Control vía web del sistema de iluminación de una casa Fredy Ramón Chena Ortigoza 1, David Gusmn !elaya "
Facultad Politécnica – Universidad Nacional del Este 1 Ciudad del Este – Paraguay1 fredy_chena_fpune@hotmailcom1
Facultad Politécnica – Universidad Nacional del Este ! Ciudad del Este – Paraguay! david"#eta@hotmailcom!
Resumen# $e da a conocer la estructura y las diferentes herramientas hard%are y soft%are utili#ado para el desar desarro roll llo o de disp dispos osit itiv ivos os dom& dom&ti tico coss para para el hoga hogar' r' por por medi medio o de la plat plataf afor orma ma de hard hard%a %are re li(r li(ree microcontrolador )rduino UN* Con el fin de generar un am(iente m+s amiga(le para los desarrolladores ,ue deseen introducir se en ésta nueva tendencia y de aprovechar los grandes (eneficios ,ue puede (rindar a la sociedad $e desarrollar+ un prototipo a escala para fomentar las (ases te&ricas ,ue se plantean durante el proceso de construcci&n &ndroid, $ogar 'nteligente# Pala(ras Claves- Domótica, $ardware libre, %icrocontrolador, &ndroid,
&bstr &b strac act# t# .n thi thiss pap paper er dis disclo closes ses the structur structuree and the various various har hard%a d%are re and soft%are soft%are tools use used d for the development of devices for home automation' through open hard%are platform )rduino UN* microcontroller microcontroller .n order to create a friendlier environment for developers %ishing to implement it in this ne% trend and ta/e advantage of the great (enefits it can (ring to society ) prototype %as developed to scale to increase the theoretical (ases that arise during the construction process &ndroid, (mart $ome# 0ey%ords- &utomation, Free $ ardware, %icrocontroller, &ndroid,
1# 'ntroducción# )ctualmente' las personas re,uieren de sistemas ,ue les propor proporcio cionen nen sufici suficien entes tes herram herramien ientas tas para para la administraci&n de sus viviendas sin importar el lugar donde se encuentren racias a la constante innovaci&n en sistemas dom&ticos' surge la posi(ilidad de integrar varias varias tecnol tecnolog2 og2as as para el contr control ol de dispos dispositi itivos vos electr&nicos sin ser necesaria la presencia del usuario en el lugar en donde estén u(icados 3e esta forma' se permite a las personas usufructuar de los servicios (rindados' y as2 poder manipularlos a través de disp dispos osit itiv ivos os ,ue ,ue esté estén n a su alcan alcance ce'' tant tanto o para para interactuar con los servicios o informarse de su estado a cada momento 4a dom& dom&ti tica ca es una una de las las +rea +reass ,ue ,ue faci facili lita ta los los procesos de automati#aci&n automati#aci&n y operaci&n de mecanismos electr&nicos' logrando de esta manera una
conver converge genci nciaa de las las difere diferente ntess tecnol tecnolog2 og2as as ,ue se encuentran en el interior de los hogares )ctual )ctualme mente nte los sistem sistemas as dom&ti dom&tico coss propie propietar tarios ios tienen un precio muy alto de instalaci&n con lo cual solo es posi(le verlo en casas de lu5o Una alternativa m+s accesi(le consiste en la utili#aci&n de hard%are y soft%are li(re6 ,ue hace posi(le ,ue sea m+s m+s acce accesi si(l (le6 e6 sin sin em(a em(arg rgo o re,u re,uie iere re m+s m+s conocimientos técnicos técnicos para su aplicaci&n y en muchos casos es necesaria una investigaci&n previa
1#1# %otivación# El desarrollo desarrollo de la electr&ni electr&nica' ca' la inform+tic inform+ticaa y las redes redes de comuni comunica caci& ci&n n han permit permitido ido la evoluc evoluci&n i&n constante de la dom&tica
Con la aparici&n de hard%are li(re se ha hecho m+s sencilla la implementaci&n de la dom&tica de(ido a ,ue hay disponi(les muchas informaciones en la red so(re su uso 7oy en d2a el hard%are es accesi(le en nuestra propia ciudad y a un costo relativamente (a5o Para la reali#aci&n de este proyecto se o(tendr+ conocimientos en las aéreas de las telecomunicaciones' la electr&nica' la inform+tica y la electricidad para su (uena implementaci&n
1#"# Ob)etivos#
personal y patrimonial en la vivienda "#1#1# &+licaciones de la domótica. •
Confort
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)horro energético
•
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$eguridad
•
Comunicaciones
1#"#1# Ob)etivo General#
"#1#"# &r/uitecturas#
Construir un sistema dom&tico ,ue permita mane5ar remotamente las luces de una casa a través de una interface %e(
&r/uitectura Centralizada. En un sistema de dom&tica de ar,uitectura centrali#ada' un controlador centrali#ado' env2a la informaci&n a los actuadores e interfaces seg=n el programa' la configuraci&n y la
1#"#"# Ob)etivos *s+ecíicos# •
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8ontar un circuito electr&nico capa# de controlar las luces6 (asado en hard%are li(re 3esarrollar una interface de soft%are capa# de interactuar remotamente con la placa controladora para el mane5o de las luces de una casa desde una navegador %e( 3esarrollar una aplicaci&n m&vil capa# de interactuar remotamente con la placa controladora para el mane5o de las luces de una casa Compro(ar el funcionamiento de los sistemas logrados en una ma,ueta
1#-# &lcance#
$e propone controlar las luces del prototipo de una casa a través de una aplicaci&n %e( y dispositivos m&viles6 utili#ando la placa )rduino Uno' y demostrarlo en una ma,ueta
"# Conce+tos Generales# "#1# Domótica
El concepto dom&tica se refiere a la automati#aci&n y control 9encendido : apagado' apertura : cierre y regulaci&n; de aparatos y sistemas de instalaciones eléctricas y electrotécnicos 9iluminaci&n' climati#aci&n' persianas y toldos' puertas y ventanas motori#ados' el riego' etc; de forma centrali#ada y:o remota El o(5etivo del uso de la dom&tica es el aumento del confort' el ahorro energético y la de me5or la seguridad
informaci&n ,ue reci(e de los sensores' sistemas interconectados y usuarios Figura "#1. )r,uitectura Centrali#a "#1#-# 0rotocolos de Domótica#
El protocolo de comunicaciones ,ue utili#a' se refiere al formato de los mensa5es ,ue los diferentes elementos de control del sistema de(en hacer uso para poder comunicarse entre ellos mismos y ,ue puedan intercam(iar su informaci&n de una manera eficiente 3entro de los protocolos e>istentes' se puede reali#ar una primera clasificaci&n atendiendo a su estandari#aci&n 0rotocolos estndar. 4os protocolos est+ndar son los ,ue de alguna manera son utili#ados ampliamente por diferentes empresas y estas fa(rican productos ,ue son compati(les entre s2 )lguno de ellos son 0N?' 4on%or/s' ?1 0rotocolos +ro+ietarios$on a,uellos ,ue desarrollados por una empresa' s&lo ella fa(rica productos ,ue son capaces de comunicarse entre s2 Esto protege los derechos del fa(ricante' pero limita la aparici&n de continuas evoluciones en los sistemas dom&ticos' con lo ,ue' a medida ,ue los sistemas con protocolo est+ndar se van desarrollando "#"# &rduino#
)rduino es una plataforma de prototipos electr&nica de c&digo a(ierto 9open"source; (asada en hard%are y soft%are fle>i(les y f+ciles de usar Est+ pensado para artistas' diseAadores' o cual,uiera ,ue esté interesado en crear o(5etos o entornos interactivos "#"#1 &rduino 2O R-#
Es una placa electr&nica (asada en el microcontrolador )tmegaB! y ,ue tiene su m&dulo U$D me5orado 3ispone de 1 entradas:salidas digitales y de estas pueden utili#arse para salidas PG8 9modulador de ancho de pulso; )dem+s dispone de entradas anal&gicas' un oscilador de 187#' una cone>i&n U$D' un conector de alimentaci&n y un pulsador para el reset Para empe#ar a utili#ar la placa s&lo es necesario conectarla a la PC a través de un ca(le U$D' o alimentarla con un adaptador de corriente )C:3C
Figura "#". )rduino UN* HB "#-# &ndroid#
En un $istema *perativo adem+s de una plataforma de soft%are (asada en el n=cleo de 4inu> 3iseAada en un principio para dispositivos m&viles' )ndroid permite controlar dispositivos por medio de (i(liotecas desarrolladlas o adaptados por oogle mediante el lengua5e de programaci&n Iava )ndroid es una plataforma de c&digo a(ierto Esto ,uiere decir' ,ue cual,uier desarrollador puede crear y desarrollar aplicaciones escritas con lengua5e C u otros lengua5es y compilarlas a c&digo nativo de )H8 9)P. de )ndroid; oogle sin em(argo' ha sido ,uien ha pu(licado la mayor2a del c&digo fuente de )ndroid (a5o la licencia de $oft%are )pache' una licencia de soft%are li(re y de c&digo a(ierto a cual,uier desarrollador
-# (istema Domótico# -#1# Descri+ción del +roblema#
El ahorro energético es algo ,ue de(e ser preocupante
para todos' principalmente por el futuro del planeta y la conservaci&n del medio am(iente aun,ue tam(ién por,ue afecta a la econom2a 4a dom&tica puede ayudarnos con eso Para el presente tra(a5o se opt& por montar un sistema dom&tico (asado en una interfa# compuesta de hard%are y soft%are capa# de controlar el sistema de iluminaci&n a distancia a través de la computadora o un teléfono m&vil conectado a internet -#"# 0rocedimientos# Figura -#1. 8odelado del Circuito 3om&tico •
Dise3o. En esta etapa se define la lista de todos los recursos necesarios y disponi(les para la puesta en marcha del proyecto 4uego se reali#a el diseAo o plano de las cone>iones f2sicas entre los dispositivos del circuito eléctrico ,ue formar+n parte de la ma,ueta
•
%onta)e. Una ve# ad,uiridos los recursos necesarios definidos en la etapa de diseAo' se procede con la preparaci&n y monta5e de la ma,ueta' siguiendo la l2nea de diseAo preliminar
0rogramación. Con la ma/ueta ya terminada, el siguiente +aso es desarrollar, desde el 'D* de &rduino 2O 4sotware escrito en 5ava y basado en 0rocessing, avr6gcc, y otro sotware de código abierto7, un +rograma /ue +ermita controlar la +laca vía internet, ms es+ecíicamente el encendido y a+agado de las luces de la ma/ueta# *ste +rograma enviar +e/ue3os +ulsos el8ctricos a trav8s de los +ines digitales de la +laca &rduino 2O, /ue a su vez activarn o desactivarn el +aso de la corriente alterna dentro de los rel8, /ue es lo /ue +ermitir encender o a+agar las luces de la ma/ueta# 'nteraz. 4a interfa# gr+fica es necesaria para • hacer el control del circuito m+s sencillo y pr+ctico Este proyecto contara con dos interfa#' una %e( y otra para teléfonos m&viles -#"# %odelado del Circuito#
$e re,uiere de una interfa# 9PC y teléfono m&vil en la figura; para ,ue el usuario emita la orden de JencenderK o JapagarK las luces de la ma,ueta Para eso es necesario ,ue la interfa# esté conectada a internet' utili#ando este medio como canal de transmisi&n' cuya seAal es reci(ida por los dispositivos receptores y enrutadores de internet 9modem y router; ,ue a su ve# hacen llegar la orden a la placa controladora del sistema 9)rduino UN*; ,ue se encarga de convertir la seAal digital en una seAal anal&gica y activar 9en caso de encendido; o desactivar 9en caso de apagado; el relé
-#-# Desarrollo de la interaz web y el a+licativo
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&ndroid#
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http://developer.android.com/sdk/ind ex.html+download.
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,a-iendo #a descar(ado el pa*uete Eclipse ADT" el si(uiente paso es coni(urarlo.
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)ara coni(urar el ADT Bundle:
Descomprimir el archivo I) &llamado ADTBundle 0os1platorm2 .!ip' # (u3rdelo en un lu(ar apropiado" como por ejemplo un directorio de 4desarrollo4 en su directorio personal. •
-#-#1 'nteraz 9eb#
4a interfa# %e( para el sistema dom&tico de(er+ diseAarse dentro mismo del $oft%are .3E de )rduino uno' ,ue ya cuenta con las li(rer2as y declaraciones necesarias para conectarse a internet
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4a interfa# %e( de esta diseAada en con una com(inaci&n entre 7<84 y C$$' aun,ue solo soporta las caracter2sticas o propiedades (+sicas de am(os' por lo ,ue el diseAo es (astante sencillo
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Figura -#". .nterfa# Ge( -#-#"# &+licativo &ndroid# $erramientas +ara el desarrollo.
$on necesarios -
)ara descar(ar el pa*uete ADT Eclipse" ir al sitio:
A-ra la Bundle adt0os1platorm2 Eclipse / / directorio # ejecutar Eclipse.
)recaución: 5o mueva nin(uno de los archivos o directorios de la ADTBundle 0os1platorm2 directorio. $i mueve el Eclipse / o / sdk directorio" ADT no ser3 capa! de locali!ar el $D% # usted tendr3 *ue actuali!ar manualmente las preerencias de ADT.
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tener la m+,uina virtual de 5ava instalada • •
.nstalaci&n del *ntorno de desarrollo *cli+se &D:;undle. El Eclipse )3
Para descargar e instalar la m+,uina virtual de Iava solo tenemos ,ue dirigirnos al sitio-
http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/ downloads/index.html y seguir las instrucciones •
Instalación del Eclipse ADTBundle: El Eclipse ADTBundle orece todo lo necesario para empe!ar a desarrollar aplicaciones" inclu#endo las herramientas del $D% de Android # una versión del IDE de Eclipse con una unción de ADT &Android Developer Tools' para a(ili!ar el desarrollo de su aplicación para Android.
Eclips e con ADT #a est3 listo #
car(ado con las herramientas de desarrollo de Android" pero todav6a ha# un par de pa*uetes *ue de-e a(re(ar para hacer *ue su Android $D% est7 completo. •
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)or deecto" el $D% de Android no inclu#e todo lo necesario para empe!ar a desarrollar.
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)ara empe!ar a a8adir pa*uetes" ejecutar el 9ana(er $D% de Android
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n router w ii. Con cone>i&n a .nternet para las cone>iones y prue(as través de una red inal+m(rica
• •
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Una ve# configurado el entorno de tra(a5o todo se procede con el desarrollo-
Cable de 1mm. sistema de ca(leado de la ma,ueta para la corriente alterna
na ma/ueta. diseAada a medida y espec2ficamente para este proyecto •
Figura -#-. 3esarrollo del )plicativo )ndroid
•
•
Cuatro lm+aras y lm+aras. iluminaci&n evaluaci&n resultados
+orta
y de
na
com+utadora +ersonal. para la interfa# %e( •
n tel8ono móvil con (istema O+erativo &ndroid. para la interfa# del )plicativo )ndroid
Figura -#<. )plicativo )ndroid
<# Desarrollo del 0royecto# <#1# 0ruebas realizadas#
Para reali#ar las prue(as' empe#amos con una revisi&n de todos los materiales' recursos y herramientas 9soft%are; empleados en el circuito y en una ma,ueta de cuatro ha(itaciones•
na 0laca &rduino 2O. placa controladora de todo el circuito •
•
n *thernet (hield. e>tensi&n de la placa )rduino UN* ,ue le permite conectarse a internet a una red a través de un puerto Ethernet configurado con una direcci&n .P9Protocolo .nternet;
Cuatro rel8s integrados. act=a como llave f2sica para cortar o enviar pulsos eléctricos programados desde la placa )rduino UN*
Cables de bus. +uente el8ctrico entre el rel8 y &rduino# Figura <#". Comportamiento relés – Estado )ctivado Dos Cables :0 R5<= de 1m. para las • cone>iones de red
.nicialmente nos enfocamos en la manera en ,ue la placa )rduino interact=a con los cuatro relés integrados Como cual,uier dispositivo eléctrico o electr&nico' am(os cuentan con puertos de potencias eléctricas' es decir' N3 9neutro;' en los relés' un LC*' ,ue reci(ir+ una potencia de M voltios emitida por la placa )rduino para alimentar el circuito integrado' adem+s cada relé cuenta con puerto de entrada por la ,ue reci(ir+ las &rdenes de activar o desactivar el paso de la corriente alterna' desde los pines digitales esta(lecidos dentro del programa en .3E de )rduino UN* 9un pin digital para cada relé; Para todas estas cone>iones f2sicas mencionadas se utili#an unos ca(les de (us' considerando el tamaAo de los puertos y pines digitales de los dispositivos Con estas cone>iones hechas y el
+rograma en 'D* &rduino ya desarrollado, se +rocede a conectar la +laca &rduino 2O ? *thernet (hield a una 0C 4la 0C deben estar conectada a una misma red /ue la +laca &rduino 2O ? *thernet (hield7# Figura <#-. .nterfa# Ge( – 4uces apagadas Como se e>+licó en ca+itulo tres de este +royecto, el dise3o de la interaz web ya se realiza dentro del 'D* &rduino# Con esto ya +uede realizarse una +rueba +arcial del com+ortamiento del sistema# Figura <#<. Comportamiento relés – Estado 3esactivado
Figura <#1. .nterfa# Ge( – 4uces encendidas El sector de la interfa# %e( seAalada con las flechas ro5as 9Figura <#1;' indica el estado en el ,ue se encuentra el circuito' para confirmar una reacci&n positiva de los relés a estos estados' las luces ,ue indican el estado propio de cada relé' tam(ién de(en estar encendidas 9 Figura <#";
3e la misma manera' si las luces est+n apagadas' seg=n el estado ,ue indica la interfa# %e( 9 Figura <#-;' los relés tam(ién de(e estar desactivada 9 Figura <#<; Una ve# ,ue se hayan o(tenidos resultados favora(les con estas prue(as parciales' se puede terminar el monta5e e instalaci&n completa del circuito dentro de una ma,ueta y reali#ar las mismas prue(as' ,ue si siguen correctamente los pasos del 3iseAo y 8onta5e ,ue ven en el cap2tulo tres de este proyecto' todo de(er+ funcionar correctamente <#"# &nlisis de los resultados#
4as primeras prue(as reali#adas para este proyecto fueron a nivel de red local por lo ,ue se tra(a5a con una direcci&n .P generada gestionada por el Houter ,ue se asigna a la Ethernet $hield' por lo ,ue el tiempo de respuesta a las &rdenes emitidas desde cual,uier interfa# diseAada' fue relativamente r+pida Para un acceso desde redes e>ternas se recurri& a una direcci&n .P p=(lica' ,ue fue configurado para re direccionar las peticiones e>ternas al puerto y direcci&n .P local del escudo de red 6 en este caso el tiempo de respuesta a aumentado pero sin llegar a ser considera(le
=# Conclusiones y sugerencias# =#1# Conclusión#
4os resultados o(tenidos en la e5ecuci&n de este proyecto permiten concluir lo siguiente-
Para construir un sistema dom&tico ,ue permita mane5ar remotamente las luces de una casa a través de una interface %e( o un aplicativo )ndroid' no necesariamente se de(e renovar o reempla#ar todo el sistema eléctrico de una casa .mplementar un sistema dom&tico de este tipo tiene m+s venta5as ,ue desventa5as' para lo ,ue definiremos algunas de am(as@enta)as. • Control completo del sistema de luces de una casa •
)ccesi(ilidad al sistema lum2nico de su casa desde cual,uier parte del mundo
•
El ahorro energético gracias a un control efica# del sistema
•
.nterfa# sencilla y de f+cil mane5o para cual,uier usuario
•
El sistema se (asa en soft%are li(re por lo ,ue facilita el mantenimiento del mismo
Desventa)as. • Necesariamente el soft%are de interfa# de(e estar conectado a internet •
•
El costo de implementaci&n a=n considera(le No todos los componentes son accesi(les en cual,uier lugar
)=n con las desventa5as ,ue se o(servan' los (eneficios son proporcionalmente mayores' si consideramos el hecho de ,ue en nuestra era' el acceso a .nternet se ha e>tendido y ,ue la mayor2a de las personas adultas pasan mayor tiempo fuera de casa6 el confort y la posi(ilidad de ahorro ,ue (rinda un sistema dom&tico 5ustifica su uso =#"# 0rinci+ales logros alcanzados
Para el control lum2nico remoto de un sistema dom&tico a través de la %e( o un aplicativo )ndroid' los resultados o(tenidos fueron altamente favora(les en
todas las prue(as reali#adas =#-# 0ro+uestas +ara uturos traba)os
1O )ndroid*nlineO https-::developerandroidcom:guide:inde>html Fecha de consulta6 1::!1O
3urante la etapa de investigaci&n se pudo o(servar ,ue la placa )rduino UN*' puede utili#arse para construir un sistema dom&tico aplicado a otros sectores' como ser la climati#aci&n' la seguridad y el confort 9control de electrodomésticos;
!O )rduino%e(server*nlineO http-::arduinocc:en:pm%i/iphp nQ
)r,uitecturas*nlineO Fecha de consulta6
TO )rduino )rduino Uno*nlineO http-::arduinocc:en:8ain:arduinoDoardUno Fecha de consulta6 !1::!1O 1O
Reerencias ;ibliogricas
Protocolo ?"1 *nlineO http-::>1"langorg:
1!O 3omodes/*nlineO http-::%%%domodes/com:,ue"es"domotica
