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UNIVERSIDAD UTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE DISPOSITIVOS
INALÁMBRICOS PARA EL CONTROL DOMÓTICO DE UNA
VIVIENDA DESDE UN SMARTPHONE CON PLATAFORMA
ANDROID
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
KLEVER ANDRÉS CHIRIBOGA SUQUILLO
DIRECTOR: MSC. JUAN CARLOS RIVERA
QUITO, SEPTIEMBRE DE 2018
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© Universidad UTE 2018.
Reservados todos los derechos de reproducción.
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FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172103656-2
APELLIDO Y NOMBRES: Chiriboga SuquilloKlever Andrés
DIRECCIÓN: Alangasí Calle Simón Bolivar
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022787808
TELÉFONO MOVIL: 0996457388
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos
para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone
con
plataforma Android
AUTOR O AUTORES: Klever Andrés Chiriboga Suquillo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
03 de Julio de 2018
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Msc. Juan Carlos Rivera
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo consiste en el
diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el
control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma
Android. El diseño se lo realizó con la motivación de utilizar
plataformas de código abierto, para lo cual se comprobó que se
pueden desarrollar muchas aplicaciones útiles, aumentando el
confort y optimizando el consumo de energía. El sistema se diseñó
para lograr controlar, los dispositivos electrónicos que se
encuentran comúnmente instalados en el hogar; monitorear la
seguridad, tanto desde la parte interna como externa; además de
optimizar el consumo energético. Logrando que el usuario del
sistema pueda interactuar con el hogar. El sistema mantiene un
protocolo de comunicación WiFi entre los distintos equipos para
controlar y monitorear los mismos. Para el control desde el
exterior de la vivienda se creó una aplicación para Smartphone que
funciona en la plataforma Android; el cual permite recibir y enviar
datos desde el hogar a cualquier lugar del mundo y viceversa, donde
el usuario tenga conexión a internet. Para el sistema de control se
tomó en cuenta dos factores, manual y automático; que permiten al
usuario desbloquear todo el sistema en caso de falla de energía
eléctrica, desde un tablero de control ubicado dentro del hogar. El
tablero de control también me permite monitorear e interactuar
desde una
x
mailto:[email protected]
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pantalla, teclado y mouse ubicados en el mismo. El sistema se
puede controlar ya sea desde la parte del tablero de control o
desde el Smartphone teniendo las mismas funciones en ambos
casos.
PALABRAS CLAVES: Mecatrónico, wireless, Android, Wi-Fi,
Smartphone
ABSTRACT:
This work involves the design and implementation of wireless
devices for a home automation control from a Smartphone with
Android platform. The design was made with the motivation to use
open source platforms for which it was found that can develop many
useful applications, improving comfort and optimize energy
consumption. The system was designed to achieve control, electronic
devices that are commonly installed in the home; monitor security,
both from the inside and externally; and optimize energy
consumption. Making the system user can interact with the home. The
system maintains a wireless communication protocol between
different computers to control and monitor them. For control from
the outside of the housing an application for Smartphone that runs
on the Android platform was created; which can receive and send
data from home to anywhere in the world, where the user has an
Internet connection. For the control system took into account two
main factors, locked and unlocked; allowing the user to unlock the
entire system in case of power failure from a control panel located
inside the home. The control panel also allows me to monitor and
interact from a screen, keyboard and mouse located in the same. The
system can be controlled either from the control of the board or
the Smartphone having the same functions in both cases.
KEYWORDS
Mechatronics, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el
Repositorio
Digital de la Institución.
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
CI: 172103656-2
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DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, Klever Andrés Chiriboga Suquillo, CI172103656-2autor del
proyecto
titulado:“Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos
para el
control domótico de una vivienda desde un Smartphone con
plataforma
Android.”,previo a la obtención del título de Ingeniero en
Mecatrónica en la
Universidad UTE.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen
las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el
Artículo
144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a
la
SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo
de
graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su
difusión
pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una
copia
del referido trabajo de graduación con el propósito de generar
un
Repositorio que democratice la información, respetando las
políticas
de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 25 de Septiembre de 2018
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
CI 172103656-2
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DECLARACIÓN
Yo Klever Andrés Chiriboga Suquillo, declaro que el trabajo aquí
descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad UTE puede hacer uso de los derechos
correspondientes a
este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su
Reglamento y por la normativa institucional vigente.
f:
Klever Andrés Chiriboga Suquillo
C.I.: 172103656-2
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño
e
implementación de dispositivos inalámbricos para el control
domótico de una
vivienda desde un Smartphone con plataforma Android.”, que, para
aspirar al
título de Ingeniero en Mecatrónica, fue desarrollado por Klever
Andrés
Chiriboga Suquillo, bajo mi dirección y supervisión, en la
Facultad de
Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones
requeridas por el
reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.
f:
Msc. Juan Carlos Rivera
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I.: 0501373823
-
DEDICATORIA
Este título se lo dedico a mi familia, en especial a mi padre y
a mi madre que
dieron e hicieron todo por verme ser un ingeniero y una gran
persona.
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AGRADECIMIENTO
Agradezco en especial a Dios y a toda mi familia que han estado
a mi lado
apoyándome y dándome el soporte necesario durante todo este
tiempo
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viii
ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA
RESUMEN
...................................................................................................
12
ABSTRACT
.................................................................................................
13
1. INTRODUCCIÓN
.......................................................................................
8
2. ESTADO DEL ARTE
.................................................................................
2
3. METODOLOGÍA
......................................................................................
26
4. DISEÑO
...................................................................................................
30
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO
..................... 31
4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN
.................................................................
36
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
................................................ 41
CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA
.................................... 43
4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL
................................................... 45
4.6 DISEÑO PLACA WIFI
............................................................................
50
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
.................................................................
52
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
...................................................... 57
PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS .....................
57
5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y
ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL
............................ 60
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
........................................... 62
CONCLUSIONES
........................................................................................
63
RECOMENDACIONES
................................................................................
65
BIBLIOGRAFIA
............................................................................................
66
-
ix
ÍNDICE DE TABLAS PÀGINA
Tabla 1. Características del contacto magnético
......................................... 33
Tabla 2. Características de los detectores de rotura de
cristales ................ 34
Tabla 3. Características del detector de humo
............................................ 34
Tabla 4. Características del sensor de movimiento
..................................... 34
Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad
................. 35
Tabla 6. Características de la sirena
........................................................... 35
Tabla 7. Características del motor de puerta
............................................... 36
Tabla 8. Características del calefactor
........................................................ 36
Tabla 9. Tabla de características para la selección de
luminarias............... 37
Tabla 10. Tabla de factores de diseño
........................................................ 38
Tabla 11. Tabla de normas para iluminación
............................................... 39
Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables
.................................... 39
Tabla 13. Tabla de selección de luminarias
................................................ 40
Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto
...................................... 53
Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta
......................... 59
-
x
ÍNDICE DE FIGURAS PAGINA
Figura 1. Metodología aplicada al proyecto 17
Figura 2. Esquema de hogar digital 21
Figura 3. Sensor de presencia 22
Figura 4. Sensor magnético 22
Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada 23
Figura 6. Metodología mecatrónica aplicada al proyecto 27
Figura 7. Esquemático de sensores 28
Figura 8. Esquemático de actuadores 28
Figura 9. Esquemático video vigilancia 28
Figura 10. Esquemático video vigilancia 29
Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa
31
Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y
panel
de control 32
Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha
de baloncesto 32
Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias
de
ingreso a la propiedad 33
Figura 15. Tipos de iluminación 37
Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa 40
Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa 40
Figura 18. Página web oficial de Raspberry Pi 42
Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines 42
Figura 20. Reservación de direcciones IP 43
Figura 21. Software requerido para la configuración de la
placa
Raspberry Pi 43
Figura 22. Conexión de servidor 44
Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin 45
Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor
46
Figura 25. Programación de la pantalla del índice en App
Inventor 46
Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App
Inventor 47
Figura 27. Pantalla de control de puerta implementada en Android
48
Figura 28. Programación de la pantalla de control de motores en
App
Inventor 48
Figura 29. Pantalla de iluminación implementada en Android
49
Figura 30. Pantalla de cámaras implementada en Android 49
Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android 50
Figura 32. Pantalla de escena 2 implementada en Android 50
Figura 33. Pruebas protoboard 51
Figura 34. Placa electrónica aislada 51
Figura 35. Conexiones del tablero de control 54
Figura 36. Protecciones y fuente de voltaje del sistema de
control 54
-
xi
Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el
tablero de control 55
Figura 38. Instalación del sensor magnético 55
Figura 39. Instalación de sensor de humo 56
Figura 40. Instalación de sensor de movimiento 56
Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje 56
Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema 57
Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio 1
57
Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1
58
Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica
vía
internet 61
-
12
RESUMEN
Se diseñó e implementó dispositivos inalámbricos para el control
domótico
de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android. Se
integró
varios sub sistemas como son video vigilancia, seguridad
interna, sistema
contra incendios e iluminación a un sistema maestro el cual
permite fusionar
los sistemas anteriormente descritos a una sola plataforma. El
sistema logró,
controlar, los dispositivos electrónicos que se encuentran
comúnmente
instalados en el hogar; monitorear la seguridad del mismo, tanto
desde la
parte interna como externa; además de optimizar el consumo
energético.
Logrando que el usuario del sistema pueda interactuar con el
hogar desde
una sola aplicación.
-
13
ABSTRACT We designed and implemented wireless devices for the
home automation
control of a home from a Smartphone with Android platform.
Several sub
systems were integrated such as video surveillance, internal
security, fire
protection system and lighting to a master system which allows
to merge the
previously described systems to a single platform. The system
achieved,
control, the electronic devices that are commonly installed in
the home;
monitor the security of the same, both from the internal and
external part; in
addition to optimizing energy consumption. Achieving that the
user of the
system can interact with the home from a single application
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1. INTRODUCCIÓN
-
15
La domótica en el país está desarrollándose a paso lento, ya que
existen
muchas dificultades en el momento de la implementación dentro de
los
hogares, ya que para lograr un hogar domótico se necesita un
sistema
maestro el cual permita controlar a varios subsistemas; en este
caso
llamaremos sistema a la unión de varios subsistemas como son el
de video
vigilancia, seguridad y control de iluminación los cuales serán
monitoreados
y accionados desde un sistema maestro.
Para lograr que los subsistemas se comuniquen entre sí,
actualmente se
utiliza cableado externo para la unión de cada dispositivo
electrónico entre
las distintas centrales para ello, se realiza readecuaciones a
las estructuras
internas y externas de los hogares donde se lleva acabo las
implementaciones domóticas ocasionando que al valor de las
mismas se
sume valores de remodelaciones civiles.En otras ocasiones se ha
tenido que
colocar canaletas plásticas expuestas para llevar los cables
necesarios con
los cuales se alimentan los dispositivos o se comunican,
estropeando la
fachada de los lugares a ser implementados los sistemas
domóticos.
Como se detalla anteriormente todos estos subsistemas se
monitorean o
controlan individualmente no existe actualmente un sistema
maestro el cual
los comunique y logre realizar la unión de mismos para que el
usuario tenga
el control de todos estos subsistemas en una sola
plataforma.
Al realizar este proyecto de titulación se realizó dispositivos
inalámbricos los
cuales disminuyen los costos de instalación, logrando comunicar
todos los
dispositivos a una tarjeta maestra; Raspberry Pi la cual recoge
todos los
datos proporcionados por los distintos elementos electrónicos
instalados
como son sensores de presencia, sensores de humo, cámaras de
video
vigilancia y temperatura. Y acciona los distintos actuadores
acoplados al
sistema.
Al acoplar todos los distintos sensores y actuadores a la
tarjeta madre
Raspberry Pi se hace necesario desarrollar una plataforma
mediante la cual
el usuario pueda monitorear los distintos subsistemas, para ello
se desarrolló
una aplicación para teléfonos inteligentes “smartphone”, la cual
permitirá
controlar y monitorear desde una sola aplicación los distintos
subsistemas
acoplamos al sistema maestro. Cabe destacar que Intel propone
un
argumento a tomar en cuenta en este trabajo, “Imagine cosas
más
inteligentes y más conectadas”, donde define a las cosas
conectadas a una
sólida red de diferentes dispositivos integrados con
electrónica, software y
diferentes sensores que permiten intercambiar y analizar
datos
prácticamente en tiempo real. (Alejandro. García, 2017).
En trabajos expuestos con anterioridad se desarrollan sistemas
domóticos
con un sistema de control de luces los cuales constan de tres
elementos
fundamentales: la interfaz de usuario que son instaladas en
dispositivos
-
16
móviles, la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi y la placa de
potencia para el
encendido y apagado de las luminarias, ambas montadas en el
interior de la
casa. La comunicación entre el dispositivo móvil y la tarjeta
Raspberry Pi se
genera vía Web, ya sea mediante WiFi o transferencia de datos, a
través de
una arquitectura cliente – servidor, lo cual permite el uso del
sistema de
manera simultánea por más de un usuario. (Oscar May. Renan
Quijano.
Fernando Fernández, 2015).
La comunicación inalámbrica de datos entre equipos electrónicos
se aplica
cada vez más, las tecnologías existentes permiten realizar
diseños cada vez
más eficientes sin necesidad de un amplio conocimiento y con un
número
reducido de componentes externos. Lo cual se utiliza para lograr
la
comunicación entre una interfaz HMI de control y monitoreo,
conectándose a
un servidor web. Permitiendo ejecutar un método remotamente y
recibir su
resultado como si se tratara de un método local a nuestro
sistema. Cuando
se crean sistemas embebidos con adquisición de datos
inalámbricos,
permitiendo controlar iluminación, acceso y alarma. (Christian
Acosta, 2015).
Para la realización del presente trabajo de titulación se
planteó el siguiente
objetivo general:
Diseñar e implementar dispositivos inalámbricos para el
monitoreo y
control domótico de una vivienda desde un Smartphone con
plataforma Android desde el interior o exterior de la
vivienda.
Mientras que los objetivos específicos son los siguientes:
Investigar las teorías y áreas de conocimientos que soportan
o
sustentan la elaboración de los dispositivos.
Desarrollar dispositivos electrónicos que permitan controlar
y
monitorear de manera inalámbrica la vivienda.
Realizar y configurar la red inalámbrica entre los distintos
dispositivos
necesarios.
Desarrollar la aplicación Android para Smartphone que
permita
monitorear y controlar los distintos tipos de dispositivos
electrónicos
desde cualquier punto donde tenga acceso a internet.
El alcance de este trabajo de titulación es diseñar e
implementar un sistema
domótico de una vivienda mediante plataformas de hardware de
código
abierto, permitiendo controlar, manipular, recibir, e
interactuar de una
manera fácil con los distintos dispositivos electrónicos
existentes en el hogar.
El diseño del sistema domótico se basa en la unión de dos
plataformas
“Arduino” y “Raspberry Pi”, logrando el control y monitoreo de
las mismas
desde la red ya sea dentro o fuera del hogar domótico.
-
17
Para el control y monitoreo se utiliza una aplicación
desarrollada en software
libre para teléfonos inteligentes con plataforma Android que
permite controlar
y monitorear los distintos datos del sistema, logrando el
encendido o
apagado de distintos equipos, apertura y cierre de ventanas,
puertas, etc.
obteniendo un monitoreo de la seguridad del hogar. Se destaca
una
comunicación entre los equipos vía WiFi y entre los dispositivos
mediante la
red con direcciones IP, las cuales permiten reflejar los datos a
cualquier
parte del mundo, siempre y cuando se tenga conexión a
internet.
Con este diseño se puede aumentar el confort de los propietarios
de las
viviendas logrando disminuir el esfuerzo que se realiza dentro
del hogar para
ejecutar acciones cotidianas dentro del mismo. (Figura 1).
Figura 1. Metodología aplicada al proyecto
Análisis del
Problema
Definición de
Requerimientos
Diseño
Implementación
Pruebas
Análisis de
Resultados
Sistema Domótico
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18
En instalaciones domóticas implementadas con anterioridad se
hace
recurrente un gran problema; el cual es el cableado que es
necesario
implementar para la alimentación y la comunicación de los
dispositivos que
conforman dicho sistema, generando gastos extras a los
sistemas,
deteriorando las fachadas internas y externas de las viviendas
ya que estas
no cuentan con tuberías necesarias para la instalación de este
tipo de
sistemas, lo cual hace necesario instalar canaletas plásticas
para poder
alimentar y comunicar los dispositivos; ocasionando que las
canaletas que
se instalan queden visibles, lo cual genera molestias en los
usuarios.
En este proyecto de titulación se comunica a los elementos que
conforman
el sistema mediante una señal WiFi la cual evita que se realice
un cableado
para que los elementos envíen y reciban datos, eliminado la
instalación de
las canaletas plásticas lo que causa que el precio del sistema
en si
disminuya tanto por las canaletas como el cableado a cada
elemento.
La domótica comprende de la unión de varios sistemas que en la
actualidad
se implementan por separado como son: seguridad interna del
hogar,
iluminación, video vigilancia, etc. Los cuales no poseen una
plataforma que
los fusione y permita monitorear a todos en general.
En este caso se desarrolló una plataforma para teléfonos
inteligentes la cual
abarca todos los sistemas anteriormente mencionados, permitiendo
al
usuario controlar y monitorear los mismos.
Se recolectaron los requerimientos del cliente en base a sus
necesidades
tomando en cuenta el costo, estética, tiempo de respuesta,
tiempo de
instalación, encender o apagar actuadores eléctricos como
motores,
controlar el encendido de iluminación para crear ambientes en
cuartos
determinados, visualizar a través de internet el estado de
actuadores,
sensores y cámara de video vigilancia, acceso remoto a los
distintos tipos de
subsistemas acoplados al sistema maestro, tiempo de entrega
del
dispositivo, capacidad máxima de elementos añadidos al
sistema,
disponibilidad de repuestos , modo de operación, tiempo
entre
mantenimientos.
Tomando en cuenta estos requerimientos anteriormente descritos
se
generaron 3 diseños conceptuales, de los cuales se escogió uno
para su
posterior desarrollo, en base a los criterios de estructura y
composición del
armario o tablero de control y fuerza montado en el proyecto,
control del
sistema maestro y esclavos, sensores a instalarse, actuadores
los cuales
realizaran los movimientos, protocolo de comunicaciones en este
caso WiFi,
monitoreo del sistema en su totalidad mediante una aplicación
para teléfonos
inteligentes, protecciones para los distintos circuitos tanto de
control como
de fuerza instalados en el interior del hogar en este caso se
utilizó breaker y
borneras portafusibles.
Se diseñó un circuito eléctrico para que los sensores y
actuadores envíen y
reciban señales inalámbricas.
-
19
Se diseñó una aplicación móvil para controlar el sistema por
medio de
internet.
Se programó distintos escenarios de iluminación en cuartos
solicitados por el
cliente.
Se implementó un tablero de control el cual contiene los breaker
de
protección y de borneras portafusibles para dar un grado óptimo
de
seguridad a los circuitos dentro del sistema, se colocó en
lugares
estratégicos los sensores y las cámaras de video vigilancia para
mantener la
seguridad dentro del hogar. Se realizó un estudio de iluminación
mediante el
cual se determinó estándares de iluminación adecuados para cada
cuarto y
así optimizar la cantidad de luminarias necesarias en cada
cuarto.
-
2. ESTADO DEL ARTE
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21
En instalaciones domóticas actuales se instalan canaletas
plásticas dañando
la estética del interior y exterior de las viviendas ocasionando
gatos
adicionales por instalación y tiempo invertido de personal para
colocar las
mismas, realizar el cableado desde cada sensor a su central para
poder
recibir y enviar datos.
Cada sub sistema que se utiliza para que un hogar sea domótico
tiene su
propia central y no se comunican entre sí, lo cual hace que el
control de
cada uno sea independiente, teniendo que instalar varias
aplicaciones en los
teléfonos inteligentes sobrecargando al mismo de información,
teniendo que
cerrar una aplicación y abrir otra para monitorear o accionar
los elementos.
Las aplicaciones desarrolladas por cada uno de los fabricantes
de los sub
sistemas la mayor parte de veces no son compatibles o acoplables
para
otras marcas, haciendo que sus entornos de desarrollo sea
cerrados y que
no se comuniquen entre dispositivos de distintas marcas.
Para instalar seguridad dentro del hogar como sensores de
movimiento,
sensor de ruptura de cristales, sensores de humo es necesario
instalar un
cableado desde los mismos a su central, lo cual en este proyecto
de
titulación se creó un circuito el cual se acopla a los
dispositivos y permite
eliminar el cableado transmitiendo las señales mediante WiFi
utilizando este
para transmitir datos incrementando la capacidad para
transmitir
información, almacenarla, transmitirla, recibirla y procesarla.
Lo cual permite
establecer una comunicación con el resto de dispositivos
conectados a la red
interna del hogar desde cualquier lugar. Mediante este protocolo
de
comunicación podemos recibir señales de video vigilancia y
estados de
sensores, también podemos enviar datos a los actuadores para que
realicen
las acciones programadas por el operador. Permitiendo establecer
una
comunicación entre todos los dispositivos instalados dentro y
fuera del hogar
y estableciendo una comunicación entre todos ellos hacia una
sola central
que controla todos los subsistemas. Como se da a notar en la
(Figura 2). El
hogar en si tiene una interrelación con cada uno de los
elementos dentro del
mismo.
Figura 2.Esquema de hogar digital
-
22
Al instalar sensores de movimiento o de presencia y cablearlos
(Figura 3), es
necesario llevar un cable desde cada sensor a la central lo cual
en las cajas
de conexiones da una sobre carga de cableado dependiendo del
número de
sensores al ser instalados, en este trabajo de titulación se los
acoplo a una
placa que capta la señal enviada por el sensor y la envía
mediante un
moduló WiFi hacia la central la cual capta los estados de los
mismos.
Figura 3. Sensor de presencia
En el caso de los sensores magnéticos, su funcionamiento depende
de la
distancia que posea entre su campo magnético, enviando una señal
al
dispositivo eléctrico al que esté conectado. Si el inductor
interno es
alimentado genera un campo magnético que realiza el cierre del
sistema, si
se deja de alimentar el campo magnético desaparece y deja
abierto el
sistema. Se los utiliza habitualmente para el control de
apertura o cierre ya
sea de puertas o ventanas, para enviar mediante WiFi el cambio
de los
mismos. (Figura 4).
Figura 4. Sensor magnético
Las aplicaciones domóticas existentes no poseen una central que
capte las
señales enviadas por los distintos subsistemas, lo cual en este
proyecto de
titulación se desarrolló con una arquitectura centraliza a un
sistema maestro,
que es elencargado de enviar información a los actuadores e
interfaces,
como una respuesta de lo registrado por los sensores o los
propios usuarios
que han activado alguna orden del sistema de control. (Figura
5).
-
23
Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada
Los requerimientos del usuario son un dato muy importante para
el
desarrollo de este trabajo de titulación. Los cuales tomados en
cuanta tanto
en el inicio como en el final del mismo.
El costo al momento de la implementación de sistemas domóticos
ya que en
el país es muy costoso, por el motivo que no existe una placa
centralizada
para todos los sistemas y es necesario implementar los mismos
uno por uno
dentro del hogar ocasionando compras a distintos proveedores o
marcas e
incrementando su costo. Un sistema domótico en la actualidad se
instala
entre 8000$ y 9000 $ dólares americanos para obtener un sistema
domótico
completo en todo el hogar sin ser centralizado, en este trabajo
de titulación
se hace un estimado de 4900 $ dólares americanos integrando
varios sub
sistemas para lograr un sistema maestro completo de domótica
haciendo a
este más económico y eficiente.
La seguridad que proporciona un sistema domótico es mucho más
amplia
que la que puede brindar un sistema tradicional, pues integra
tres campos de
la seguridad que normalmente están controlados por sistemas
individuales.
a) Seguridad de los bienes:
Gestión de control de acceso y control de presencia, así como
la
simulación de presencia dentro del hogar.
b) Seguridad de las personas
Se puede tener acceso desde un teléfono inteligente para
monitorear a
personas mayores o minusválidas.
c) Incidentes
Mediante un botón, se puede dar aviso mediante un mensaje de
cualquier
-
24
novedad a sus ocupantes.
La domótica también ofrece la interconexión de los sistemas de
seguridad
con el resto de dispositivos conectados en la misma red, lo que
incrementa
la versatilidad del sistema. (Molina González, 2010).
Estética es muy importante para el cliente ya que no desea tener
canaletas
plásticas expuestas en el hogar como los sistemas tradicionales,
para esto
se eliminó la comunicación mediante cablees y si estableció la
comunicación
entre dispositivos mediante señal WiFi con lo cual se elimina
el
inconveniente de colocar canaletas vistas dentro y fuera del
hogar.
Tiempo de respuesta entre los dispositivos integrados a la red y
la
interacción desde el teléfono inteligente deben ser casi en
tiempo real ya que
si existe un problema dentro del hogar ya sea robo o incendio
debe poder
realizar una acción en el instante del suceso.
Ordenador que sea de bajo costo “Raspberry PI” que permite
trabajar con
tan solo conectarlo a una pantalla y a un teclado, que posea un
espacio de
almacenamiento “micro SD”, (Raspberry Pi, 2012).
Levantar un Web Server que se ejecute continuamente,
manteniéndose a la
espera de peticiones de ejecución que lo hará un cliente o
usuario de la
aplicación. Se encarga de contestar a estas peticiones de forma
adecuada.
Android es un sistema operativo orientado a dispositivos
portátiles como
teléfonos inteligentes, netbooks, tabletas, entre otros.Un
sistema operativo
de teléfonos inteligentes como “Android”, que se diferencia del
resto de
sistemas operativos para dispositivos móviles con iOS o Windows
Phone, el
código fuente de Android se mantiene abierto lo que ha
significado su
implementación a diversos dispositivos moviles. Soporta
multimedia, interfaz
táctil, características basadas en voz y una amplia variedad de
componentes
de hardware. Si se añade a esto un entorno de desarrollo
gratuito que
incluye un emulador de dispositivos, herramientas para
depuración de
memoria y análisis del rendimiento del software.(Baéz, Borrego,
Hernández,
& Torralbo, 2010).
EL modo de funcionamiento se va a dividir en dos partes las
cuales son:
Tablero de control y aplicación móvil.
En el tablero de control se ubican las protecciones de los
sistemas eléctricos
de la casa y las protecciones del circuito de control, la placa
Raspberry Pi, la
placa arduino y una placa de relés para controlar la
iluminación. EL tablero
posee un selector el cual permite pasar de manual o
automático.
En modo automático el sistema se lo puede controlar desde la
aplicación
móvil estableciendo comunicación entre los dispositivos
instalados en la red
-
25
interna y los dispositivos conectados mediante la aplicación
para así poder
controlar y monitorear los mismos.
En modo manual el cual entraría a funcionar en caso de una falla
de algunas
de las placas de control ya sea Raspberry Pi o Arduino, o en
caso de una
falla de energía, permitiendo controlar el sistema como
tradicionalmente lo
haría una casa si domótica; con interruptores de luz.
La aplicación móvil, permite que el usuario se descargue la
misma mediante
un código QR el cual la instalara en su dispositivo, se coloca
una contraseña
establecida y única por el usuario que solo él tiene la
posibilidad de colocar a
los integrantes de su familia, la cual le permite el ingreso al
sistema,
permitiendo controlar seguridad, puertas, cámaras e iluminación
del interior,
control de temperatura y exterior del hoga
-
3. METODOLOGÍA
-
27
En el siguiente diagrama de flujo se detalla el método que se
utilizó para la
consecución de los objetivos, este se basa en la metodología
expuesta por
William Bolton para el desarrollo de sistemas mecatrónicos.
(Figura 6).
Figura 6.Metodología mecatrónica aplicada al proyecto
(Bolton, 2006)
Se levantó un servidor el cual es la parte más importante y
fundamental del
sistema domótico el cual es el que reúne y asocia a todos los
subsistemas
para así poder interrelacionar los mismos e integrarlos en una
sola
plataforma, el servidor está conectado a internet el cual se
puede conectar a
una aplicación móvil instalada en teléfonos inteligentes lo cual
permite
controlar y monitorear los distintos sub sistemas acoplados al
servidor.
El usuario envía una señal por medio de la aplicación ya sea un
uno lógico o
un cero lógico el cual permitirá al servidor enviar una orden a
los distintos
controladores que están instalados en el sistema.
Servidor
Aplicación
Smarthphone
Internet
Controlador
Nodo 1
Controlador
Nodo 2
Controlador
Nodo 3
Iluminación Sensor
Driver
Actuador
-
28
Si se envía una señal de encendido o apagado de luminarias
instaladas esta
pasa por un controlador el cual permite recibir la señal y
realizar la acción
necesaria.
Es similar en los distintos sub sistemas instalados ya sea en
los actuadores
y sensores, estos envían y reciben datos los cuales mediante el
servidor se
reflejan en la aplicación móvil y a su vez al usuario.
En los siguientes esquemáticos se reflejan los distintos
dispositivos
instalados en su detalle en la (Figura 7), se da a notar el
diseño de los
sensores.
Figura 7.Esquemático de sensores
Para los actuadores se recibe una señal mediante WiFi la cual
llega al
Arduino el mismo da un impulso activando un relé para el
accionamiento de
los actuadores ya sean luminarias, motores, encendido de
calefactor, como
se refleja en la (Figura 8).
Figura 8.Esquemático de actuadores
Para recibir los datos de video vigilancia se recolecta la
información que
envían las cámaras ya que estas son IP y transmiten la
información
mediante WiFi, se acopla la señal directamente al controlador
principal que
es la Raspberry Pi la cual envía los videos a la aplicación
véase en la (Figura
9).
Figura 9.Esquemático video vigilancia
Movimiento
Temperatura
Humo
Arduino Nano Módulo WiFi
Relé Módulo WiFi Arduino
Video
Cámaras WiFi Aplicación Móvil Raspberry
Pi
Iluminación
Motores
Calefactor
-
29
La aplicación móvil tiene como entradas la solicitud del usuario
en la misma,
mediante los botones a presionar para que así se realicen la
acciones
solicitadas, este envía la información mediante el servidor web
el cual llega a
la Raspberry Pi, y da la señal de activación a los distintos
actuadores. Véase
en la (Figura 10).
Figura 10.Esquemático video vigilancia
Aplicación
Móvil Servidor
Web Actuadores Raspberry
Pi
-
4. DISEÑO
-
31
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO
El sistema eléctrico se encarga de regular y estudiar las
características
eléctricas de los elementos que se utilizarán para la
implementación del
proyecto. Definir las corrientes y tensiones necesarias para
cubrir el
consumo de los elementos domóticos y también definir las
protecciones
necesarias para evitar daños en el sistema.
CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS
Los componentes electrónicos se seleccionaron mediante las
necesidades
del sistema domótico, cada uno de los elementos fueron
dimensionados en
base a las características del proyecto. En los planos que se
muestran a
continuación se puede observar la distribución de los
componentes
electrónicos que debe controlar el sistema domótico.
El plano de la (Figura 11), se muestra la distribución de las
luminarias dentro
de la casa. Estas luminarias fueron analizadas y seleccionadas
con el
software DIALux, como se puede observar en el estudio de
iluminación
dentro del presente capitulo.
Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la
casa
En la (Figura 12), se encuentra la distribucion fisica de los
diferentes
componentes que conforman el sistema de seguridad, como son
sensores,
actuadores y panel de control. La selección de estos elemenntos
se adecuo
a las necesidades del sistema.
-
32
Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel
de control
Los planos de las (Figuras 13 y 14), muestran la distribución de
luminarias y
actuadores en el área de la cancha de baloncesto y la entrada de
la
propiedad.
Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha de
baloncesto
-
33
Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de
ingreso a la propiedad
Contacto magnético
Dentro del sistema el contacto magnético sirve para saber cuándo
una
puerta o venta se encuentra abierta o cerrada. Estos sensores
son
inalámbricos y se comunican con el sistema mediante la red WiFi
de la casa.
Este dispositivo fue seleccionado en base a sus
características
principalmente a la frecuencia de trabajo, se buscaba
dispositivos que se
adapten a la red WiFi, en este caso el dispositivo trabaja con
frecuencias de
433Mhz por lo que no va a tener inconvenientes dentro del
sistema (Tabla
1).
Tabla 1.-Características del contacto magnético
Contacto de puerta/ventana inalámbrico WS4945
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Distancia máxima de detección 16 mm
Tipo de contacto Normalmente cerrado
Batería Litio, 3 V
Vida útil de batería 5 a 8 años
Detectores de rotura de cristales
Estos detectores se encargan de verificar el estado de las
ventanas.
Estos sensores funcionan en base a sonidos y vibraciones.
Las
características de estos sensores se muestran en la (Tabla
2).
-
34
Tabla 2. Características de los detectores de rotura de
cristales
Detector de rotura de cristales DSC
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Distancia máxima de detección 7.5 m
Corriente de contacto 1 A a 24 V
Voltaje de alimentación 9-16 V
Corriente máxima de trabajo 35 mA
Detector de humo
Los detectores de humo tienen la función de activar las alertas
o enviar
avisos a la aplicación si se detecta un incremento de las
partículas de
combustión en el ambiente de la casa, con el fin de prevenir un
incendio
(Tabla 3).
Tabla 3. Características del detector de humo
Detector de humo inalámbrico WS4916
Marca Tyco Security Products
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Tipo de sensor Fotoeléctrico
Sensibilidad nominal 3.0% +/- 0.8% oscurecimiento/pie. (UL)
Batería 2 baterías de Litio, 3 V
Vida útil de batería 5 a 8 años
Sensor de movimiento
Las características de estos sensores se muestran a continuación
en la
(Tabla 4).
Tabla 4. Características del sensor de movimiento
Detector infrarrojo pasivo inalámbrico WS4904
Marca Tyco Security Products
Tipo de sensor Infrarrojo
Frecuencia de trabajo 433 Mhz
Cobertura 12 m x 12 m
Batería Litio, 3 V
-
35
Sensor de temperatura y humedad
Este sensor sirve para controlar la climatización de la casa, el
usuario puede
establecer una temperatura específica y el sistema domótico debe
activar los
actuadores para estabilizar la temperatura a la señalada. Estos
están
ubicados en los dormitorios y en el estudio. Las características
del sensor
son los que se explican en la (Tabla 5).
Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad
Sensor de temperatura y humedad DHT22
Marca AosongElectronics Co.,Ltd
Voltaje de alimentación 3.3-6 V DC
Tipo de sensor Capacitivo
Rango de operación Humedad 0-100%RH
Rango de operación Temperatura -40~80 Celsius
Batería Litio, 3 V
Exactitud 0.1% RH;
-
36
Tabla 7. Características del motor de puerta
Motor para automatización de puertas deslizantes Serie
BX-246
Marca CAME CancelliAutomatici
Voltaje de alimentación 230 V AC
Frecuencia de trabajo 50/60 Hz
Potencia de consumo 400 W
El motor fue seleccionado con base en el peso de la puerta y la
potencia
necesaria para moverla.
Calefactor
El calefactor se encarga de estabilizar la temperatura de las
diferentes áreas
de la casa. Considerando que el clima donde se ubica la casa
varía entre los
5 hasta los 25 grados centígrados, y teniendo como referencia
una
temperatura optima de 22 grados centígrados, se eligió un
calefactor que se
encienda si la temperatura es baja y se apague cuando la
temperatura sea
mayor o se la desee estabilizar. Los calefactores se encuentran
en dos
dormitorios y en el estudio. Las características del calefactor
se ven en la
(Tabla 8).
Tabla 8. Características del calefactor
Radiador eléctrico / vertical HZ-709
Marca Honeywell
Voltaje de alimentación 120 V AC
Frecuencia de trabajo 60 Hz
Corriente de trabajo 12.5 A
Consumo de potencia 1500 W
Para la selección del todo el sistema de iluminación se realizó
un estudio
específico donde se establecieron los requerimientos del sistema
y se
eligieron los elementos adecuados para la implementación. El
estudio se
muestra a continuación.
4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN
A partir del análisis de la información reunida, es posible
establecer las
características que debe poseer la instalación para satisfacer
las distintas
demandas del usuario.
-
37
Elección del sistema de alumbrado
En la siguiente (Figura 15), se muestras los tipos de alumbrado
que serían
adecuados utilizar en las instalaciones de nuestro caso y en la
(Tabla 9), se
resumen las características más importantes a tener en
consideración para
seleccionar el tipo más adecuado.
Figura 15.Tipos de iluminación
Tabla 9. Tabla de características para la selección de
luminarias
Sistema
de
alumbrado
Disposició
n de
luminarias
Característi
cas de
luminarias
Efectos visuales
Consumo
energético Sobre el
espacio
Sobre
personas
u objetos
General Uniforme
Altos niveles
de
iluminación
en todo
espacio
Produce
sensación de
amplitud y
orden
Modelados
blandos Elevado
Localizado Irregular
Altos niveles
de
iluminación
sólo en áreas
de interés
Produce
sensación de
reducción de
espacio
Modelados
duros Reducido
General y
localizado
Uniforme e
irregular
Iluminación
general
reducida
respecto de
áreas de
trabajo
Un balance
adecuado
puede
compensar la
sensación de
reducción de
espacio
Modelado
casi natural Intermedio
Modulariza
do
Uniforme
por
sectores
Iluminación
media
elevada
Similar al
alumbrado
general
Similar al
alumbrado
general
Elevado
-
38
De acuerdo al análisis de los sistemas de alumbrado en la (Tabla
10), y en
conjunto con el propietario de la vivienda se determinó que el
sistema de
alumbrado General Localizado es el adecuado para la vivienda en
conjunto
con el diseño arquitectónico de la misma.
Elección de las fuentes luminosas
Para la selección de las lámparas hay que tener en cuenta todos
sus
parámetros y características funcionales, para el estudio se
debe considerar
los factores de diseño que tiene que ver con las
características, rendimiento
luminoso, tiempo encendido. En la (Tabla 10), se muestran los
factores de
diseño a tener en cuenta.
Tabla 10. Tabla de factores de diseño
Características delas fuentes luminosas Requerimientos de diseño
a tener en
cuenta
Rendimiento luminoso “lm/w”
Vida útil “Horas”
Dimensiones
Disponibilidad
Tiempo diario de funcionamiento
Uso racional de energía
Demandas estéticas
Requerimientos de mantenimiento
Seguridad
Es adecuado utilizar lámparas de luz tipo LED (Diodo emisor de
luz), color
blanco, SYLVANIA. Adecuadas para cada ambiente dentro del hogar
en
coordinación con la arquitectura y ubicación de las mismas.
Área a iluminar
De acuerdo a los planos suministrados por arquitectura:
Área/ Espacio a iluminar:
Primer piso: 11.5 x 9.17 x 2.80 m “Largo x ancho x altura”
Garaje: 6 x 5 x 2.8 m “Largo x ancho x altura”
Cancha múltiple: 28.5 x 15 x 3 m “Largo x ancho x altura”
Nivel de iluminación considerado: Residencial
Requerimientos de iluminación para la satisfacción de
necesidades básicas:
Confort Visual: Los usuarios tienen una sensación de bienestar,
de un
modo indirecto también contribuye a un elevado nivel de la
productividad.
Prestaciones Visuales: Los usuarios son capaces de realizar
sus
tareas visuales, incluso en circunstancias difíciles y durante
periodos
más largos.
-
39
Tablas de referencia
La (Tabla 11), muestra las normas necesarias en las que se basó
el estudio
la implantación de las luminarias.
Tabla 11. Tabla de normas para iluminación
Normas para iluminación
Norma Título
UNE 12464.1 Norma europea sobre iluminación para interiores
NOM-025-STPS-
2008 Condiciones de iluminación en los centros de trabajo
INEN 1 154 Iluminación natural de edificios para fábricas y
talleres
La (Tabla 12), muestra los factores a tener en consideración
para la
selección de las luminarias.
Columna 1: Número de referencia para cada área
Columna 2: Tipo de interior, área y actividad
Columna 3: Iluminación mantenida Em, Haciendo referencia al área
interior.
Columna 4: Límite de índice de Deslumbramiento unificados
UGR
Columna 5: Índices de rendimiento de colores RA mínimos
Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables
N° Área Em lux UGR l Ra
1 Dormitorio 300 19 80
2 Baño 300 19 80
3 Sala 300 19 80
4 Estudio 500 19 80
5 Cocina 500 22 80
6 Garage 200 25 20
Selección de luminarias para las casa
Para la selección de las luminarias, se utilizó el programa
DIALux.
Ingresando las características principales de los diferentes
espacios físicos,
como son las dimensiones de las habitaciones, la distribución de
los
espacios físicos, y el estudio de las características de las
luminarias
mostrado anteriormente para cumplir las necesidades del usuario
en cada
una de las áreas de la casa. El software procesa los datos
ingresados,
realiza un modelo preliminar de la distribución de la
iluminación en cada
habitación y sugiere diferentes luminarias. Se realizaron los
siguientes
modelos en tres dimensiones de la casa para el cálculo. (Figura
16 y 17).
-
40
Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa
Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa
Junto con el modelo en tres dimensiones de la casa se adjuntaron
los planos
de los espacios físicos donde se requiere colocar las
luminarias.
Una vez ingresado todos los planos se obtuvo como resultado la
selección
de las siguientes luminarias para la casa las cuales se revisó
si existen en el
país. (Tabla 13).
Tabla 13. Tabla de selección de luminarias
Número de unidades Tipo de luminaria
2
Hela
Flujo luminoso 4800 lm
1xdl-43W-4000k-clear
2
Hela
Flujo luminoso 23000 lm
1xil230w
25
Hela
Flujo luminoso 3100 lm
1x5l-41W-400k
4
Ligthing Technologies
Flujo luminoso 7073 lm
D65 ex 5000k
-
41
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control es el encargado de monitorear los estados
de los
diferentes sensores instalados, procesar las señales y tomar
decisiones para
activar los diferentes actuadores del sistema. El análisis
realizado, muestra
la configuración de este sistema y las bases para la selección
de los
diferentes componentes.
El primer paso es definir si el sistema fue activado, mediante
la aplicación,
caso contrario los dispositivos conectados en el hogar
puedenutilizarse
manualmente. Si el sistema fue activado las diferentes tareas de
control
podrán efectuar sus operaciones, analizando la información
enviada por los
sensores hacia el sistema central de control, este proceso debe
ser un bucle
del sistema, ya que siempre es necesario conocer el estado de
los sensores,
El estado de los sensores será analizado continuamente, por lo
que está
retroalimentado. Si los sensores están activados, el sistema
realizará un
trabajo específico, por ejemplo si el sensor de humo se activa,
su función es,
enviar esta información a la aplicación, para que el usuario
pueda observar
que está pasando en su hogar, y como medida de prevención se
activara la
alarma para que las personas que se encuentran en el área
también tengan
la información de que algo está ocurriendo.
Es necesario decir que los botones programados dentro de la
aplicación
también pueden activar los actuadores y en el caso de la
apertura de puerta
de la entradaesnecesario activarla desde la aplicación debido a
que no
existe una tarea que dependa de la activación de algún
sensor.
En el caso de los botones al igual que los sensores es necesario
revisar su
estado en todo momento por lo que se retroalimenta.
Para la activación de los actuadores, como se ha descrito hasta
el momento,
se lo puede realizar mediante la comprobación de los estados de
los
sensores o en el caso dela puerta de entrada mediante los
botones de la
aplicación.
También es necesario mencionar que el único actuador que tiene
otra
condición de funcionamiento es el calefactor debido a que
también depende
de la temperatura en la que se encuentren las diferentes
habitaciones, esta
temperatura se la fijo en 22 grados centígrados.
Por último los actuadores se desactivan si los sensores o los
botones de la
aplicación regresan a su estado inicial lo que reinicia el flujo
principal del
programa.
-
42
CONFIGURACIÓN DE LAS PLACAS DE CONTROL
Configuración de Raspberry Pi
Es necesario instalar el sistema operativo en la placa, en este
caso se
utilizará Raspbian-jessie, a continuación se detalla los pasos
necesarios
para realizar la instalación. (Figura 18).
Figura 18.Página web oficial de Raspberry Pi
Se realiza la configuración IP que la importante en este
caso.
Configuración WiFi para Arduino
Se realiza un programa, para Arduino el cual está conectado al
módulo WiFi,
para establecer los pines en lo que se necesita tener recepción
y
transmisión, y se configura la velocidad a la que transmiten
tanto el Arduino
como el WiFi. El proceso se explica a continuación en la (Figura
19).
Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines
-
43
Configuración de direcciones IP para módulos WiFi estáticos
Las configuraciones de las direcciones IP para los módulos WiFi
de cada
uno de los dispositivos se realizó directamente desde el modem
el cual
recoge todas las señales de los componentes instalados dentro de
la red. Se
coloca las direcciones MAC de los equipos (Figura 20).
Figura 20. Reservación de direcciones IP
Se escribe la dirección MAC de cada módulo WiFi existente,
porque esta
es única e irremplazable y viene por defecto en el equipo y se
asigna la
dirección IP para ese equipo específicamente.
CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA
La función principal de la placa RaspberryPi es la de gestionar
la red de
equipos conectados en el sistema, es decir que permite la
comunicación
entre el sistema de control y los sensores. Su otra función es
la de permitir el
acceso remoto al sistema por medio de internet.
Para el presente trabajo se instaló una serie de software dentro
de la
Raspberry, los cuales se necesitan para lograr la comunicación
requerida
entre los componentes (Figura 21).
Apache: Servidor Web HTTP open source.
MySQL: Base de datos Open source
PHO (Personal Home Pages): Lenguaje de programación que forma
parte
del servidor web para crear wbs dinámicas.
PHPmyAdmin: Sirve para administrar la base de datos a través de
interfaz
web.
Figura 21. Software requerido para la configuración de la placa
Raspberry Pi
-
44
En la siguiente imagen se puede mostrar el procedimiento de un
servidor
web (Figura 22).
Figura 22. Conexión de servidor
Todos los elementos que se instalaran en la Raspberry Pi
estarán
funcionando sobre el sistema operativo DEBIAN de LINUX por lo
que los
comandos de ejecución serán explicados bajo esta plataforma.
Instalación y configuración de Apache
Para que todo funcione es necesario instalar el propio servidor,
el más
común es Apache.Para poder visitar la web desde otro ordenador
dentro de
la red local habrá que conocer la IP del Raspberry Pi.
Por medio del navegador se puede acceder mediante la IP del
Raspberry Pi
desde el computador con la siguiente
dirección:http://192.168.1.105.
Instalación y configuración de PHP
Es necesario instalar el lenguaje de programación PHP en la
placa
RaspberryPi.
Instalación y configuración deMySQL
MySQL es un gestor de base de datos de código libre que sirve
para
almacenar y gestionar bases de datos. Para su instalación se
utiliza el
siguiente código:
sudoapt-getinstallmysql-server mysql-client php5-mysql
Es necesario colocar una contraseña para iniciar el programa, la
contraseña
será establecida por el usuario.
Instalación y configuración dePHPmyAdmin
PHPmyAdminés un software basado en PHP que sirve para
administrar la
base de datos MySQL a través de interfaz web.
http://192.168.1.105/
-
45
En el proceso de instalación es necesario indicar que servidor
web se ha
instalado en la placa raspberry. (Figura 23).
Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin
4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL
La aplicación fue diseñada en el software App Inventor que
trabaja para
plataformas que funcionen con Android, la selección de este
sistema se
debe a que en el mercado actual la mayoría de usuarios de
teléfonos
inteligentes usan sistemas con sistemas operativos Android.
El desarrollo se lo realizó por pantallas, donde se colocaron
los diferentes
dispositivos del sistema domótico. Se implementó un sistema de
fácil uso e
intuitivo para el usuario. A continuación se muestra cada una de
las pantallas
programadas.
Diseño de pantalla de inicio
La pantalla de inicio es la primera que aparecerá cuando se
inicie la
aplicación. En esta pantalla se colocó un cuadro de texto donde
se da la
bienvenida al usuario, de igual manera se insertó una imagen del
logo de la
carrera de Mecatrónica de la universidad. En esta pantalla era
necesario
implementar un sistema de acceso mediante una clave, logrando
proteger el
acceso a los dispositivos del sistema, se colocaron tres
botones, el primer
botón sirve para ingresar al sistema cuando la contraseña sea
correcta. El
segundo botón sirve para ingresar por primera vez la contraseña
y que sea
guardada en la base de datos. El tercer botón sirve para
reiniciar o cambiar
la contraseña, para realizar esta operación de igual manera se
necesita
ingresar la contraseña anterior. (Figura 24).
-
46
Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App
Inventor
Diseño de pantalla delíndice
La pantalla del índice sirve como nexo para ingresar a los
diferentes
componentes del sistema. En esta pantalla índice se colocó un
texto de
“INDICE” y la imagen de la universidad. (Figura 25).
Figura 25.Programación de la pantalla del índice en App
Inventor
También se colocaron siete botones, el primer botón sirve para
ingresar al
sistema de seguridad y poderactivar o chequear los elementos
destinados a
esta función. El segundo botón sirve para entrar al sistema de
control de
motores de puerta para abrirlas o cerrarlas. El tercer botón
permite acceder
a las cámaras de colocadas en la casa. El cuarto botón contienen
todas las
luminarias que pueden ser encendidas o apagadas desde el
dispositivo
móvil. El quinto y sexto botón permiten acceder a dos escenas
diferentes,
que fueron configuradas para activar ciertos dispositivos del
sistema
-
47
automáticamente dependiendo de los requerimientos del sistema.
El último
botón sirve para salir de la pantalla y dirigirse a la pantalla
de inicio.
Diseño de la pantalla de seguridad
En esta pantalla se colocaron todos los dispositivos
relacionados al sistema
de seguridad. En este caso sensores de movimiento, sensores de
cristales
rotos, contactos magnéticos de puertas, sensor de humo y las
cámaras de
seguridad. Mediante checkbox en cada uno de los elementos se
puede
determinar el estado de cada uno de los sensores para determinar
ciertas
acciones en el mismo. Además se colocaron tres botones, el
primer botón
señala que el usuario esta en casa y que si se activa alguno de
los sensores
envíe la información al checkbox, pero no realice ninguna
acción. El segundo
botón es para activar la alarma total de la casa donde sí se
activa cualquiera
de los sensores envíe la información al checkbox y además active
la sirena
dentro de casa. El último botón es de emergencia y realiza una
llamada de
auxilio al 911 si es presionado. (Figura 26)
.
Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App
Inventor
Diseño de pantalla de puertas eléctricas
La pantalla de control de puertas tiene implementado dos botones
para abrir
y cerrar las puertas mediante la activación de los motores,
tanto la de la
entrada a la propiedad como la del garaje. (Figura 27 y 28).
-
48
Figura 27.Pantalla de control de puerta implementada en
Android
Figura 28.Programación de la pantalla de control de motores en
App Inventor
Diseño de pantalla de iluminación
En esta pantalla se implementaron botones para encender y apagar
las
luces de cada una de las áreas de la casa que son, los dos
dormitorios, el
estudio, la cocina y la sala. (Figura 29).
-
49
Figura 29.Pantalla de iluminación implementada en Android
Diseño de pantalla de cámaras
En la pantalla de cámaras, se colocaron las cuatro cámaras que
se
encuentran instaladas en la casa. Estos cuadros sirven para
visualizar la
imagen en tiempo real de cada uno de los dispositivos. (Figura
30).
Figura 30.Pantalla de cámaras implementada en Android
-
50
Diseño de pantallas de escenas
Las pantallas de las escenas, son modificables y deben adaptarse
a las
necesidades del cliente, en estas pantallas se colocan ciertos
dispositivos
que deben ser activados de manera automática con el fin de
lograr un
escenario preestablecido dentro del hogar.
Para el presente proyecto se crearon dos escenas, la primera
enciende la
iluminación de la sala y del primer dormitorio, además
estabiliza la
temperatura mediante el calefactor. La segunda escena controla
la
iluminación de la sala y la coloca en un nivel establecido por
el usuario.
(Figura 31 y 32).
Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android
Figura 32.Pantalla de escena 2 implementada en Android
4.6 DISEÑO PLACA WIFI
Para el diseño de las placas acopladas a los actuadores se
realizó
esquemas en AutoCAD para luego realizar pruebas, las cuales
fueron
-
51
desarrolladas en protoboard en un inició para lograr descartar
fallas en las
conexiones y el funcionamiento de la misma. (Figura 33).
Figura 33.Pruebas protoboard
Luego de establecer que el funcionamiento es el correcto se
elaboró placas
para la instalación de las mismas en los diferentes actuadores.
(Figura 34).
Figura 34.Placa electrónica aislada
Con las pantallas de la aplicación programadas y con los
sistemas del
servidor configurados y listos para operar, es posible realizar
las pruebas de
funcionamiento del sistema domótico. En el siguiente capítulo se
analizaran
los resultados obtenidos del protocolo de pruebas planteado para
el sistema
.
-
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
-
53
Una vez finalizado el proceso de diseño se tuvo como resultado
un sistema
domóticoimplementado y en funcionamiento con el siguiente
presupuesto:
(Tabla 14).
Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto
Item Descripción Cantidad
Precio
unitario en
dólares
Precio
total en
dólares
1 Raspberrypi 1 75 75
2 Arduino Mega 1 25 25
3 Arduino Nano 1 20 20
4 Placa de Relés 1 35 35
5 Fuente de Voltaje 1 60 60
6 Breaker de Protección 9 10 90
7 Motores Eléctricos 2 750 1500
8 Sensores de Movimiento 5 25 125
9 Sensores de Humo 4 25 100
10 Sensor de Temperatura 3 25 75
11 Sensores Magnéticos 3 25 75
12 Sensor de Cristales Rotos 6 45 270
13 Electro Válvulas 1 45 45
14 Sirena 1 20 20
15 Calefactor 3 95 285
16 Lámparas Tipo Led 6 110 660
17 Tablero de control 1 160 160
18
Base Para Tablero de
Control
1
45
45
19 Pantalla 7’ para raspberry 1 65 65
20 Instalación 1 230 230
21 Mano de Obra 1 400 400
SUBTOTAL 4285
IVA 14% 599.9
TOTAL 4884.9
La implementación del sistema se realizó de manera sistemática
revisando
el funcionamiento de cada uno de los dispositivos conectados en
la red
domótica.
-
54
Se realizó la conexión del sistema de control dentro del tablero
como se
muestra en la siguiente (Figura 35).
Figura 35.Conexiones del tablero de control
Como podemos ver en la imagen, dentro del tablero de control se
colocaron
las protecciones del sistema, la fuente de alimentación de los
dispositivos, el
controlador Arduino Mega ADK, la placa Raspberry Pi y los relés
para
activación de los actuadores. El tablero de control se encuentra
instalado en
la cocina de la casa como se indicó en los planos realizados
(Figura 36 y
37).
Figura 36. Protecciones y fuente de voltaje del sistema de
control
-
55
Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el
tablero de control
De igual manera se realizó la instalación de los sensores y
actuadores
distribuidos como se indicó previamente en los planos de la
casa, como se
puede observar en las siguientes (Figura 38, 39, 40 y 41).
Figura 38. Instalación del sensor magnético
-
56
Figura 39. Instalación de sensor de humo
Figura 40. Instalación de sensor de movimiento
Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje
Posterior a la instalación del sistema se procedió a realizar
las pruebas
necesarias.
-
57
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS
Las pruebas de comunicación entre los dispositivos se realizaron
mediante
las direcciones IP que se asignaron a cada uno de los sensores
y
actuadores del sistema. En la siguiente figura se puede observar
cada una
de las direcciones asignadas. (Figura 42).
Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema
Mediante el símbolo del sistema de la placa Raspberrry se
comprobó que
todos los elementos se encuentran operando sin inconvenientes y
que la
comunicación está operando correctamente en la red local.Además
de
comprobar los tiempos de respuesta de cada uno de los
dispositivos, como
resultado se obtuvo que la mayoría de respuestas de los
dispositivos son
tiempos menores a 1 ms. En las siguientes figuras se muestran
algunos
resultados obtenidos desde el símbolo de sistema y una tabla con
los
elementos, las direcciones IP y los tiempos de respuesta.
(Figura 43 y 44).
Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio
1
-
58
Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1
-
59
Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta
Con los tiempos establecidos podemos decir que todos los
procesos deben
trabajar y dimensionarse en base al sensor con mayor tiempo de
respuesta,
en este caso el sensor de cristales rotos del dormitorio 2, para
evitar
Ítem Descripción Dir. IP Min. Max.
1 Router 192.168.1.1 2 88
2 Raspberry pi 2 Ethernet 192.168.1.2
-
60
problemas en el funcionamiento del sistema es necesario
considerar esta
variable y colocar los tiempos de espera necesarios para que el
controlador
pueda recibir y procesar la señal. El resto de actuadores y
sensores no
tendrán inconvenientes en el funcionamiento debido a que su
tiempo de
respuesta es menor y se puede procesar las señales casi en
tiempo real.
5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y
ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL
Para las pruebas de control de escenarios se implementaron dos
pantallas.
La primera pantalla como se explicó anteriormente, controla el
encendido de
la luz de la sala y del dormitorio principal, además del
encendido de la
calefacción. En la primera prueba se configuro para que todo se
active
simultáneamente, como se pudo observar en los tiempos de
respuesta del
sistema no existe problema para activar todo en tiempo real si
el usuario se
encuentra dentro de la red de área local. No existieron tiempos
de retraso en
el accionamiento simultáneo de los componentes del primer
escenario. La
segunda prueba para este escenario consistió en modificar los
tiempos de
accionamiento, al presionar el botón de la escena debía pasar 20
segundos
para accionar la luz de la sala, 30 segundos para accionar la
calefacción y 1
minuto para encender la luz de la habitación. Nuevamente se
obtuvieron los
resultados esperados sin retrasos significativos, debido a que
los tiempos de
respuesta dentro del área local se encuentran en la orden de los
micros
segundos.
La segunda escena programada es más simple debido a que debe
prender o
apagar algunas de las luminarias de la sala con el fin de lograr
la iluminación
adecuada para observar una película. Los tiempos de respuesta de
la
escena fueron óptimos.
Por último para comprobar el acceso remoto al sistema por medio
de la
aplicación e internet, se realizó la prueba de accionamiento de
las escenas
mediante la aplicación fuera de la red de área local. Se realizó
esta prueba
mediante el celular y la aplicación. Para comprobar los tiempos
de respuesta
de la red de internet se instaló en el celular un programa que
permite enviar
y recibir paquetes de datos de prueba para comprobar la
conexión. Se
obtuvieron los siguientes resultados. (Figura 45).
-
61
Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía
internet
Como podemos observar desde el dispositivo móvil se tiene tiempo
de envío
y recepción de datos desde la red domótica vía internet total de
9016 ms,
este tiempo es el retraso es el que se puede observar en la
lectura de
sensores y accionamiento actuadores del sistema. Este tiempo
puede variar
dependiendo de la calidad y velocidad de la señal de internet
con la que
cuente el dispositivo desde donde se acceda remotamente al
sistema.
Al realizar las pruebas de los escenarios pudimos observar que
el
accionamiento de los elementos relacionados a cada escena se
realiza sin
inconvenientes, pero se puede también constatar los tiempos de
retraso en
la culminación de la tarea ordenada desde la aplicación
móvil.
-
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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63
CONCLUSIONES
Con la implementación del sistema domótico se cumplieron con
las
características principales de este tipo de sistemas de control,
debido a que
se mejoró la eficiencia de algunas de las tareas que se realizan
dentro del
hogar, se mejoró el consumo energético con el control adecuado
de las
luces, se mejoró el confort del usuario con la programación de
diferentes
escenas y por último se buscó implementar herramientas como son
la
aplicación móvil para que el usuario pueda tener control sobre
algunas
tareas de su casa vía internet sin la necesidad de estar
presente.
Para la implementación adecuada del sistema se realizaron los
estudios
referentes a los espacios físicos que tenía la casa, además de
la factibilidad
de implementación del sistema.
Los estudios de iluminación que se realizaron permitieron
determinar las
luminarias adecuadas para la implementación del presente
proyecto,
además de indicar las áreas de la casa donde mayor control se
necesitaba
debido al consumo que se puede dar en las mismas, enfocando el
sistema
de control a estas áreas críticas.
La implementación del sistema ha demostrado que su ampliación es
factible,
lo que ofrece al usuario la capacidad de implementar nuevos
elementos ya
sean sensores o actuadores en un futuro, y esto se debe a la
utilización de
plataformas con software y hardware libre como son Arduino y
Raspberry.
La utilización de plataformas de software y hardware libre
también tienen un
impacto importante en el presupuesto para la implementación del
sistema
debido a que no se debe considerar costos por uso de
software
especializado.
Las pruebas realizadas sobre los tiempos de respuesta de los
sensores y
actuadores demostraron que el sistema puede funcionar en tiempo
real
siempre y cuando el usuario este dentro de la red de área
local.
Los tiempos de respuesta de los dispositivos también demostraron
que si el
usuario desea acceder de manera remota al sistema siempre
existirá un
pequeño retraso en la recepción de datos de sensores y en el
activación de
los actuadores, estos tiempos de retraso dependerán de la
velocidad y
calidad de internet con la que se cuente fuera de la red
local.
Una de las consideraciones necesarias para la implementación de
los
sistemas domóticos es conocer el lugar donde se instalaran los
equipos,
además de las características principales de los mismos, sobre
todo como
en este caso, si es necesario acceder a ellos vía WiFi o de
manera
inalámbrica ya que cada dispositivo de comunicación tiene rangos
máximos
-
64
de conexión, y ciertas características del entorno pueden
disminuir la señal
de transmisión.
La implementación de sistemas domóticos como el que se
desarrolló en el
presente proyecto, ofrece alternativas al mercado ecuatoriano en
esta área
de la tecnología.
-
65
RECOMENDACIONES
Se recomienda utilizar el presente proyecto como guía para el
desarrollo de
nuevas aplicaciones domóticas o para la investigación de las
mismas.
Se recomienda poseer flexibilidad en la aplicación ya que en el
momento
que el usuario desee incrementar otra cámara, sensor o actuador
en este
caso debería llamar al ingeniero para poder realizar la
programación en App
Inventor y poder añadir dispositivos a la misma.
Se recomienda flexibilidad en la plataforma para teléfonos
inteligentes ya
que si el usuario desee comprar un Iphone la aplicación no
serviría ya que
este ocupa otro sistema operativo que es el IOs.
Se recomienda realizar trabajos afines al desarrollo de
aplicaciones que se
adapten a diferentes plataformas de control, debido a que es uno
de los
aspectos poco desarrollados en la actualidad.
Se recomiendo realizar y apoyar el desarrollo de sistemas
domóticos, debido
a que es uno de los ámbitos con mayor crecimiento a nivel
mundial y con
proyección a corto plazo para estar presente en el mercado de
consumo.
Si se desea desarrollar un proyecto similar el presentado, es
necesario
mencionar que cada proyecto debe tener sus bases en estudios y
cálculos
necesarios para la implementación y que el trabajo presentado
fue diseñado
e implementado para operar con las características
indicadas.
-
66
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