de la red
telefónica.
• Diseñar con apoyo de software secciones del sistema de control remoto,
que comprendan la detección de señales de la red telefónica como su procesamiento, la programación de microcontrolador, y el circuito actuador
para manejar el encendido y apagado de las luces.
1.3. Metodologı́a
5
• Implementar el diseño del sistema realizado mediante pruebas de encendido y apagado de luces representativas de ambientes en una residencia.
1.3
Metodologı́a
El diseño y la implementación del sistema de control incluyeron los siguientes
procedimientos, listados cronológicamente:
1. Se realizó una investigación bibliográfica sobre domótica, aplicaciones
domóticas para la iluminación y sistemas de control que funcionen a
través de la red telefónica.
2. Se indagó a fondo sobre el funcionamiento del teléfono fijo y los voltajes que están presenten en diferentes momentos. Además, se estudió la
circuiterı́a interna dedicada para contestar la llamada y procesarla.
3. Se contemplaron circuitos dedicados a detectar que existe una llamada
entrante y un chip integrado capaz de decodificar tonos DTMF enviados
por la red. Además, de un microcontrolador que brindase confort para su
posterior programación y uso en el sistema de control, junto al circuito
actuador para el manejo de las luces.
4. Se elaboró el diseño tanto de la interfaz electrónica capaz de detectar la
llamada entrante, contestar automáticamente y procesarla. Esto junto al
circuito actuador que active o desactive las luces. Todo esto, apoyándose
en simulaciones de software para su parte analógica y de aquellos chips
disponibles en las librerı́as del mismo. Esto con el fin de prever hasta donde sea posible, el comportamiento ante una llamada, su procesamiento
y manejo de luces.
5. Se programó al microcontrolador para suplir las necesidades de contestación automática, junto a la interpretación especı́fica de la decodificación
de los tonos DTMF enviados por la red al establecerse una llamada. Permitiendo esto encender o apagar una de las luces en un área particular
de la casa.
6. Se acudió a un laboratorio para el montaje de los circuitos diseñados en
cada etapa, para analizar mediante capturas oscilográficas, mediciones
de los voltajes presentes en el circuito para su funcionamiento necesario,
desde la respuesta ante una llamada: antes, durante y después; las señales
recibidas en el microcontrolador, ası́ como las enviadas por este para la
contestación automática, y control del circuito actuador permitiendo
activar o desactivar las luces.
6
1 Introducción
7. Se verificó el funcionamiento en conjunto del sistema de control efectuando pruebas de encendido y apagado de luces que comúnmente se
encuentran en ambientes residenciales, al enviar desde un teléfono móvil
o fijo, los tonos DTMF.
2
Marco teórico
2.1
Domótica
El progreso de las tecnologı́as de la información, las comunicaciones y su expansión en prácticamente todos los ámbitos de la vida cotidiana han hecho
que en los últimos 20 años se hable con frecuencia de edificios inteligentes,
viviendas domóticas, áreas inteligentes, etc. Es ası́ que en las casas se han implementado los avances tecnológicos para aumentar la seguridad y hacer de la
vivienda un lugar más confortable, promover el ahorro energético o la mejora
de salud. (Junestrand et al., 2005)
Garcı́a (2006), indica que la palabra Domótica se construye a partir del
término del Latı́n domus, que significa casa, y del sufijo otica, referente a la
automatización, es decir, la automatización de casas. De esta forma se puede
definir a la domótica como “la manera de crear casas, las cuales pueden ser
autónomas para tomar decisiones acerca de la funcionalidad y administración
de las mismas. Esto utilizando la tecnologı́a de punta que se crea para ellas con
la finalidad de darles confort, seguridad y ahorros energéticos a los hogares.
Si se analiza en detalle una vivienda, Junestrand et al. (2005) indican que
es posible determinar un buen número de sistemas y aplicaciones que complementan a las instalaciones básicas. Por ejemplo, es posible hablar del control
de iluminación, el control de climatización, la motorización de persianas, el
riego automático, las alarmas de seguridad, las alarmas de incendio, las cámaras de vigilancia, la propia instalación de distribución de señales y telefonı́a,
la televisión digital, entre otras.
Aplicaciones domóticas para iluminación
Los sistemas domóticos pueden estar presentes en diversas áreas del hogar,
entre ellas, la iluminación. Junestrand et al. (2005) listan variadas aplicaciones
dedicadas para el control de luces en viviendas con objetivos como: apagado
de todas las luces de la vivienda, automatización de la iluminación, regulación
de la iluminación según el nivel de luminosidad ambiente, control de luces por
mando a distancia y encendido/apagado temporizado de luces.
Con la domótica se pueden crear escenarios de forma automática y controlada, donde por ejemplo se necesita una menor cantidad de luz en la mañana
que en la noche. Esto es muy útil pues aumenta el confort, ahorra tiempo y
puede mejorar la seguridad en el hogar. Todo esto con una simple pulsación
7
8
2 Marco teórico
de un interruptor, un mensaje de voz, un mensaje de texto, una pulsación de
pantalla de Internet o el acceso a una habitación.
Según Junestrand et al. (2005) los sistemas de control se basan en tres
tipos de dispositivos:
• Controlador: en instalaciones centralizadas, es la central que gestiona el
sistema. En este reside toda la inteligencia del sistema y suele tener las
interfaces de usuario necesarias para presentar la información a este.
• Actuador: es el dispositivo de salida capaz de recibir una orden del
controlador y realizar una acción (encendido/apagado, apertura/cierre,
etc.).
• Sensor: es el dispositivo que está permanente monitorizando el entorno
con objeto de generar un evento que será procesado por el controlador.
Además, desde el punto de vista de donde reside la inteligencia del sistema
domótico, hay dos arquitecturas diferentes:
• Arquitectura centralizada: un controlador centralizado recibe información de múltiples sensores y, una vez procesada, genera las órdenes oportunas para los actuadores.
• Arquitectura distribuida: en este caso, no existe la figura del controlador
centralizado, sino que toda la inteligencia del sistema está distribuida por
todos los módulos sean sensores o actuadores.
Sistemas de control a través de una red telefónica
La red de telefonı́a aparte de cumplir su función principal como medio de
comunicación entre personas, también puede ser utilizada para diversas aplicaciones que correspondan al ámbito de la domótica, es decir por ende, el
control de dispositivos en una vivienda.
Como ejemplos, Cellbris Telecom Ltd (2008) ofrece el sistema CellGate
para abrir puertas del domicilio automáticamente, mediante el teléfono móvil,
pues cuenta con una tarjeta SIM (módulo de identificación de suscriptor, del
inglés subscriber identity module).
También, se encuentra el AMS 51G, el cual funciona a través de la red
GSM y permite el control remoto de relays, detección de alarmas y activación
de la calefacción. (Xuitec, 2013).
Otro dispositivo es el Hermes LC-2. Su funcionalidad básica es la transmisión de alarmas, temperatura, humedad, y detección de fallo en red de
alimentación. (Microcom Sistemas Modulares S.L, 2013).
2.2. Funcionamiento de la lı́nea telefónica
9
La empresa OpenPeak desarrolló para el año 2009 un sistema con pantalla
táctil de 7 pulgadas que funcionaba con la lı́nea fija y brindaba un servicio
de centro multimedia con internet inalámbrico, despliegue de imágenes, clima,
radio, música y servı́a de estación al teléfono inalámbrico que proveı́a dicha
empresa. Se suministró por medio de operadoras británicas y estadounidenses,
luego de unos meses dejó de estar disponible en el mercado. (Segan, 2008).
Como se puede observar, las posibilidades de control autónomo y remoto
son muy variadas. Ahora bien, con respecto al control de luces ya se han
desarrollado, tal como lo muestran Vega y Schmidt (2003). Ellos elaboraron un
sistema capaz de utilizar como medio de comunicación remota la red telefónica
fija, y por medio de un microcontrolador manejar la iluminación mediante la
conmutación de relays como circuitos actuadores.
Con todos los dispositivos anteriores mostrados, queda en evidencia la gran
utilidad que estos pueden brindar al usuario y al hogar. Las combinaciones y
necesidades pueden satisfacerse de múltiples maneras gracias a la industria
electrónica quien provee muchı́simos integrados, microcontroladores, y demás
componentes; claramente, la creatividad e investigación permite la fusión de
todos ellos para funcionar en conjunto.
2.2
Funcionamiento de la lı́nea telefónica
El teléfono ha evolucionado mucho desde su invención antes del siglo XX,
actualmente se cuenta con grandes redes extendidas en los paı́s que permiten la comunicación entre teléfonos. Al hablar por teléfono las ondas sonoras
entran por el micrófono y esto hace vibrar a un cristal piezoeléctrico generando corrientes que corresponden al sonido incidente. La señal viaja hasta las
centrales telefónicas quienes conectan con el usuario de destino. Del lado del
receptor hay otro cristal piezoeléctrico o pequeños altavoces de electroimán
que reproducen el sonido emitido por la otra persona.
La Red Telefónica Conmutada (RTC) funciona basándose en un cable que
contiene hilos de cobre en su interior. Las lı́neas están unidas entre sı́ por
centrales y se van ramificando hasta llegar a los domicilios de los usuarios.
Es analógica porque transmite en forma de impulsos eléctricos las vibraciones
de la voz. Aunque sus orı́genes y desarrollo van ı́ntimamente ligados a la
transmisión de la voz, también es posible enviar datos al comunicar entre sı́ dos
computadores utilizando los mismos circuitos de la red básica de transmisión
de voz. Esto es factible mediante el uso de un módem (equipo que transforma
señales digitales en analógicas y al revés, para enviar y recibir información a
través de la lı́nea telefónica). (Abadal, 2001).
Una de las caracterı́sticas de la red telefónica aparte de transmitir voz,
es el envı́o de señales DTMF una vez establecida la llamada. Gokhale (2005)
10
2 Marco teórico
Figura 2.1: Teclado telefónico.
Gokhale (2005)
Figura 2.2: Roseta telefónica por fuera y por dentro
Fernández y Barbado (2008)
detalla que éstos consisten en una matriz de frecuencias, donde cada número
del teclado telefónico (en inglés, dial pad) es una única combinación de dos
tonos, es decir, una señal senoidal compuesta por dos frecuencias. La figura
2.1 describe el par de tono utilizado.
Ahora bien, con respecto al ámbito técnico, el teléfono fijo se conecta a
una roseta mediante un conector RJ11 para ası́ ser alimentado por el voltaje
entre el cable de Ring y Tip, que genera la central telefónica y que llega al
terminal. Figura 2.2.
Con respecto a los voltajes generados en la entrada del teléfono y por lo cual
funciona, dependen de la situación en la que se encuentre el dispositivo pues
varı́an entre si está colgado, recibiendo una llamada, ocupado o al descolgar
para atender.
Caso: Colgado, en inglés On Hook.
2.2. Funcionamiento de la lı́nea telefónica
11
Figura 2.3: Teléfono colgado
Cisco Systems Inc (2008)
Figura 2.4: Teléfono descolgado llamando a otro
Cisco Systems Inc (2008)
Cuando el teléfono está colgado quiere decir que no se está utilizando y por
ende disponible para recibir una llamada. Cisco Systems Inc (2008), indica que
en ese estado la tensión que se presenta corresponde aproximadamente a −48
V DC (corriente directa, del inglés direct current), y ası́ ponen el interruptor
de la oficina central abierto. El interruptor contiene poder de alimentación
para este circuito DC. Solamente el timbre está activo cuando el teléfono se
encuentra en esta posición. Figura 2.3.
Caso: Recibiendo una llamada, en inglés Ringing
Cisco Systems Inc (2008), indica que primeramente se levanta el auricular
del teléfono escuchando tonos de 350 Hz y 440 Hz lo que hace entender que es
posible hacer una llamada, se marcan las teclas para enviar los tonos DTMF
a la central e indicar el número telefónico al que se quiere llamar. Una vez
efectuado esto, Tan (2009) indica que la señal en el receptor se mantiene con
un voltaje DC de −48 V pero en ella una onda AC (corriente alterna, del inglés
alternating current) de unos 20 Hz con aproximadamente 132 V pico-pico de
amplitud durante unos pocos segundos, luego la señal regresa a su valor DC
y se repite la señal AC, esto se liga al caracterı́stico sonido de ring, y sucede
hasta que se conteste o por un tiempo definido por la central telefónica da por
finalizado el intento de llamada. Además, en el transmisor lo que se genera
son tonos intermitentes en el tiempo de 440 Hz y 480 Hz de espera mientras
no se haya contestado la llamada.
Caso: Ocupado, en inglés Busy
Si el receptor está en una conversación en ese momento, la central envı́a
12
2 Marco teórico
Figura 2.5: Llamada contestada
Cisco Systems Inc (2008)
al usuario que llamó una señal de ocupado en tonos de 480 Hz y 620 Hz, con
aproximados 500 mV pico-pico. (Cisco Systems Inc, 2008).
Caso: Descolgado, en inglés Off Hook
Una vez que el teléfono se descuelga para contestar la llamada (también
aplica para cuando se desea efectuar una) el voltaje de la lı́nea cambia de
−48 V a unos −9 V, esto depende de la longitud del bucle de abonado (par
de cobre comprendido entre la central telefónica local y el cliente). Si otro
teléfono en paralelo se descuelga, el consumo de corriente de la lı́nea seguirá
siendo la misma y la tensión en los terminales de ambos teléfonos se reducirá.
(Freshwater, 2010). Figura 2.5.
Circuiterı́a interna del teléfono fijo
Un teléfono fijo consta de una serie de etapas para recibir la señal, procesarla,
permitir que el usuario entable una conversación, ası́ como la marcación de
los dı́gitos para indicar el número telefónico al que se desea llamar e incluso la
posibilidad de guardar en una memoria algunos números que se frecuenten en
una lista rápida o cuál fue el último número que se marcó. Todo depende del
modelo del teléfono que se compre, pues puede que no tenga memoria para
almacenar datos.
Motorola Inc (1993), proporciona un simple IC (circuito integrado, del
inglés integrated circuit), el cual provee todas las funciones básicas de las
estaciones del aparato telefónico, el MC34010. Basado en dicho integrado, el
diagrama de bloques que representa al teléfono fijo internamente se muestra
en la figura 2.6.
Como se puede observar, cuenta con dos cables de entrada el Tip y el Ring
para la alimentación. Para contestar o colgar una llamada se activa o desactiva
un interruptor, hook switch. Fı́sicamente cuenta con seis patillas (tres en el
lado izquierdo y tres en el lado derecho de una forma simétrica en su interior,
es decir la parte izquierda está aislada de la parte de la derecha) y dependiendo
de su estado, se cambia de −48 V en on hook a los −9 V en off hook.
En la entrada se cuenta con una red resistencia-capacitor en el Tip para
trabajar con las tensiones DC, pero además, dada también la presencia de
2.2. Funcionamiento de la lı́nea telefónica
Figura 2.6: Diagrama de bloques de los elementos de un teléfono fijo
Motorola Inc (1993)
Figura 2.7: Hook Switch
Moutain Switch (2013)
13
14
2 Marco teórico
ondas senoidales se implementa el puente rectificador. Motorola Inc (1993)
indica el funcionamiento básico de cada pequeño bloque, donde:
• El regulador de lı́nea determina la entrada DC caracterı́stica del teléfono.
• La red de habla provee la interfaz entre la lı́nea del teléfono y el instrumento transmisor (micrófono) y receptor (parlantes, en inglés speaker).
Para usuarios que hablen muy alto, un circuito limitador de picos reduce
el nivel de entrada transmitido para mantener una baja distorsión.
• El teclado telefónico, keypad, activa el generador de tonos DTMF al ser
presionadas las teclas. De este modo, se indica el número telefónico al
que se desea llamar.
• El tono de timbre (tone ringer) genera en su salida un silbido con forma
de onda cuadrada que se dirige un elemento piezoeléctrico sonoro cuando
la lı́nea de voltaje AC excede un nivel de umbral predeterminado. El
detector de umbral utiliza un comparador en modo de corriente para
evitar el encendido/apagado de la charla cuando la corriente de salida
reduce el voltaje disponible en la entrada del timbre.
• La interfaz MPU (unidad microprocesadora, del inglés microprocessor
unit) conecta el keypad y las secciones generadoras de tonos DTMF hacia el microprocesador para almacenar los números que sean marcados
y procesarlos. Cada botón de los 12 o 16 números del teclado es representado por un código de 4 bits, y es usado para cargar el contador
programable que genera el tono apropiado que hace referencia a la tecla
según su ubicación por fila-columna en dicho teclado.
3
Diseño
3.1
Receptor de llamadas
El sistema de control remoto diseñado requiere contestar la llamada y procesarla inicialmente, esto corresponde a la función de un teléfono que únicamente
reciba llamadas, y no es necesario ninguna memoria o teclado que genere tonos
DTMF. Esto por ende es una circuiterı́a sencilla y este tipo de teléfonos ya se
pueden adquirir fácilmente pues se venden en almacenes a muy bajo precio. La
figura 3.1, muestra la apariencia del dispositivo, y la figura 3.2 la circuiterı́a
tı́pica interna.
Al utilizar los valores indicados por el fabricante en la circuiterı́a del teléfono desarmado y basándose en las pistas de la PCB (Placa de Circuito
Impreso, del inglés Printed Circuit Board) se incluyó como un esquemático en
el software TINA. Figura 3.3.
Para el hook switch, si la patilla 1 hace contacto con la 2 al mismo tiempo que 6 con 5, el teléfono está colgado; pero si la 1 hace contacto con 3
y la 6 con 4, el teléfono contesta la llamada. Ahora bien, el circuito integrado que está presente en ese teléfono es un DBL5001, el cual es un Tone
Ringer y es el encargado de los sonidos de “ring” tı́picos del teléfono al recibir una llamada y brinda la referencia para el micrófono y speaker. (Daewoo Semiconductors, 2013). Para más información sobre el DBL5001 se puede
ingresar a la siguiente página web: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/58384/DAEWOO/DBL5001.html
El voltaje AC del “ring” aparece a través de los terminales TIP y el RING
del circuito, y es atenuada por el capacitor C2 de 1 µF y la resistencia R1
de 1kΩ. Este capacitor además ofrece aislamiento del voltaje DC en la lı́nea.
Figura 3.1: Teléfono para solo recibir llamadas
Lingtingzhe (2013)
15
16
3 Diseño
Figura 3.2: Teléfono para solo recibir llamadas, internamente
Figura 3.3: Esquemático de un teléfono para contestar
3.2. Detector de llamada entrante
17
Después de la completa rectificación de la onda por el puente de diodos, la
tensión llega al nodo del zener y cuando se excede la tensión de iniciación del
chip, la oscilación empieza.
Para prevenir un problema de regulación de la fuente de alimentación DC
debido a la alta impedancia de la fuente de la lı́nea telefónica y el acoplamiento
del capacitor C2 y la resistencia R1, mientras la impedancia de salida del
circuito DBL5001 es muy baja, la impedancia de carga debe mantenerse alta.
Cuando se utiliza un dispositivo transductor piezoeléctrico, se requiere de un
diodo zener en paralelo, pues este limita el transciente de voltaje que puede
ser generado por los choques mecánicos del transductor piezoeléctrico.
3.2
Detector de llamada entrante
Cuando se genera una llamada, esta produce un sonido de ring en el circuito del
Tone Ringer y al ser levantado el auricular este hace conmutar al hook switch
para contestar. Esto se puede cambiar por un circuito que detecte una llamada
entrante, y que se envı́e una señal de indicación para que automáticamente se
conmute el switch luego de pasadas una serie de “rings”, esto para dar tiempo
a la persona en casa de contestar por ella misma el teléfono. Claramente si
no hay nadie en la residencia se contestarı́a luego de esa cantidad de rings
pues su función es esa, pero dado su funcionamiento “autónomo” este colgarı́a
la llamada luego de unos segundos si no recibe tonos DTMF especı́ficos para
accesar al sistema de control del luces.
Como se ha investigado, existe una tensión de −48 V DC antes de la
llamada, en la llamada 132 V AC a 20 Hz, y al contestar cambia a −9 V
DC. Ahora, el circuito del teléfono que sólo recibe llamadas es necesario para
contestar al conmutarse el interruptor, este sitúa en paralelo en los terminales
de entrada TIP – RING para ası́ tener la misma tensión que el detector.
Ibero (1998), muestra el diseño de un detector al momento de recibir una
llamada, figura 3.4.
El dispositivo detecta la corriente de llamada y la emplea para activar
una etapa de potencia que controle la carga que se quiere utilizar. En primer
lugar se debe tener en cuenta que el circuito sólo debe actuar cuando exista
corriente de llamada, al ser ésta una señal AC centrada en una DC, se la
puede discriminar mediante un capacitor, el cual sólo dejará pasar la corriente
alterna, bloqueando la continua.
Una vez separado la señal de llamada, se rectifica para poder emplearla,
en serie con el puente rectificador se coloca una resistencia para limitar la
caı́da de tensión, dado que la tensión de llamada está sobre los 100 V, una vez
rectificada en onda completa, se filtra para convertirla en continua, en este
18
3 Diseño
Figura 3.4: Detector de corriente telefónica en la llamada
Ibero (1998)
caso se emplea un diodo zener para rebajar la tensión a unos 5 V (tensión
comúnmente utilizada en circuitos digitales por ejemplo).
Hasta este punto se tiene la señal discriminada, rectificada y convertida
en pulsos de 5 V, a partir de aquı́, se puede utilizar de diversas formas, desde
la sencilla etapa de potencia que se muestra en dicha figura hasta entradas a
una computadora para sistemas de control más complejos (se recomienda un
aislamiento óptico de toda señal que vaya a entrar en una computadora, por
seguridad y por economı́a al ser más barato un optoacoplador que una tarjeta
madre del ordenador).
Un optoacoplador es un chip que permite aislar su entrada de su salida
pero permitiendo una transmisión de datos rápida mediante haces de luz de
un foto-LED (Diodo Emisor de Luz, del inglés Light Emitting Diode) emisor
a un foto-transistor. Esto brinda seguridad y protección para equipos más
delicados en donde una tensión alta pueda dañarlos.
En el circuito diseñado por Ibero (1998), la etapa de potencia que se presenta es simple, empleando un transistor como interruptor electrónico, al recibir
el pulso el transistor entra en saturación y deja pasar la corriente que debe
pasar por el relay, accionando el mismo. Una consideración a tener en cuenta
es el diodo en inversa que se dispone en paralelo con el relay, la razón de ser
del diodo es proteger al transistor de la autoinducción de la bobina del relay
que genera unos picos de alta tensión considerables.
3.2. Detector de llamada entrante
19
Figura 3.5: Unidad opto-contadora
Erol et al. (2007)
Además, otra cuestión a tener en cuenta es que debido al escaso consumo
del circuito (solo consume cuando el relay está activado) si se coloca un LED
para verificar que el aparato está encendido o apagado, al apagar el circuito,
queda cargado el capacitor de alimentación y por tanto el LED se queda encendido un tiempo hasta que descarga el condensador, para evitar que suceda,
se utilizó una resistencia de descarga de modo que al apagar el circuito se
fuera por ella toda la carga del condensador, entonces, al apagar el circuito,
el condensador se descarga en el instante y el LED se apaga.
Erol et al. (2007), diseñaron otro circuito que permite detectar una llamada
entrante. Figura 3.5.
Los autores indican que esta unidad se diseñó para detectar el número de
rings. Cuando la entrada del circuito es excitada por la alta amplitud de la
señal senoidal de la llamada, 0 V – 5 V aparecen en forma de onda cuadrada
en la salida del circuito. La salida en el puerto del circuito optoacoplador
es conectado a un microcontrolador, 16 pulsos aparecen en la salida por cada
ring. El microcontrolador cuenta los pulsos para determinar el número de rings.
Cuando el número de pulsos especificados por el programador son alcanzados,
el microcontrolador abre la lı́nea telefónica. El optoacoplador 4N25 es quien
provee el aislamiento óptico entre el microcontrolador y la lı́nea telefónica.
Para más información sobre el 4N25 se puede ingresar a la siguiente página
web: http://www.vishay.com/docs/83725/4n25.pdf
Otro circuito involucrado con la detección de rings es el mostrado por
Engdahl (2005) en la figura 3.6. En los módems de computadora se necesita la
señal lógica de timbre en lugar del tono de llamada. El circuito de ring debe
pasar la información de la señal del timbre hacia la electrónica del módem y
aún proporcionar aislamiento eléctrico entre la lı́nea del teléfono y la electrónica del modem. La salida del optoacoplador puede ser fácilmente conectada
a electrónica digital, pero la entrada de este IC necesita más electrónica: un
capacitor para evitar que el DC pase a través de él, una resistencia para limitar
20
3 Diseño
Figura 3.6: Circuito detector de rings en módems
Engdahl (2005)
la corriente que circula por el LED del optoacoplador y un diodo en reverso
conectado paralelamente con dicho LED para prevenir voltajes negativos que
dañen al LED.
Hay también dos diodos zener (modelos de 10 V – 20 V) para asegurarse
de que el circuito no detecte señales AC demasiado pequeñas en la lı́nea y sean
confundidas como una señal de llamada. (Engdahl, 2005)
Finalmente, se decidió utilizar el circuito de la figura 3.6, como base para la
detección de las llamadas del sistema de control; donde el emisor del fototransistor se puso a tierra y su colector funcionando como la salida de este. Para
ello, se añadió un divisor de tensión a dicho colector para manejar la señal
en este pin pues sin esto al saturarse internamente el fototransistor produce
que se aterrice el colector generando una señal de 0 volts y cuando se tenga
en corte no habrı́a señal; además, luego del divisor se agregó un transistor
para funcionar en corte y saturación junto con una resistencia de pull-up en
su colector.
Lo anterior con el fin de generar pulsos de onda cuadrada de 20 Hz lo que
equivale a una duración de 50 ms, que funcionen como la entrada a un temporizador CD4047 en modo retrigger (redisparable por pulsos) para tener en su
salida un alto lógico, y ası́ indicar que existe una llamada entrante. La resistencia y el capacitor se diseñaron suficientes para poder recibir el pulso y no correr
riesgo de perder la función de retrigger, por lo que sus valores datan de 560 kΩ
y 100 nF pues con la hoja del fabricante se obtiene un tiempo monostable por
pulso de aproximados 139 ms. Para más información sobre el CD4047 se puede consultar la siguiente página web: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/26874/TI/CD4047.html
3.3. Decodificador de tonos DTMF
21
Figura 3.7: Configuración del MT8870 para la decodificación de tonos DTMF
Mitel Networks Corporation (2013)
3.3
Decodificador de tonos DTMF
Para identificar cual tono es el enviado por red durante una llamada establecida, se puede utilizar un circuito integrado cuya función sea una decodificación
a sistema binario de cada señal senoidal de cualquier tecla del dialpad.
El circuito integrado MT8870 de Mitel Networks Corporation (también
se puede encontrar de otros fabricantes con numeración similar xx8870) es
un completo receptor de DTMF y su decodificador utiliza técnicas de conteo
digital para detectar y decodificar cualquiera los 16 posibles pares de tonos
DTMF para otorgar a su salida (Q1 a Q4) una cadena de 4 bits. Requiere pocos componentes externos: resistencias, capacitores y solo un oscilador de reloj
a 3,759545 MHz . Mitel Networks Corporation (2013) otorga en su hoja de
fábrica todas las funciones para cada pin ası́ como su conexión para la decodificación junto con los valores de sus periféricos, figura 3.7. Además, la tabla de
verdad correspondiente con la cadena de bits especı́fica para cada uno de tonos
DTMF del dialpad se muestra en la figura 3.8. Para más información puede
consultarse la siguiente página web: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/77085/MITEL/MT8870.html
Ahora bien, para establecer una conexión directa a la lı́nea del teléfono para
recibir los tonos, el IC se puede dañar si no se agrega una cierta protección
externa. Es por ello que, Poumai (2003) muestra una circuiterı́a externa como
interfaz hacia la lı́nea telefónica y protección contra transientes al dividir las
resistencias de entrada e insertando diodos zener para fijar el voltaje, figura 3.9.
Esto permite que la energı́a en el transiente sea disipada en las resistencias
y diodos, además de limitar la tensión máxima que puede aparecer en las
22
3 Diseño
Figura 3.8: Tabla de verdad, MT8870
Mitel Networks Corporation (2013)
entradas.
Los LEDs indican el número que se decodificó donde la luz encendida
corresponde a un alto, y un bajo si está apagado. El interruptor S1 conecta
a la alimentación DC el circuito y el S2 si se activa permite recibir los tonos
correspondientes a las teclas A, B, C, D del dialpad o de lo contrario no se
decodificarı́an.
3.4
Microcontrolador
Para un sistema de control autónomo, la implementación de un microcontrolador resulta en la mayorı́a de los casos necesaria. El microcontrolador elegido
para el desarrollo del sistema de control es el Arduino UNO, pues es muy popular y brinda confort al usuario dado que es sencillo de implementar gracias
al gran soporte en la comunidad de desarrolladores junto a su software libre.
Figura 3.10
Según Arduino Team (2013a) este microcontrolador es una plataforma de
creación de prototipos electrónicos de código abierto basado en la flexibilidad,
un hardware y software fácil de usar. Está dirigido a artistas, diseñadores, aficionados y cualquier persona interesada en la creación de objetos interactivos
3.5. Circuito actuador, manejo de luces
23
Figura 3.9: MT8870 con interfaz hacia la lı́nea telefónica
Poumai (2003)
Figura 3.10: Arduino UNO
Arduino Team (2010)
o entornos.
Arduino puede detectar el medio ambiente mediante la recepción de aportes de una variedad de sensores y puede afectar a su entorno controlando
luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa se programa mediante el lenguaje de programación propio y el entorno de desarrollo Arduino. Los proyectos con él pueden ser independientes o comunicarse
con el software que ejecuta en un ordenador. Para más información sobre
el integrado del Arduino UNO se puede ingresar a la siguiente página web:
http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno
3.5
Circuito actuador, manejo de luces
Para generar un encendido y apagado de una bombilla tı́pica de una casa se
decidió utilizar relay como interruptor, pues se cuenta con gran variedad de
ellos y son resistentes para manejar este tipo de cargas. Dado que el micro-
24
3 Diseño
Figura 3.11: Circuito actuador para el manejo de luces
Erol et al. (2007)
controlador posee diversas salidas e independientes entre sı́, este puede enviar
pulsos de control que lleguen a la base de transistores funcionando como conmutadores en saturación o corte y ası́ finalmente activar al relay. Erol et al.
(2007) muestran la implementación de diodos en paralelo con cada relay para prevenir autoinductancias que lleguen a dañar al microcontrolador. Figura
3.11.
3.6
Sistema de control funcional
Se unieron las diferentes secciones indicadas anteriormente para generar el
sistema de control remoto en un diseño funcional para un especı́fico de tres
luces simbolizando un pasillo, una sala y un cuarto de habitación. En este
sistema eliminó del circuito del teléfono con función de únicamente contestar
el IC DBL5001 pues este no influye en el proceso ante los voltajes de la lı́nea
telefónica ya que solo se relaciona con la vibración del material piezoeléctrico,
el cual emite el sonido del caracterı́stico ring. Además se añadieron dos diodos
LED para tener una señal visual al momento de detectarse una llamada. El
sistema corresponde a la unión de las figuras 3.12 y 3.13.
Estos dos esquemáticos son codependientes. Pues primeramente el detector
de ring está esperando que se genere el cambio de tensión DC entre Tip y Ring
a una senoidal. Cuando esto sucede se generan pulsos de 0 V - 5 V los cuales
ingresan al CD4047 y este otorga una señal en alto que permite encender los
diodos LED a su salida, indicando que hay una llamada, y esta tensión ingresa
al Arduino quien la interpreta.
El Arduino espera un cantidad de rings luego de detectar que hay una
llamada entrante, esta cantidad se indica por el usuario, 5 en este caso para
enviar una señal de control y simular el hook switch, contestando automáticamente la llamada. Esto requiere que al mismo tiempo se conmute la conexión
de los pines 1 con 3 y 6 con 4 (teléfono colgado) a un estado de pin 1 con 2
3.6. Sistema de control funcional
25
Figura 3.12: Circuito para constestar únicamente
Figura 3.13: Detector, decodificador, unidad microprocesadora y actuadores
26
3 Diseño
y pin 6 con 5 (llamada se contesta). Un relay doble el cual integra dos relays
SPDT (Polo Simple, Tiro Doble, del inglés Single Pole, Double Throw), donde
cada uno tiene un pin normalmente cerrado y uno normalmente abierto, este
relay es el encargado de suplantar al interruptor del teléfono.
Una vez establecida la llamada, se cuenta con un tiempo definido por el
usuario en el software, 10 segundos en este caso para enviar un código de seguridad en el siguiente orden: *, 0, #, 5 (el usuario tambı́en lo puede definir) si
es algún otro código el Arduino cuelga automáticamente, esto vuelve bastante seguro al circuito pues la combinación de 4 dı́gitos en un orden especı́fico
genera un total de más de 20500 posibilidades a elegir para un conjunto de
12 dı́gitos disponibles. Únicamente si se envı́an los tonos descritos se puede
ingresar a la sección para el manejo de luces donde se envı́an una serie de
combinaciones de tonos DTMF los cuales son especı́ficos para el manejo de
una luz asignada. Por ende, para una mayor seguridad, cualquier otro intento
de combinación en la clave de seguridad en ese tiempo concluirá con que el
Arduino cuelgue automáticamente la llamada.
El MT8870 decodifica cada tono y envı́a una señal de 5 bits al Arduino,
donde 4 de ellos son representantes del tono enviado y el restante se presenta
inmediatamente después e indica si se decodificó un tono válido, se presenta
como alto lógico durante un breve momento y vuelve a caer a un bajo lógico.
De esta manera, el Arduino interpreta la cadena binaria y puede reconocer el
DTMF enviado.
Para el manejo de luces se inicia un conteo, en el software. Durante un
tiempo de 30 segundos, definidos por el usuario, si se envı́a un tono DTMF
correcto se reinica y vuelve a contar pero si pasan más de los 30 segundos
sin recibir ningún tono DTMF válido entonces el Arduino cuelga la llamada.
Esto con el fin de que el usuario no se vea limitado en único tiempo fijo para
manejar todas las luces.
Ası́ se tiene un control automático en las llamadas y si se contesta la
llamada por una persona, ésta puede hablar sin problemas puesto que aunque
el Arduino conteste la llamada, al estar dividida por el adaptador, permite
que no se afecte la conversación normal. Los códigos de encendido de una luz
de las tres luces obedecen el orden: *, (número de luz); mientras que para
apagar una luz: 0, (número de luz). Los números de luz son, 1, 2 o 3, junto
con un caso especial donde se envı́a como segundo tono el 9, para manejar a
las tres luces al mismo tiempo ya sea para encenderlas o apagarlas. Cuando
se está listo, por medio de una señal de control el transistor necesario cambia
de estado permitiendo que el relay active o desactive la luz.
El código del Arduino se encuentra adjunto en el disco compacto de este
documento y en el sitio web: http://www.mediafire.com/?z1hlos91ukmuxc2.
Este código obedece al diagrama de flujo mostrado en la figura 3.14 y describe
lo indicado anteriormente. Arduino Team (2013b) muestra en su página web la
3.7. Simulaciones
27
referencia para la sintaxis del código y una breve explicación de las funciones
disponibles para mayor información.
3.7
Simulaciones
Mediante el software TINA se realizaron las simulaciones correspondientes a
las secciones analógicas del sistema de control, es decir, exluyendo el funcionamiento del MT8870, CD4047, ATMEGA328P (IC del Arduino) dado que
no se encuentran en las librerias del programa.
Teléfono contestador de llamadas
Cuando se encuentra colgado, en el relay doble, el pin 6 conectado al 5 y el
pin 1 al 2, genera que la base del transistor quede sin polarizar y se presente
una tensión nula en el speaker indicando que no se oye ningún sonido en esta
posición, sino claramente hasta levantar el auricular en un teléfono cualquiera.
El capacitor gracias a su caracterı́stica de almacenamiento de energı́a y junto
a la resistencia forman un filtro en el pin 5 que bloquea el DC por lo que
la medición de Pin4 es casi cero al igual que en el diodo zener. Este diodo
tiene su cátodo conectado al pin 1 por lo que permite limitar la tensión en
los ciclos positivos de la señal cuando esta sea AC. El puente de diodos no
rectifica ninguna onda dado que no hay AC. La simulación se muestra en la
figura 3.15. Además, cuando se contesta el pin 6 se conecta con el 4 quedando
el medidor puesto al Tip, y el pin 1 con el 3 habilita el acceso a la base del
transistor y ası́ tener efecto sobre el speaker y micrófono.
Ahora en esta misma posición de pines del relay, cuando se recibe una
llamada en la entrada, la tensión AC que se genera produce una rectificación
de la onda en el punto ”Pin4”, dejando pasar la parte positiva de la onda que
llega su pico a unos aproximados 16 V, esto permite pasar por el diodo D2 al
punto ”Zener” cuando se tiene la onda negativa los diodos D1 y D4 la rectifican
en el punto ”Zener”. La simulación se muestra en la figura 3.16.
Cuando se contesta al conmutar el interruptor, se genera una tensión en
el speaker por lo que si viaja un tono DTMF este se puede escuchar por aquı́.
Figura 3.17.
Detector de llamadas
Al presentarse una llamada con una onda senoidal de entrada, esta genera que
la tensión entre los diodos Zener de 20 V cada uno se fije aproximadamente al
rededor de ese valor, positivo y negativo. Cuando la onda llega al diodo, el cual
está en paralelo con el fotodiodo del optoacoplador, la tensión diferencial allı́
equivale a una rectificación de la señal junto con una tensión de diodo, casi 0,7
28
3 Diseño
Figura 3.14: Diagrama de flujo del funcionamiento del Arduino
3.7. Simulaciones
Figura 3.15: Simulación teléfono para contestar, tensión DC colgado
Figura 3.16: Simulación teléfono para contestar, tensión AC
Figura 3.17: Simulación teléfono para contestar, tensión DC contestado
29
30
3 Diseño
Figura 3.18: Simulación detector de ring, tensión AC
V. Ahora, esta señal se envı́a hacia la base del fototransistor del optoacoplador
permitiendo que funcione en corte y saturación.
Cuando este transistor se satura, en la base el transistor 2N2222 se genera
un voltaje incapaz de saturarlo por lo que queda en corte y la señal de entrada
al CD4047, VinCD4047, permanece en alto (5 V). Caso contrario, al saturarse
pone a tierra la señal VinCD4047 generando un bajo. Con lo anterior, se genera
una onda cuadrada de pulsos que activan el modo retrigger del multivibrador
para ası́ tener una señal en alto a su salida. La simulación se muestra en la
figura 3.18.
Si el teléfono se encuentra esperando la llamada o ya se estableció, la
tensión DC llega a presentar una tensión de diodo en el fotodiodo del optoacoplador que al transferir la energı́a no satura el fototransistor, quedando en
corte, y por ende el 2N2222 si queda en saturación, generando un bajo en
VinCD4047. La simulación se muestra en la figura 3.19.
Entrada al decodificador
El decodicador de tonos requiere conectarse a la red telefónica para poder
distinguir las frecuencias en las señales que se envı́en y si son tonos DTMF,
decodificarlos. Para protección de los transientes altos al recibir una llamada,
al circuito integrado se le agregó una interfaz electrónica para conectarlo a
la red, las señales de entrada al integrado contienen la frecuencia de la señal
proveniente del teléfono transmisor, si se tiene solamente una tensión DC en
la lı́nea los filtros pasivos se encargan de bloquear la señal pues solamente
interesan señales AC. Las simulaciones se muestran en la figura 3.20 y figura
3.7. Simulaciones
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Figura 3.19: Simulación detector de ring, tensión DC
Figura 3.20: Simulación circuito protección del decodicador, tensión DC
3.21, junto la figura 3.22 donde se suman dos señales senoidales para simbolizar
un tono DTMF y de como la señal se mantiene hasta las cuatro entradas del
IC.
Actuadores
El Arduino luego de interpretar los tonos DTMF decodificados envı́a una señal
para cada luz, y ası́ controlar el encendido o apagado de esta. El antes y después
del envı́o de las señales de control se muestra en la figura 3.23, apartado a) y
b) respectivamente.
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3 Diseño
Figura 3.21: Simulación circuito protección del decodicador, tensión AC
Figura 3.22: Simulación circuito protección del decodicador, tono DTMF
Figura 3.23: a) Luces apagadas b) Luces encendidas
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Implementación
Primeramente se verificó el detector de llamadas ingresando una señal senoidal
en su entrada la cual se transformó a una onda cuadrada de alrededor de Vcc
(su alimentación de unos 5 V) y conservó su frecuencia. Por ello, con un
generador de señales se simuló esta onda con una frecuencia de cerca de 20
Hz, figura 4.1, y se ingresó al multivibrador CD4047, figura 4.2, activando la
función retrigger.
Debido a esta onda cuadrada el CD4047 mantuvo un alto siempre y cuando
dicha onda fuese suministrada. Las tensiones medidas en el laboratorio se
muestran de forma comparativa en la figura 4.3.
Cuando la señal senoidal de entrada fue pequeña esta no se confundió
con un ring, como se previó en las simulaciones. Por lo tanto el colector del
optoacoplador presentó una tensión de alrededor de 1 V DC, figura 4.3, quien
saturó al transistor siguiente y puso a tierra la entrada del multivibrador.
Con una señal DC en la entrada, esta no generó ningún voltaje en alto a
la salida del CD4047, figura 4.3, pues no se presentó ningún tren de pulsos. La
tensión en el colector del optoacoplador fue de 1 V DC, figura 4.3, saturando
al transistor siguiente y poniendo a tierra la entrada del IC.
Al conectarse a la lı́nea telefónica, la tensión DC antes de recibir una
Figura 4.1: Onda cuadrada en la entrada del CD4047
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34
4 Implementación
Figura 4.2: Multivibrador del detector de rings
Figura 4.3: Comparación de tensiones teóricas y medidas en el laboratorio
llamada y luego de contestarla se muestran en la figura 4.3. Estos valores
fueron relativamente cercanos a los esperados teóricamente.
Con la llamada contestada se enviaron diversos tonos DTMF. En la entrada
del MT8870, luego del circuito de protección, la señal del tono conservó sus
frecuencias sin problema y por ende se decodificó. Dicha señal se muestra en
la figura 4.4.
Los LEDs representaron el binario equivalente al tono DTMF enviado. El
DTMF 1 se muestra en la figura 4.5, donde el LED inferior correspondió al bit
menos significativo y de acuerdo con la tabla de verdad del decodificador, este
dı́gito se representa por 0001 en binario. El estado en alto se mantuvo hasta
que se recibió algún otro tono, el DTMF 0 se muestra en la figura 4.6, luego
de colgar la llamada.
El voltaje de salida del MT8870 que correspondió a un 1 binario por la
4 Implementación
35
Figura 4.4: Señal de un tono DTMF en la entrada del MT8870
Figura 4.5: Decodificación del DTMF 1
decodificación se muestra en la figura 4.3. La señal en alto mencionada ingresó
al Arduino, figura 4.7, quien la interpretó como un 1 y ası́ junto con las otras
tres señales efectuó la lectura que correspondió al DTMF enviado.
Se construyó el circuito para contestar únicamente y se utilizó el relay
doble para sustituir al hook switch. Éste pudo conmutar prácticamente al
mismo tiempo los pines necesarios que simularon la contestación de la llamada
y sostuvieron el estado al recibir en el transistor una señal de 5 V, figura 4.3,
otorgada por el Arduino.
Seguidamente, se encendió una bombilla al enviar una señal en alto por
medio del Arduino, figura 4.8. Esto simbolizó la interpretación correcta de los
tonos DTMF especı́ficos para el manejo de esa luz.
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4 Implementación
Figura 4.6: Estado sostenido del DTMF 0 al colgar
Figura 4.7: Señales de salida del MT8870 conectadas al Arduino
4 Implementación
37
Figura 4.8: Encendido de una bombilla por señal del Arduino
Figura 4.9: Sistema completo
Finalmente se interconectaron todas las secciones del sistema, figura 4.9.
Con el código cargado al Arduino y mediante su software se imprimieron
las variables utilizadas y los tonos DTMF recibidos. Se procedió a llamar al
sistema y luego de ingresar los códigos de seguridad, se encendieron cada una
de las tres luces. La llamada se colgó luego de 30 segundos de no recibir otro
código. Figura 4.10.
Las luces mantuvieron el estado luego de colgarse la llamada y el MT8870
guardó a su salida el código binario que representó el último tono DTMF
decodificado. Esto se reinició hasta que se recibó algún otro tono. La luz 3 fue
38
4 Implementación
Figura 4.10: Manejo de luz 1,2 y 3 luego de ingresar la contraseña correcta
4 Implementación
39
Figura 4.11: Luz 3 encendida luego de colgarse la llamada
la última en manejarse, dejándose encendida y en alto los LEDs del MT8870.
Figura 4.11.
Se repitió el ingreso al manejo de luces y se apagó la luz 3. Se encendieron
todas las luces al mismo tiempo mediante el comando * 9. Cuando se envió un
código erróneo 9 9 la llamada se colgó, figura 4.12. Como sucedió en el primer
caso con la luz 3, el estado del último tono, un 9, fue registrado y sostenido
por el decodificador. Este último código no correspondió a ninguno válido por
lo que las luces no cambiaron su estado. Figura 4.13.
Se apagaron todas las luces y se dejaron encendidas solo la luz 1 y 2.
Pasados 30 segundos se colgó y al recibir una nueva llamada, se ingresó un
código erróneo para la clave de seguridad lo cual colgó la misma automáticamente, figura 4.14. Las luces 1 y 2 no sufrieron alteración y permanecieron
encendidas. El estado del último tono DTMF envı́ado quedó registrado por el
decodificador. Figura 4.15.
Con todas las pruebas efectuadas de encendido y apagado, se finalizó con
un sistema de control funcional, de uso sencillo y seguro para el manejo de
luces residenciales al enviar tonos DTMF a través de la red telefónica.
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4 Implementación
Figura 4.12: Llamada cancelada por recibir código erróneo en el manejo de
luces
4 Implementación
Figura 4.13: Todas las luces encendidas luego de colgarse la llamada
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4 Implementación
Figura 4.14: Manejo de luces e ingreso de código erróneo de seguridad
4 Implementación
Figura 4.15: Luz 1 y luz 2 encendidas luego de colgarse la llamada
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5
Conclusiones y recomendaciones
Conclusiones
Con base al trabajo realizado, tanto investigación como diseño e implementación, se tienen las siguientes conclusiones:
• Al investigar sobre sistemas de domótica se encontró una gran cantidad
de dispositivos que permiten monitorear aspectos de la casa como humedad, temperatura, sensores de moviento o activar algún artefacto. Con
respecto al uso de la lı́nea telefónica por sistemas de este tipo, muchos
cuentan con ranuras para tarjetas SIM y por medio de mensajes de texto o llamadas especı́ficas al sistema, se pueden activar. Sin embargo en
el mercado actual no se conoce que alguna empresa que suministre un
producto que se conecte directamente a la lı́nea telefónica fija y permita
el accionamiento remoto para la iluminación; salvo proyectos caseros no
comerciales de los cuales se tuvo información, por lo que la competencia
para un sistema en la lı́nea telefónica fija es basicamente escaso.
• El uso de un software como TINA para elaborar el diseño del sistema de
control fue impresindible, permitó obtener simulaciones del detector de
rings al ingresarse tensiones AC y DC hasta la entrada del multivibrador,
las señales en el circuito de protección antes de ingresar al decodificador,
y la conmutación de los transistores para crear un camino que supliera
energı́a a los relays para cerraran el circuito de luces; con esto se guió
al usuario hacia una respuesta deseada. Sin embargo dada la gran cantidad de componentes integrados en el mercado, la librerı́a del programa
no tenı́a disponible a los IC CD4047, ATMEGA328 ni el MT8870. La
plataforma disponible para el Arduino fue amigable y efectiva para el
desarrollo del código que gobernó las funciones del microcontrolador.
Al implementarse el sistema diseñado, se tuvo que validar primero cada
etapa por separado antes de efectuar el control de luces de manera remota y óptima. Por ende, equipos como el osciloscopio y el generador de
señales permitieron verificar el funcionamiento correcto del detector de
ring, por lo que este pudo conectarse posteriormente a la lı́nea telefónica
y obtener el resultado esperado. El circuito que simuló un teléfono para
únicamente contestar la llamada resultó funcional al establecer, luego de
la conmutación del interruptor, la conexión directa entre el sistema y el
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46
5 Conclusiones y recomendaciones
usuario. Las frecuencias de cada DTMF fueron correctamente detectados por el MT8870 al estar conectado por la interfaz de protección en la
lı́nea. El circuito actuador fue efectivo cerrando o abriendo la conexión
en las luces. Finalmente el código programado para el Arduino permitió que al estar el sistema todo interconectado, luego de detectarse una
cierta cantidad de rings en la lı́nea se contestara, el usuario ingresara la
clave de seguridad única y se pudiera manejar las luces por los tonos,
donde se pudo encender y apagar una luz de forma individual, o las tres
en forma conjunta. Todo de forma exitosa, sencilla y desde cualquier
lugar donde el usuario se encontrara.
Recomendaciones
Con base en las trabajo realizado y las conclusiones sobre el mismo, se mencionan las siguientes recomendaciones:
• La complejidad del sistema puede expandirse añadiéndole luces más
grandes o artefactos diferentes como electrodomésticos, pero claramente
se debe realizar una modificación a los circuitos actuadores permitiéndoles soportar corrientes y potencias que consuman los nuevos dispositivos
para ası́ garantizar que no se generen fallas.
• Para obtener 5 V DC se puede construir un regulador de tensión y utilizar
un transformador par aislar la parte primaria que se conectarı́a a la red
eléctrica, y la parte secundaria que alimentarı́a al circuito. Con una
fuente de alimentación de este tipo se brindarı́a una mayor comodidad.
• Si se desea se puede utilizar algún otro tipo de microcontrolador dado
que las necesidades para que el sistema funcione son mediante el envı́o
de señales en alto o bajo y la implementación de temporizadores en la
programación del integrado.
• La combinación del envió de diversos tonos DTMF para elaborar códigos de seguridad como para el manejo de luces debe manejarse de tal
forma que sea sencillo para un usuario recordar la clave pero al mismo
tiempo brindad protección al sistema. Entre menos dı́gitos se utilizen
más vulnerable resulta, por ello se recomienda mı́nimo 3 dı́gitos.
• La implementación de un tiempo de 10 segundos para ingresar un código
de seguridad puede eliminarse, aun ası́ esto es de gran utilidad para
que solamente aquellas personas con conocimiento del sistema instalado
en la casa puedan operarlo. Se puede agregar un tipo de sonido que el
microcontrolador envı́a por medio del micrófono del circuito que funciona
como teléfono contestador dentro del sistema, para que ası́ el usuario que
5 Conclusiones y recomendaciones
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llama se de cuenta si el código de activación fue recibido exitosamente,
claramente, si no lo fue ası́ la llamada se cuelga por lo que esta es otra
forma de saber si fue correcto o no.
• Es importante contar con la opción de colgar la llamada si no se envı́a un
código correcto o luego de cierto tiempo sin recibir tonos. Esto permite en
primer lugar, que el usuario que conozca el sistema sepa que se equivocó
y además resulta una manera efectiva de automatizar el mismo.
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