Redes Domóticas

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Tema 9. Redes Domóticas. Bus EIB

TEM A 9. REDES DOM ÓTI CAS. CAS. BUS EI B

1 Introducción ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ......................... 1 2 Aspectos de la domótica....................................... domótica.............................................................. .............................................. ................................... ............33 3 Sistemas domóticos comerciales............................. comerciales..................................................... ............................................... ............................... ........ 7 3.1 CEBus ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ............................ ..... 8 3.2 X-10 .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ............................ ..... 9 3.3 LonWorks.................................. LonWorks......................................................... ............................................... ............................................... ............................. ...... 17 3.4 EHS ........................................... .................................................................. ............................................... ............................................... ............................. ...... 20 4 Estudio del sistema distribuido EIB..................... EIB ............................................ .............................................. ................................. .......... 25 4.1 Introducción .............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................... ..............25 25 4.2 Tecnología......................................... Tecnología................................................................ .............................................. ............................................. ......................26 26 4.2.1 Superposición de datos / alimentación .............................................. ........................................................ .......... 27 4.2.2 Características de la transmisión ........................................... ................................................................. ......................28 28 4.3 Topología .............................................. ..................................................................... .............................................. ......................................... ..................29 29 4.4 Direccionamiento..................................................................................................31 4.4.1 Direcciones físicas...................................................... físicas............................................................................. ................................. .......... 31 4.4.2 Direcciones de de grupo....................... grupo .............................................. .............................................. ..................................... ..............32 32 4.5 Formato de de las transmisiones....................................... transmisiones.............................................................. ......................................... ..................34 34 4.5.1 Método de acceso al medio ............................................ ................................................................... ............................. ...... 34 4.5.2 Formato de los mensajes ............................................ ................................................................... ................................. .......... 35 4.6 Componentes ‘inteligentes’...................................... ‘inteligentes’............................................................. ............................................. ......................39 39 4.7 Instalación ............................................. .................................................................... .............................................. ......................................... ..................42 42 4.7.1 Diseño y realización de la instalación ........................................... ......................................................... ..............43 43 4.7.2 Comprobación de la instalación ............................................ .................................................................. ......................44 44 5 Bibliografía .............................................. ..................................................................... .............................................. ............................................. ......................45 45

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Tema 9. Redes Domóticas Bus EIB

1 Introducción El concepto de domótica, a la vez que novedoso, se está desarrollando en la actualidad a una gran velocidad. Es por esto que se hace necesario dar una panorámica de esta nueva tecnología para comprender su estado presente de desarrollo y la forma en que se puede aplicar en función de las necesidades de cada usuario. Hoy día existe una gran variedad de sistemas comercializados, si bien hay que saber cuál o cuáles de ellos aplicar para construir edificios “a prueba de futuro”. La aparición de esta nueva tecnología se ha visto propiciada por la disponibilidad y flexibilidad del elemento base que ha acelerado el desarrollo de la informática en los últimos tiempos, el microprocesador, así como por la paulatina convergencia de la informática y las telecomunicaciones, y la necesidad, cada vez mayor, de la información a todos los niveles. Asimismo, ha sido fundamental la definición paralela de arquitecturas de comunicación de datos en el ámbito de la automatización industrial; los l os conocidos buses de campo, con los que los sistemas domóticos presentan grandes similitudes. Desde el punto de vista etimológico, la palabra domótica fue inventada en Francia (país pionero en Europa) y está formada por la contracción de “domus” (vivienda) mas automática. En este sentido ha habido cierta polémica en lo referente a la idoneidad de su

Univ. Politécnica de Cartagena. Departamento de Tecnología Electrónica.

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denominación, puesto que el objeto de esta disciplina no es únicamente la vivienda, sino cualquier tipo de edificación. Además, la domótica va más allá de la mera automatización de un edificio, integrando el control del mismo con el uso que se hace de él. En cualquier caso, el uso de este término se ha extendido ampliamente, a pesar de que en los comités de normalización, como AENOR, se ha optado por prescindir del mismo por las razones expuestas. Parece clara la separación de esta misma tecnología para cubrir distintos ámbitos de aplicación. Así se pueden distinguir tres sectores distintos dependiendo del alcance de su aplicación: • • •

Domótica, para el sector doméstico. Inmótica, para el sector terciario. Urbótica, para las ciudades. En este caso se tratan temas como el control de la iluminación pública, la gestión de semáforos, las telecomunicaciones, medios de pago, etc.

Para definir una vivienda automatizada habría que tener en cuenta al menos dos puntos de vista: el del usuario y el punto de vista técnico. Desde el punto de vista del usuario, una vivienda domótica podría ser aquella que proporciona una mayor mayor calidad de vida a través de de las nuevas tecnologías, tecnologías, ofreciendo una una reducción del trabajo doméstico, un aumento del bienestar y la seguridad de sus habitantes, y una racionalización del los distintos consumos. Todo ello teniendo en cuenta la facilidad de uso para todos los inquilinos, aún cuando alguno de ellos presente alguna minusvalía física. Desde el punto de vista tecnológico, la definición podría ser la siguiente: es aquella en la que se integran los distintos aparatos domésticos que tienen la capacidad de intercomunicarse intercomunicarse entre ellos a través de un soporte de comunicaciones , de modo que puedan realizar realizar tareas que hasta ahora ahora se venían haciendo haciendo de forma manual. manual. Hasta hace poco años, y en ocasiones en la actualidad, la gestión de una vivienda o edificio automatizado se venía realizando mediante automatismos independientes. Cada uno de los cuales consiste en un equipo electrónico que suele contener un microprocesador para controlar instalaciones de la vivienda (gas, agua, sistema de alarma, etc.). El control que realizan estos automatismos es típicamente de marcha/paro, y en algunos casos de regulación. Puesto que tanto los aparatos domésticos como los automatismos son electrónicos, son imprescindibles elementos protectores de la red eléctrica; en una vivienda o edificio domótico existen dos tipos de cuadros conectados entre sí: el cuadro eléctrico (en España de 230V, 50Hz) y el cuadro domótico, que típicamente emplea tensiones de alimentación seguras (12Vdc o 24Vdc). En la Figura 1 se esquematiza la estructura general en la automatización de una instalación. Las centrales de accionamiento local son subautomatismos que controlan una zona concreta referente a un automatismo, y permiten al usuario obtener información sobre el estado de una variable, así como actuar sobre ella de forma local. Es obvia la necesidad de comunicación entre los sensores y los automatismos correspondientes, para lo cual se emplean buses de comunicación , que son los que han dado lugar a la aparición de los sistemas domóticos modernos. 2

Asignatura: Comunicaciones Industriales. Profesor: Manuel Jiménez Buendía.


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INFORMACIÓN USUARIO

INFORMACIÓN SENSORES

ACCIONAMIENTO LOCAL

AUTOMATISMO

ACTUACIÓN: MARCHA/PARO F igura 1. Estructura general de la automatización de una instalación.

2 Aspectos de la domótica Como se ha comentado anteriormente, la domótica es un conjunto de servicios realizados para automatismos o dispositivos con cierto grado de “inteligencia” (basados en microcontroladores) dentro del hogar, dirigidos a la gestión de cuatro funciones básicas (Figura 2): control energético, confort, seguridad y telecomunicaciones. Aunque en muchos aspectos estas funciones se solapen, vamos a intentar diferenciar cada uno de ellos. Al realizar una instalación, la proporción de la inversión realizada en cada uno de los apartados dependerá del cuál vaya a ser la finalidad del edificio o residencia. Control Energético Confort DOMÓTICA

Seguridad Telecomunicaciones

F igur a 2. Funciones básicas en las instalaciones domóticas.

A continuación se van a tratar en detalle los aspectos más importantes dentro de cada una de estas funciones básicas.

2.1 Confort El concepto de confort va dirigido principalmente a las instalaciones CVC (climatización, ventilación y calefacción), auque también se incluyen en este campo los sistemas de audio y video, control de iluminación, riego y jardines, mando a distancia y todo aquello que contribuya al bienestar y la comodidad de las personas que utilicen las instalaciones. En los sistemas de CVC es donde mayores inversiones se están realizando, pues además de abarcar una gran parte del consumo energético, están presentes en casi todas las instalaciones y son la primera contribución. Se hace necesario que el control de estos sistemas esté lo más distribuido posible, esto es, que cada habitación, local o recinto, disponga de sistemas de control individual. Entre los sistemas destinados al confort cabe destacar, además de las instalaciones CVC:


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Control por infrarrojos de los distintos automatismos Automatización de riego de jardines. Apertura automática de puertas. Centralización y supervisión de todos los sistemas de la vivienda. Accionamiento automático de distintos sistemas en base a datos del entorno, como la recogida automática de toldos y bajada de persianas en caso de tormenta o viento excesivo, etc. • Información de presencia de correo en el buzón. • • • • •

2.2 Control Energético La finalidad es satisfacer las necesidades del hogar al mínimo coste. En este control se pueden distinguir tres aspectos diferenciados: Regulación: con la que se pueda obtener la evolución del consumo energético de la vivienda o edificio. • Programación: para programar distintos parámetros como temperatura según horarios, días de la semana, mes, etc. • Optimización: de modo que se minimice el consumo. El aprovechamiento de la energía y reducción de su consumo, es uno de los apartados más importantes en la instalación de un sistema domótico, puesto que revierte a medio y largo plazo en su amortización, además de estar muy ligadas al concepto de confort. Las acciones destinadas a reducir el consumo están íntimamente ligadas a la integración de todos los dispositivos de la vivienda en el sistema. Dichas acciones son del tipo: •

§

§ §

§ §

Aprovechamiento de las franjas de tarificación de valle para hacer trabajar aquellos equipos que lo permitan (p.e., aprovechamiento de tarifas nocturnas en función de las necesidades programadas). Reducción del consumo para climatización fuera de las horas de trabajo normales. Detección de fuentes de pérdidas en sistemas de climatización (p.e. suspensión del funcionamiento en estancias donde se detecten ventanas abiertas). Reducción del consumo para climatización en ausencia de individuos en las estancias mediante la detección automática de presencia. Actuación sobre automatismos de persianas para el aprovechamiento de la luz solar.

2.3 Seguridad Actualmente, aunque de manera individualizada (no integrada), es la función más desarrollada, y puede integrar múltiples aplicaciones (ver Figura 3), especialmente si se encuentra integrada dentro de un sistema domótico. Se puede dividir en seguridad e personas y seguridad de bienes. En la seguridad de personas se incluyen tareas como: Alumbrado automático en zonas de riesgo por detección de presencia (escaleras, etc.) para evitar accidentes domésticos. • Desactivación de enchufes de corriente para evitar contactos. • Manipulación a distancia de interruptores en zonas húmedas. •

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Emisión de avisos telefónicos a números prefijados en caso de necesidad de ayuda urgente. • Detectores de fugas de gas o de agua que cierren las válvulas de paso a la vivienda en el caso de producirse escapes. • Alarmas de salud. En el caso de personas con necesidades especiales (ancianos, personas discapacitadas) se disponen pulsadores cuya activación genera un aviso a una central receptora, un familiar o un hospital para solicitar ayuda sanitaria urgente. •

SEGURIDAD

Seguridad de Personas

Aviso a Distancia

Seguridad de Bienes

Detección Intrusos

Alarmas Técnicas

Simulación de Presencia

F igura 3. Funciones de seguridad.

En cuanto a la seguridad de bienes se refiere, las funciones principales son (Figura 3): Avisos a distancia. En ausencia del usuario se emiten avisos en caso de alarma (bien acústicos o telefónicos). • Detección de intrusos. Incluye la instalación de diversos sensores: Sensores volumétricos para detección de presencia. § § Sensores de hiperfrecuencia para cristales rotos. § Sensores magnéticos para apertura de puertas y ventanas. • Alarmas técnicas: Detección de incendios. § § Detección de fugas de agua y gas. Ausencia de energía eléctrica. § •

En el caso de alarmas técnicas también se pueden realizar acciones correctivas (p.e. si se detecta escape de gas, cortar el suministro).

2.4 Telecomunicaciones En este sentido, existen numerosas posibilidades en función del tipo de edificio. La aparición de nuevas tecnologías en el campo de las comunicaciones y redes de transmisión de datos, y el hecho de que los sistemas domóticos avanzados se basan en el empleo de estos tipos de redes, hacen de éste un campo fértil para la investigación y el desarrollo de nuevas arquitecturas y sistemas de integración. Entre las posibilidades de telecomunicación según el tipo de edificio, destacaremos: •

Sistemas de comunicación en el interior. Megafonía, difusión de audio/video, intercomunicadores, etc.


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Sistemas de comunicación con el exterior. Telefonía básica, video-conferencia, email, Internet, TV digital, TV por cable, fax, radio, transferencia de datos (X25, ATM), etc. • Comunicaciones externas propias de la vivienda. Mensajes de alarma como fugas de gas, agua, etc., y telecontrol del sistema domótico a través de la línea telefónica o conexión a redes de datos (Internet). •

De entre todas ellas, las que mayor auge están teniendo en los últimos años, desde el punto de vista de aportaciones de investigación e implantación de nuevas tecnologías, son las iniciativas de telecontrol del sistema domótico desde el exterior. En este sentido se pueden destacar trabajos como: •

• •

•

•

Control de instalaciones domóticas mediante protocolo TCP/IP utilizando html o applets de Java, para la teleoperación y monitorización de sistemas domóticos en edificios. Control de instalaciones domóticas mediante mensajes SMS. Consistente en la aplicación de la tecnología GSM al control de remoto de redes domóticas. Acceso a redes EIB para personas discapacitadas empleando redes inalámbricas de datos (IEEE 802.11b) mediante aplicaciones cliente-servidor con protocolo TCP/IP, que facilitan el acceso a todas las funciones de la vivienda a personas discapacitadas a través del uso del ordenador personal empleando técnicas de barrido. Aplicación de sistemas de encriptación y autentificación en el acceso remoto a instalaciones domóticas a través de Internet, para asegurar la privacidad y seguridad de los datos en el acceso a través de redes públicas. Integración de redes domóticas en redes de fibra óptica ya existentes.

2.5 Niveles mínimos de equipamiento Una vez descritas las principales aplicaciones realizables en el campo de la domótica, conviene aclarar que su implantación no tendrá sentido si no existe un grado mínimo de equipamiento en la vivienda o edificio. Este grado mínimo puede incluir: Servicio telefónico básico o conexión permanente de datos con el exterior, para comunicar la vivienda con su entorno y, de esta forma, realizar mantenimiento preventivo, notificación de alarmas, actuación externa, telemonitorización, etc. • Suministro de gas canalizado, de forma que se pueda actuar sobre las válvulas de acometida en caso de detección de fugas en zonas donde se encuentren cocinas, hornos, calderas, secadoras, hornillos de gas, etc. Además se posibilita la implantación de sistemas centralizados de producción de agua caliente para calefacción, agua sanitaria, equipos biotérmicos (lavavajillas, lavadoras, etc.). • Existencia de cargas eléctricas, para aplicaciones de simulación de presencia y discriminación para evitar sobrecargas eléctricas. • Sistema de calefacción/climatización. Es interesante que la climatización se centralizada para poder utilizar cualquier fuente de energía y aplicar programas de optimización de consumos en función de horarios y de distintos niveles de temperatura, zonificación del servicio (orientación norte/sur, presencia de personas), posibilidad de activación telefónica, etc. Este sistema centralizado no desaconseja el uso de elementos autónomos a base de energía eléctrica cuya puesta en marcha/paro se puedan realizar mediante sistemas domóticos simples y a través de corrientes portadoras (según normativa europea HBES). •

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3 Sistemas domóticos comerciales Actualmente existen numerosos sistemas domóticos comerciales. Cada uno de ellos está orientado a un segmento concreto del mercado. Desde el punto de vista comercial, puede decirse que los tres sectores más importantes que precisan actualmente de estos sistemas son las casas ya construidas, las casas nuevas y los grandes edificios (hoteles, oficinas, residencias). Cada uno de estos sectores utiliza una tecnología específica, adaptada a las necesidades del usuario final (ver Figura 4). Básicamente vamos a distinguir entre casas ya construidas, viviendas nuevas, y grandes edificios. En una casa construida , se suelen utilizar sistemas denominados de corrientes portadoras (traducción del francés “courant porteur”), que tienen como soporte de comunicación la propia red de alimentación de baja tensión (BT) de 220 V, presente en la vivienda. El motivo del empleo de este tipo de tecnología es el elevado costo, y en muchos casos la imposibilidad, de realizar un nuevo precableado para el sistema domótico. En este caso, los sistemas mayoritariamente adoptados por los instaladores son el sistema europeo CAD de Legrand y el americano X-10 de Home Systems, comercializado en Europa por Niessen. Si se trata de una casa nueva, dependiendo de su tamaño y de los requisitos, los sistemas centralizados comerciales (SCC) son los más apropiados. Las gamas bajas de SCC se suelen aplicar a nuevas viviendas de tamaño pequeño sin grandes requerimientos. Las gamas altas de SCC se emplean en viviendas nuevas de tamaño medio-grande con necesidades más avanzadas. Existe un producto centralizado muy popular entre los instaladores europeos denominado IHC ( Innovation House Control ), que en España ha sido adoptado por la empresa Simon y lo comercializa bajo el nombre de SimonVIS. Tiene la ventaja de tener un coste muy reducido y no requiere ningún tipo de especialización para su instalación. También existen otros sistemas menos populares como Amigo (Merlín Gerin), Microdelta (Delta Dore), Domoconcept, y otros muchos propietarios de diferentes fabricantes. Tipos de sistemas

Sistemas basados en bus

Sistemas Centralizados

Sistemas basados en la red de BT

m2

F igura 4. Diferentes sistemas empleados en instalaciones domóticas en función del tamaño de edificación.

En el caso de un edificio, las necesidades son más complejas que en las de una casa. En este caso, y teniendo en cuenta la cantidad de cableado necesario, son los sistemas en bus los que ganan terreno respecto a los demás, aunque en algunos casos las gamas altas de SCC también se pueden aplicar si la relación cableado/componentes lo permite. Los sistemas tipo bus más instalados a en Europa son el BatiBus de Merlin Gerin y el EIB


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desarrollado por un consorcio europeo que engloba empresas como Siemens, Niessen, ABB, Legrand, Hager, etc. Existe otro sistema también muy popular en Estados Unidos, el Lonworks de Echelon, pero en Europa está poco introducido. Otros sistemas aplicables en este tipo de instalaciones son CEBus de la EIA, EHS de EHSA, Smart House de la NAHB, y en el caso de SCC de gama alta: Sysmac de Omron, B3d de Performer 2000, D2B de Philips, etc. Por tanto, se puede decir que los sistemas más instalados en la actualidad son los americanos, y de entre ellos, los que ellos mismos denominan como “los cuatro grandes”, a saber: CEBus, X-10, Lonworks y Smart House; A nivel europeo, los sistemas más importantes son: EIB, SimonVIS, Batibus y EHS. Cabe destacar que los sistemas Batibus, EIB y EHS se han unido formando un consorcio para conseguir la compatibilidad de productos entre ellos. Este proceso que denominan convergencia (Konnex) aún no está totalmente culminado aunque sí muy avanzado, siendo el sistema EIB el que lidera la iniciativa y el que parece que prevalecerá sobre los otros dos.

3.1 CEBus En Estados Unidos, la EIA ( Electronic Industries Association) reconoció la necesidad de desarrollar un estándar acerca de los sistemas de comunicación de los hogares automatizados. En 1983 se organizó un comité que tuvo como fruto en 1988 un estándar (el Home Automation Standard IS-60) conocido como Consumer Electronic Bus (CEBus). El documento final, después de varias revisiones, estuvo disponible en 1992. Éste cubre tanto las características eléctricas como los procedimientos de los módulos del sistema de comunicación. La arquitectura del CEBus sigue el modelo de referencia OSI ( Open Systems Interconnection), ocupándose cada uno de los niveles de determinadas funciones de la red de comunicación (ver Figura 5). El CEBus sólo utiliza cuatro de los siete niveles: Físico, Enlace, Red y Aplicación. La interfaz entre los diferentes niveles del nodo CEBus está definido como un conjunto de primitivas de servicio, proporcionando cada nivel servicio al inmediatamente superior. Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Modelo OSI

Aplicación

Red Enlace Física Modelo CEBus

. Arquitectura del modelo CEBus, tomando como referencia el modelo OSI (este mismo modelo Fi gura 5 puede aplicarse a la mayoría de los sistemas domóticos distribuidos).

En CEBus se diferencian tres áreas: • •

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El medio físico y la topología. El protocolo de comunicaciones (cómo acceder al medio y construir los mensajes). Asignatura: Comunicaciones Industriales. Profesor: Manuel Jiménez Buendía.


El lenguaje de programación (conjunto de acciones que se pueden efectuar en el sistema). El protocolo y el lenguaje son comunes a todos los elementos CEBus, pero existen 6 medios físicos distintos: •

• • • • • •

Red eléctrica (PL). Par trenzado (TP). Infrarrojo (IR). Radio frecuencia (RF). Coaxial (CX). Fibra óptica (FO).

La elección del medio se realiza en función de parámetros como el ahorro energético, comodidad, facilidad de instalación de los productos CEBus, seguridad, coste y sencillez del sistema. En una instalación pueden coexistir diversos medios. Cada uno de ellos constituiría una subred local ( Local Medium Network ). Las subredes locales se conectan mediante encaminadores (routers). CEBus engloba varios canales de comunicación: uno de control y varios de datos. En el canal de control se intercambian mensajes y órdenes para el control de los dispositivos de la instalación domótica. Los canales de datos se emplean para la transmisión de voz, música, TV, video etc., y se asignan por solicitud mediante el canal de control. Por lo general, la distribución de las distintas señales se realiza de la siguiente manera: Señales de video: mediante dos cables coaxiales, uno para las señales internas y otro para las externas. • Señales de voz/datos: cuatro pares trenzados: TP0-TP3 (TP0 se reserva para la alimentación de 18V dc. • Resto de señales: a través de la red de BT, conectando equipos a enchufes estándar. Se utiliza una técnica de modulación con espectro ampliado de Intellon Corp. La velocidad de transmisión de datos que se consigue es de 10Kbps, y puede ser utilizado tanto en viviendas ya construidas como de nueva construcción. •

Se trata de un estándar muy ambicioso, y en él cooperan tanto Europa como Japón, pero no existen muchos productos comercializados, lo que se debe principalmente a su elevado precio.

3.2 X-10 El formato de codificación X-10 es un estándar usando transmisión de corrientes portadoras ( Power Line Carrier = P.L.C). Se introdujo en 1978 para el Sistema de Control del Hogar de Sears y para los sistemas Plug´n Power de Radio Shack. Desde entonces, X-10 ha desarrollado y manufacturado versiones O.E.M ( Original Equipment Manufacturer ) de su Sistema de Control del Hogar para muchas compañías incluyendo Leviton Manufacturing Co., Stanley Healtth / Zenith Co., Honeywell, Norweb y Busch Jaeger, existiendo en la actualidad más de ocho millones de instalaciones. Todos estos sistemas utilizan el formato de codificación X-10. Todos son compatibles y virtualmente cualquier sistema para el hogar sin cableados utiliza X-10 con módulos PLC. Univ. Politécnica de Cartagena. Departamento de Tecnología Electrónica.

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El sistema X-10 se caracteriza principalmente por: Ser un sistema descentralizado; configurable, no programable. De instalación sencilla (conectar y funcionar). De fácil manejo por el usuario. Compatibilidad casi absoluta con los productos de la misma gama, obviando fabricante y antigüedad. • Flexible y ampliable. La red de la instalación es la base de todo el sistema de corrientes portadoras (X-10). El elemento básico y fundamental de la técnica de corrientes portadoras es el aprovechamiento doble de la instalación eléctrica ya existente, como conductor de energía y de información. Con los componentes X-10 la red, además de suministro de corriente, se encarga también de la transmisión de señales de mando para los diversos aparatos eléctricos. Con ello se puede enviar señales de corrientes portadoras a cualquier punto de la instalación que se desee, y a su vez pueden solicitarse de dicho punto las informaciones pertinentes. • • • •

F igur a 6. Ejemplo de una instalación X10.

El sistema permite el accionamiento a distancia y control remoto de diversos receptores eléctricos, desde uno o desde varios puntos y puede funcionar tanto en redes de corriente alterna monofásica como trifásica.

3.2.1 Principio de funcionamiento del protocolo X-10 Las transmisiones en X-10 están sincronizadas con el paso por cero de la tensión de red, está característica es común a todos los dispositivos X-10 y tiene una doble finalidad: la primera es sincronizar a los transmisores y receptores, ya que la única conexión física que existe entre ellos es la línea de red, la segunda es debida a que el nivel mínimo de interferencias producidas por otros equipos eléctricos se produce cuando la señal de red pasa por cero. Los dispositivos X-10 no distinguen entre el paso por cero cuando la señal va de positivo a negativo o de negativo a positivo; ambos pasos por cero son interpretados de igual modo por el dispositivo.

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Un “1” binario del mensaje se representa por un pulso de 120 Khz durante 1 ms, en el paso por cero de la señal de red, y el “0” binario del mensaje se representa por la ausencia de ese pulso de 120 Khz. Un mensaje completo en X-10 está compuesto por el código de comienzo (1110), seguido por la letra de la casa y por un código de control. El código de control puede ser o una dirección de unidad o un código de comandos, dependiendo de si el mensaje es una dirección o un comando. La Tabla 1 muestran los posibles valores de los códigos de casa y control. (a)

Dirección de casa A B C D E F G H I J K L M N O P

(c)

Código de casa H1 H2 H3 H4 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0

(b)

Códigos de comandos Apagar todas las Unidades Encender Todas las Luces Encender Apagar Atenuar Intensidad Aumentar Intensidad Apagar todas las Luces Código Extendido (3) Petición de Saludo (1) Aceptación de Saludo Atenuación Preestablecida Datos Extendidos (Analógico) (2) Estado = On Estado = Off Petición de Estado

Dirección de Unidad 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Código de control D1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

D2 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1

D4 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0

Código de control

D8 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

Sufijo D16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sufijo

D1

D2

D4

D8

D16

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 1 0 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

(1) La Petición de Saludo se transmite para ver si existen otros transmisores X-10 dentro del rango de escucha. Esto permite al OEM asignar un Código de Casa diferente si se recibe un mensaje de Aceptación de Saludo. (2) El código de Datos Extendidos se sigue de bytes que pueden representar información analógica (después de una conversión A/D). No debe haber separación entre los bytes de datos, ni entre el código de datos extendidos y datos reales. El primer byte se puede utilizar para indicar cuántos bytes de información le seguirán. (3) El Código Extendido es similar a los Datos Extendidos: bytes que siguen a Código Extendido (sin separación entre bytes), pueden representar códigos adicionales. Esto permite al diseñador expandirse más de los 256 códigos actualmente disponibles.

Tabla 1. (a) Valores de códigos de casa. (b) y (c) Códigos de control para unidad y para comandos.


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El principio de codificación X10 permite una activación y respuesta definidas de hasta 256 receptores, puestos de control de aparatos o de grupos de consumidores. Con ello resulta posible el montaje de amplias redes. Cuando se transmite el código de la Tabla 1, se utilizan dos pasos por cero para transmitir cada bit como una pareja de bits complementarios (en otras palabras, un cero se representa por 0-1 y un uno es representado por 1-0 según se muestra en la Figura 7).

Un “1” binario es un pulso… … seguido por la ausencia de pulso

Un “0” binario es la ausencia de pulso … … seguida por un pulso

F igura 7. Codificación de bits en X10 (excepto código de inicio).

El código de comienzo (1110) es el único que no se envía de forma complementaria (Figura 8), y sirve para identificar de manera unívoca el inicio de los paquetes de datos. 2 ciclos

3 pulsos

… seguidos por la ausencia de pulso

F igura 8. Código de comienzo (1110).

Un bloque completo de datos o paquete de información se compone de código de comienzo, código de la letra, código de control y sufijo. Código de inicio + dir. de casa + código de control + sufijo F igura 9. Paquete de datos X10.

Debido a las características del medio de transmisión utilizado se transmite dos veces cada uno de estos bloques de información para que conseguir una mayor fiabilidad. Además, cada par de bloques de información debe estar precedido por seis pasos por cero (tres ciclos de red). Este tiempo de espera es necesario para que el receptor procese los datos de dirección recibidos. Una vez que el receptor ha procesado sus datos de dirección, está listo para recibir una orden de comando. Al igual que se había hecho al enviar la dirección, el bloque de datos del comando debe empezar por el código de comienzo, seguido del código de la letra y el código de control, finalmente irá el sufijo, teniendo que ser en este caso igual a 1 para que el código de control sea interpretado como un comando y no como una dirección por el receptor.

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En la Figura 10 se muestran los ciclos totales que necesita un transmisor para realizar una transmisión completa.

Pausa Código de inicio Dir de casa Código de comando

Dir de unidad Dir de casa Código de inicio

F igura 10. Ciclos para transmisión completa en X10.

Cada once ciclos de red se transmite un bloque de datos , y una transmisión estándar X10 normal necesita 47 ciclos de la señal de red . A una frecuencia de 50 Hz esto supone un tiempo igual a 0,94 segundos en transmitir una orden completa. Hay excepciones ha esta regla. Por ejemplo, el código de Aumentar Intensidad ( Bright ) y Atenuar intensidad ( Dim) no requiere los tres ciclos de espera entre comandos consecutivos Dim o comandos consecutivos Bright . Sin embargo si son necesarios los tres ciclos de espera entre códigos diferentes (p.e. entre Atenuar y Aumentar, o entre Encender y Atenuar, etc.).

Ejemplo: Para “Encender” un modulo X-10 configurado con el código casa A, unidad 2, el transmisor deberá enviar la siguientes cadenas de datos por la línea de red: 1. Primero, envía la dirección dos veces: 1110 Código Comienzo

000000

01101001

10101001

01

Casa A

Unidad 2

Sufijo

6 pasos por cero de silencio

1110 Código Comienzo

01101001

10101001

01

Casa A

Unidad 2

Sufijo

2. Después se produce una espera de tres ciclos de red (seis pasos por cero)

3. A continuación se envía el comando dos veces: 1110 Código Comienzo

000000

01101001

Casa A 6 pasos por cero de silencio

01011001

10

Encender

Sufijo

1110 Código Comienzo

01101001

Casa A

01011001

10

Encender

Sufijo

4. Finalmente, se esperan tres ciclos de red antes de enviar el próximo bloque:


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Tema docente

3.2.2 Consideraciones de instalación Montaje en sistemas trifásicos. Para poder llegar, en las redes de corriente trifásica, a todos los aparatos distribuidos por las diferentes fases, se emiten los paquetes de impulsos tres veces, cada impulso desplazado frente al impulso anterior por la amplitud del desplazamiento de fases (Figura 11), las unidades deben conectarse al sistema trifásico por medio de un acoplador de fases (Figura 12).

F igura 11. Temporización de la codificación en sistemas trifásicos.

Interferencias en la línea eléctrica. La transmisión de señales de pulsos a alta frecuencia a través de la red eléctrica puede verse afectada por interferencias. Las fuentes típicas que producen interferencias son aparatos eléctricos como TV, VCR, equipos de sonido, computadoras, monitores, transformadores e incluso los cables preparados con filtros tienen la tendencia de depositar ruido eléctrico sobre los cables de la red. Muchos de los nuevos aparatos electrónicos que se emplean en el ámbito doméstico incluyen circuitos para minimizar los ruidos eléctricos que generan. R

S

T

N Contador Protección general

F1

Filtro Acoplador de fases Lin

Kwh

L out

K

N

Lin

L out K

N

Lin

Con señal X-10

Lout

N

K

N

Sin señal X-10

F igura 12. Filtro + acoplador trifásico X10.

Estas fuentes de ruido sobre la red eléctrica pueden ocasionar atenuación o bloqueo de las señales transmitidas o recibidas en los dispositivos X-10. Un efecto típico del ruido eléctrico es el encendido aleatorio de los módulos receptores o el tener un transmisor y 14



un receptor cercanos y aun así no tener suficiente señal debido al ruido eléctrico. El aparato eléctrico que está generando dicho ruido no tiene necesariamente que estar encendido, tal es el caso de elementos como ordenadores o aparatos de TV, que siguen encendidos en “ stand by” cuando se apagan. Todos estos problemas se solucionan con la utilización de filtros que atenúan las señales de frecuencia diferente a 120 Khz. En la Figura 12 se muestra la instalación de uno de estos dispositivos que además sirve como acoplador de fase en sistemas trifásicos.

Amplificación. Cuando las distancias son largas y/o la atenuación de las señales X10 elevada en una instalación, se pueden emplear elementos amplificadores de señal. Estos dispositivos trabajan de la siguiente forma: el amplificador vigila el circuito de señales en todas las fases en busca de señales. Tras el envío de un datagrama de dirección, éste se repite, amplificado a las tres fases, exactamente en el momento de la repetición de la señal original. Lo mismo ocurre con los datagramas de funciones, en los cuales se amplifican exclusivamente las órdenes de conexión, desconexión o conmutación. En la Figura 13 se aprecia el funcionamiento de la amplificación. El datagrama es escuchado por el amplificador y se emite, ya amplificado, en el mismo momento de la repetición de dicho datagrama, a las tres fases inmediatamente después del paso por cero por cada fase. Gracias a la conexión del amplificador y al funcionamiento del mismo, puede prescindirse del acoplador de fases. En cada circuito de señales sólo puede instalarse un amplificador.

F igura 13. Proceso de Amplificación en un circuito X-10.

3.2.3 Dispositivos X-10 Existen tres tipos de dispositivos X-10: los que sólo pueden transmitir órdenes, los que solo recibirlas y los que pueden enviar y recibir estas. A continuación se incluyen algunos de ellos a modo de ejemplo:


15

Tema docente

Transmisores. Un transmisor es capaz de enviar información hasta 256 dispositivos sobre el cableado eléctrico. Múltiples transmisores pueden enviar señales al mismo modulo.

Receptores. Los receptores vienen dotados de dos pequeños conmutadores giratorios, uno con 16 letras y el otro con 16 números, que permiten asignar una dirección de las 256 posibles. En una misma instalación puede haber varios receptores configura con la misma dirección, todos realizarán la función preasignada cuando un transmisor envíe una trama con esa dirección. Cualquier dispositivo receptor puede recibir órdenes de diferentes transmisores. Bidireccionales. Tienen la capacidad de responder y confirmar la correcta realización de una orden, lo cual puede ser muy útil cuando el sistema X-10 está conectado a un programa de ordenador que muestra los estados en que se encuentra la instalación domótica de la vivienda.

Inalámbricos. Permiten conectarse a través de una antena y enviar señales de radio desde una unidad inalámbrica e inyectar la señal X-10 en el cableado eléctrico. Estas unidades no están habilitadas para controlar directamente a un receptor X-10, debe utilizarse un módulo transceptor.

Además de estos dispositivos, que son los más utilizados, existen una serie de accesorios y componentes que ayudan a solucionar problemas en las instalaciones, entre los que podemos destacar los siguientes: Acoplador / Repetidor - X10. Asegura la calidad de la señal X10 cuando la distancia entre controlador y modulo receptores es demasiado larga y la señal sufre de atenuación. Además de amplificar la señal, la transmite en las tres fases por lo que serviría de acoplador en sistemas complejos no monofásicos.

Filtro Acoplador / Fases Carril DIN. Este modulo X10 RAIL-DIN tiene muchas funciones. Impide a las señales X10 sobre corriente portadora salir de la vivienda y ocasionar perturbaciones en otra instalación. Suprime las interferencias que vienen del exterior, como las parasitarias, ordenes X10 de otra instalación vecina; Además acopla las tres fases, en el caso de una instalación de corriente trifásica. Programador / Verificador. Es capaz de transmitir y recibir cada uno de los comandos, además de los comandos extendidos X10. Es una herramienta básica para instaladores de dispositivos X10: permite conocer niveles de ruido, niveles de señal, y otras. Tiene modos automáticos de transmisión y permite registrar actividad en la línea durante periodos de 24 horas. Permite la emisión de la señal en incrementos de nivel de 33,3mV.

16



3.3 LonWorks Echelon surgió como una iniciativa de Mike Markkula (exdirectivo de Fairchild Semiconductor, Intel y Apple), que en 1990 desarrolló LonWorks. Inicialmente se pretendía ocupar el espacio dejado por X-10, pero actualmente el ámbito de aplicación de este sistema abarca desde industrias, edificios, viviendas y automóviles hasta cualquier otro pequeño dispositivo susceptible de ser controlado. El protocolo de comunicación empleado, LonTalk , es un protocolo de comunicaciones basado en el modelo de referencia OSI de ISO. Este protocolo ( LonTalk ) es abierto (previo pago de tasas). Los componentes básicos de una red LonWorks son dos: •

Neuronas. Son unos circuitos integrados que contienen dispositivos de entrada/salida, tres microprocesadores y memoria en la que reside el sistema operativo.

•

Transceptores. Son dispositivos emisores-receptores que se encargan de conectar las neuronas con el medio de transmisión.

Existe también un sistema de desarrollo, LonBuilder , que consiste en un software y dos emuladores de neuronas que pueden comunicarse entre sí. Las neuronas (‘neuron chips’), fabricadas por Toshiba y Motorola, constituyen el nodo básico de las redes de control. Mediante los transceptores se consigue que el protocolo de comunicación sea totalmente independiente del medio utilizado (IR, PL, TP, etc.), y con la herramienta LonBuilder se pueden desarrollar aplicaciones orientadas a redes. Los medios de transmisión disponibles son cinco: Par trenzado (categoría IV) de cinco hilos: dos de datos, dos de alimentación y uno de tierra. • Fibra óptica. • Línea de baja tensión. • Radiofrecuencia. • Cable coaxial. El protocolo de ese sistema implementa todos los niveles del modelo de referencia OSI, como se ilustra en la Tabla 2. •

Nivel

1. Físico 2. Enlace 3. Red 4. Transporte

5. Sesión 6 y 7. Presentación/ Aplicación

Car acterísti cas pri nci pales

Puede utilizar: PL, TP, IR, RF, CX y/o FO CSMA/CA (con prioridad opcional) y CSMA/CD La codificación es Manchester diferencial Emisión de ACK y UNACK. Transmisión “mono“, “multi-“ y difusión. Servicios de direccionamiento, etc. Servicios de mensajeshacia el exterior, desde el exterior, detección de duplicidades, posibilidad de autenticación, etc. Servicio de transportes tanto “mono-“ como difusión; repetición si UNACK, etc. Pregunta - respuesta Propagación de variables de redes, mensajes genéricos de paso, mensajes de gestión de la red, mensajes de diagnósticos de la red, transmisión de tramas externas, etc.

Tabl a 2. Pr otocolos im plementados en L onwor ks y equi valente OSI.


17

Tema docente

En cuanto a la topología del cableado de la red, existe versatilidad para emplear cualquiera de las existentes (Figura 14).

C1

Bus +

R 1 C2

C1 y C2 100 mF, >50V +w R 1 1% y de 1/8

Libre

Anillo

F igura 14. Topologías utilizables en Lonworks.

La topología en bus requiere de dos elementos de terminación en ambos extremos para su buen funcionamiento. En este caso R 105Ω. Se suele utilizar en aplicaciones industriales con fibra óptica o par trenzado. Las topología libre y en anillo tan sólo necesitan de una terminación que se puede colocar en cualquier lugar con R 52,3Ω. 1

1

En la Tabla 3 se resumen las características de transmisión sobre par trenzado en función de la topología. L ongi tud del bus

130 m. 2700 m. 500 m.

Velocidad de tr ansmisión

Bus con terminación doble 1.25 Mbps 78 kbps

Topología libre 78 kbps

# nodos

64 64 128

Tabla 3. Características de la transmisión sobre par trenzado.

El direccionamiento se divide en tres subniveles establecidos jerárquicamente:

18

•

Nivel de dominio: Forma una red virtual. Consiste en un conjunto de nodos localizados en uno ó más canales. La dirección de un dominio no puede ocupar más de 6 bytes.

•

Nivel de subred : Abarca hasta 127 nodos dentro de un dominio. Puede haber un máximo de 255 subredes dentro de un dominio.

•

Nivel de nodo: se pueden agrupar hasta 63 nodos. No puede haber más de 256 grupos en un dominio. Un nodo puede pertenecer como máximo a 2 dominios. Cada nodo tiene una dirección de subred y una dirección de nodo para cada dominio al que pertenezca. Asimismo, un nodo puede pertenecer a 15 grupos como máximo en cualquier dominio en el que esté.



Router

Router

Canal 4

Canal 3 Grupo 4

Grupo 3

Router

Canal 2

Canal 1

Puente

Esos nodos pertenecen a la subred 1 Esos nodos pertenecen a la subred 2 Esos nodos pertenecen a la subred 3 Esos nodos pertenecen a la subred 4 Esos nodos pertenecen a la subred 5 F igura 15. Dominio LonTalk.

Notas: Un canal es la unión física de distintos nodos. Un grupo es la unión lógica de distintos nodos. Una única red puede abarcar distintos canales mediante puentes. Un canal puede transportar paquetes de distintas subredes. Un canal puede estar formado por nodos que pertenezcan a distintas subredes. Un grupo puede estar formado por miembros de distintas subredes y canales. Es decir, un grupo no depende de la topología ni del medio físico que se emplee. El formato de las tramas es el mostrado en la Figura 16, con los siguientes campos: un campo de control, la dirección de nodo, la dirección de dominio, los datos de usuario y un campo de CRC (código de redundancia cíclica). El tamaño máximo del campo de datos es de 228 bytes.

Sincroniz. -Bit

Campo de control

Campo de dirección

Sincroniz. -Byte

Campo de datos

Campo de CRC

Cabecera de datos

F igura 16. Formato de la tramas LonWorks.


19

Tema docente

El proceso de instalación de una red Lonwork se realizaría en tres fases: Direccionamiento. Cada nodo tiene un identificador ( ID number ) de 48 bits que viene de fábrica. Se conecta un ordenador personal con el software de control de la red a través del puerto serie, y con él se obtiene este identificador mediante la pulsación del botón de servicio del nodo. Una vez configurado este número, el programa le proporciona una nueva dirección de red (dominio + subred + nodo), que queda almacenada en su memoria RAM. Establecimiento lógico de relación entre nodos. Con este proceso se asigna a cada nodo la dirección o direcciones a las que va a mandar sus mensajes. Configuración de cada uno de los nodos, con lo que se completa la instalación lógica de éstos. Cada nodo suele tener un conjunto de parámetros que han de ser configurados por el instalador, como por ejemplo, velocidad de la transmisión, márgenes de alarma, etc. En la Figura 17 se muestra un esquema de conexionado típico de una instalación Lonworks.

F igur a 17. Diagrama de una instalación LonWork (fuente: Echelon).

3.4 EHS A finales de los 80 la comisión europea propició el desarrollo de un par de proyectos SPRIT (el Home System 2341 y el Integrated Interactive Home Project ), de los que surgiría la European Home System Association (EHSA) en 1990, de la que inicialmente formaban parte compañías como ABB, BT, Legrand, Philips, Siemens, Thomson y Thorn EMI.

20



Los objetivos de esta asociación fueron: • • •

Posibilidad de interoperación entre los distintos equipos de diferentes fabricantes. Fácil instalación y reconfiguración por parte del usuario. Posibilidad de integración de todos los dispositivos y medios disponibles en una vivienda convencional.

El bus EHS surgió como un sistema abierto, consecuencia de esta iniciativa, con control y gestión distribuida, y preparado para su uso en distintos medios simultáneamente. Sigue el modelo de referencia OSI, implementando únicamente las capas física, de enlace, de red y de aplicación (Figura 18). Los medios físicos que se pueden emplear son: red eléctrica (PL), par trenzado de clases 1 y 2 (TP1 y TP2), cable coaxial, radio frecuencia e infrarrojos (ver Tabla 4). Todos los medios pueden distribuir señales de clase 1 (señales de control), algunos distribuyen además señales de clase 2 (voz/datos baja velocidad) e incluso señales de clase 3 (audio/video/datos alta velocidad). Aplicación de Usuario Gestión de la Red Capa de Aplicación

Capa de Red LLC MAC

Capa de Enlace

PL TP0 TP1/ TP2 IR RF 2400 4800 COAX 64000 1200 1100 9600

F igur a 18. Capas del modelo OSI implementadas en EHS.

Algunos medio también pueden distribuir la alimentación de los dispositivos. Tipo de medio Uso

TP1

TP2

CX

Propósito general Control

Telefonía, RDSI Datos y/o control 64 kbps

AV, TV Datos y/o control 9,6 kbps

9,6 kbps Velocidad CSMA/CA CSMA/CD CSMA/CA Protocolo 35 V. 35 V. 15 V. Alimentación Can ales de información Velocidad Codificación

Topol ogí a Nºun idades Rango

PL

RF

IR

Telefonía Control

Control

2,4 kbps

1,2 kbps

Control remoto 1,1 kbps

CSMA/ack

CT2

-

230 V ac

-

-

-

14

Muchos

-

40

-

Libre

64 Kbps TDM Bus

Analógica FDM Bus

Libre

32 Kbps FDM Libre

Libre

128

40

128

256

256

256

500 m.

300 m.

150/50 m.

Casa

50-200 m.

Habitación

Tabla 4. Características de los diferentes medios de transmisión en EHS.


21

Tema docente

El esquema de comunicación de los distintos elementos en EHS es el mostrado en la Figura 19. En EHS se pueden implementar tantas aplicaciones como dispositivos y funcionalidades se encuentren en un hogar. Cada dispositivo está asociado a una determinada área de aplicación, dentro de la cual el elemento es un objeto. Para definir cada objeto se utilizan dos bytes, uno para el área ( application area), y otro para el dispositivo (device descriptor ). Existen diversas áreas de aplicación : telecomunicaciones, audio/video, electrodomésticos, calefacción, iluminación, etc.

Dispositivo complejo

Controlador de prestaciones

Dispositivo complejo

Coordinador

Dispositivo simple

Dispositivo simple

F igura 19. Esquema de comunicación entre elementos EHS.

Los dispositivos EHS pueden ser de seis tipos: Dispositivos simples (SD: simple devices). Tienen funcionalidad autónoma propia, pero no son capaces de gestionar autónomamente la integración en un sistema (p.e. actuadores on/off, etc.). Dispositivos complejos (CoD: complex devices). Son como los anteriores pero sí tienen capacidad para integrarse autónomamente al sistema. Encaminadores (routers). Permiten la interconexión de distintos medios en EHS. Pasarelas (Gateways). Integran distintos sistemas. Coordinador de dispositivos (DC: device coordinator ). Sirven de pasarela entre los dispositivos simples y los controladores de prestaciones (FC). No tienen funcionalidad autónoma propia, pero son capaces de gestionar de modo autónomo la integración en un sistema de dispositivos simples. Controlador de prestaciones (FC: feature controller ). Utilizan las prestaciones de los dispositivos simples (a través de los coordinadores) y complejos. Proporcionan inteligencia a la aplicación en el sentido de control, monitorización, toma de decisiones, etc.

22



Una red EHS puede estar formada por distintas subredes EHS, e incluso por redes distintas a EHS, en cuyo caso se emplean pasarelas (Figura 20).

F igura 20. Integración de distintas subredes en una red EHS.

En EHS cada dispositivo recibe el nombre de unidad. Cada unidad conectada a una subred tiene su propia dirección de subred. Una dirección de unidad se compone de la dirección de subred de la unidad destinataria, el número de rutas y las direcciones de los distintos encaminadotes para alcanzar la subred de destino. La dirección del dispositivo A vista desde B está formada por la dirección destinataria y la dirección de la ruta para alcanzar esta unidad (Figura 21): 2A

A

1

5F

PL 7 bytes para ruta

2A ROUTER RF 5F

1ª dirección de router de subred Nº de routers intermedios Dirección de subred de destino

B F igura 21. Direccionamiento de subredes.

La dirección de subred se puede definir en el nivel de aplicación bien mediante miniinterruptores existentes en cada dispositivo, o bien mediante un procedimiento de registro. El procedimiento de registro es una función de EHS que permite la asignación dinámica de direcciones. Por ejemplo, si dos unidades de dos subredes de pares trenzados tienen la misma dirección, al mover una de las unidades a la otra subred, habría un problema, que se soluciona con el procedimiento de registro (registration procedure). Este procedimiento tiene lugar en el momento de la instalación (registro de categoría I) o cada vez que el sistema se pone en funcionamiento (registro de categoría II). Mediante este procedimiento, cada unidad nueva conectada a la red ‘negocia’ su dirección a través de una unidad denominada Controlador de Medios (MdC), que es la responsable de la asignación de direcciones en cada subred. La unidad MdC es opcional, ya que sus tareas pueden ser realizadas por un controlador de prestaciones (FC). Univ. Politécnica de Cartagena. Departamento de Tecnología Electrónica.

23

Tema docente

Cuando no hay un MdC en la subred, el registro se hace mediante un mecanismo de asignación distribuida de direcciones (DAA). Las acciones llevadas a cabo en este registro son: La unidad elige una dirección de modo aleatorio y manda un mensaje a esa dirección. • Si no recibe respuesta, la unidad mantiene esa dirección. • Si hay respuesta, la unidad elige una nueva dirección y repite el proceso hasta que obtenga una dirección propia. Para la cooperación de las diferentes unidades dentro de una aplicación deben crearse una serie de vínculos entre ellas. Esto es lo que se conoce como procedimiento de enrolado . Este procedimiento requiere que las unidades intercambien sus direcciones, y es esencial para el funcionamiento autónomo del sistema, ya que permite a las unidades detectar la presencia de las demás. El enrolado comienza al encender una unidad, una vez completado el registro, y se realiza llevando a cabo las siguientes acciones: •

Un FC difunde su petición de descriptores de dispositivo (DD) a todos los DoC. Este mensaje utiliza una dirección de grupo predeterminada para alcanzar a todos los CoD’s. • Los CoD reciben el mensaje junto con información adicional que les permite conocer la dirección de su FC. Los CoD’s envían entonces su DD al FC, usando su propia dirección. • El FC recibe los DD de los distintos CoD’s junto con sus direcciones. Si el FC estuviera interesado en un CoD concreto, enviaría su mensaje de enrolado positivo al CoD en cuestión. • El FC y el CoD quedan ya enrolados y cada uno almacena la dirección individual del otro dispositivo. La estructura de la trama EHS se compone de los siguientes campos: •

• • • • • • •

Preámbulo (en PL) para sincronización del envío de datos entre los dispositivos emisor y receptor. Cabecera, que marca el inicio de los datos y permite reconocer una trama EHS. La dirección de vivienda permite discriminar si una trama viene de otra casa. Código de prioridad para definir el nivel de prioridad del mensaje. Direcciones de los dispositivos de origen y destino. Datos, con los datos de útiles del mensaje (información de la acción de control a realizar o datos a transferir). Campo de corrección de errores, en el que se utilizan 2 bytes para garantizar la fiabilidad de la comunicación. De esta forma, cada byte real se convierte en 14 bits.

Preámbulo

Cabecera

Dirección Vivienda

Control de Enlace

Código de Prioridad

Dirección Origen

Dirección Destino

Datos

FCS

2

2

2

1

1

2

2

n

2

F igura 22. Estructura de las tramas EHS

24



4 Estudio del sistema distribuido EIB 4.1 Introducción El EIB surgió con la idea de introducir en el mercado un sistema unificado para la gestión de edificios, creado por el consorcio europeo EIBA ( European Installation Bus Association), creado en 1990 por más de setenta compañías (ABB, Siemens, ...). En la actualidad la asociación tiene más de cien miembros, existiendo unas veinte empresas que suministran productos, siendo las más importantes Siemens, ABB, Temper, Grasslin y Niessen. También existen miembros científicos que colaboran en el desarrollo de actividades de I+D, especialmente universidades y centros de investigación. Las funciones de la asociación son básicamente el soporte para la preparación de normas unificadas y la definición de los tests y requisitos de homologación que garanticen la calidad y compatibilidad de los productos. Se trata, además, de un sistema abierto bajo las mismas premisas que otros sistemas de comunicación como los buses de campo abiertos: tanto las especificaciones del protocolo como los procedimientos de verificación y certificación están disponibles, así como los componentes críticos del sistema (microprocesadores específicos con la pila del protocolo y electrónica de acoplamiento al bus). Existen tres posibles medios físicos para la interconexión de dispositivos: cable de par trenzado, red eléctrica de baja tensión y está previsto el desarrollo de dispositivos por radio-frecuencia. La diferencia entre los dispositivos de los tres tipos radica en la electrónica de acceso al medio, siendo el resto del protocolo de comunicaciones común a todos ellos. La instalación sobre red eléctrica de baja tensión, que funciona por corrientes portadoras de manera similar a otros sistemas, como X10, se reserva a viviendas o edificios ya construidos, donde la instalación de nuevo cableado sería muy costosa. No obstante, este tipo de medio es muy poco empleado por mayor coste y menor fiabilidad. Al igual que otros sistemas domóticos, EIB permite la integración de las funciones básicas requeridas en viviendas y edificios: § Gestión de la energía, para la optimización del consumo eléctrico y en climatización (modos de tarificación nocturna, prevención de situaciones de consumo innecesario, como corte de la calefacción con las ventanas abiertas, etc.). § Seguridad, tanto en lo referente a la seguridad de las personas (alarmas de incendio, inundación, humos, etc.), como protección contra robos (simulación de presencia, detección de intrusos, …). § Confort. El empleo de un sistema integrado de comunicaciones permite disponer de comodidades como el control por mando a distancia, programación de escenas y automatización de tareas como las subida/bajada de persianas. § Comunicación. Es posible la conexión con el sistema a distancia, de forma que se pueda modificar y conocer el estado de funcionamiento de la instalación. En este campo está produciéndose una verdadera revolución en los últimos años, y muchos de los fabricantes de dispositivos están comercializando componentes que permite el control mediante las últimas tecnologías, entre ellas el control por Internet y mediante teléfonos móviles (SMS y WAP).


25

Tema docente

Además, EIB presenta las ventajas inherentes a este tipo de sistemas frente a las instalaciones tradicionales: §

Reducción del cableado y los costes asociados a la instalación.

§

Integración de diferentes funciones en un solo sistema. Flexibilidad para ampliaciones y modificaciones futuras. Es posible reprogramar el funcionamiento de la instalación conectando un ordenador al sistema o incluso a distancia mediante un enlace telefónico o a través de Internet.

§

Control de ventanas

Función de alarma Control de persianas / oldos

Gestión de electrodomésticos

Detecci n de movimiento en habitaciones Ventilaci n de habitaciones Control de iluminación Simulación de presencia Regulaci n individual por habitación

Control de calefacción / aire acondicionado

Control de puertas Registro de incidencias

F igur a 23. Ejemplo de integración de funciones con EIB en una vivienda.(Fuente: EIBA).

4.2 Tecnología El EIB ( European Installation Bus) es un sistema descentralizado (no requiere de un controlador central de la instalación), en el que todos los dispositivos que se conectan al bus de comunicación de dato tienen su propio microprocesador y electrónica de acceso al medio. En una red EIB podemos encontrar básicamente cuatro tipos de componentes: módulos de alimentación de la red, acopladores de línea para interconectar diferentes segmentos de red, y elementos sensores y actuadores. Los sensores son los responsables de detectar cambios de actividad en el sistema (operación de un interruptor, movimientos, cambio de luminosidad, temperatura, humedad, etc.), y ante éstos, transmitir mensajes (denominados telegramas) a los actuadores, que se encargan de ejecutar los comandos adecuados. Los sensores funcionarán por tanto como entradas al sistema, y los actuadores como salidas para la activación y regulación de cargas. En la versión de par trenzado, la línea de bus, que sirve como soporte para la transmisión de datos, llega a todos los dispositivos, pero la red eléctrica sólo se conectará a los elementos actuadores para el control de las cargas (iluminación, motores de persianas, etc.).

26



Las instalaciones de tipo EIB pueden abarcar más de 14.000 de estos dispositivos, por lo que son aplicables a edificaciones desde viviendas unifamiliares a a grandes edificios (hospitales, hoteles, etc.).

F igura 24. Esquema general de una instalación EIB.

4.2.1 Superposición de datos / alimentación Los datos se transmiten como una tensión alterna superpuesta sobre la alimentación en corriente continua del bus, empleando para ello únicamente dos hilos. Para ello es necesario, por una parte, aislar la fuente de alimentación de los datos, para que ésta no suponga una carga sobre ellos, y por otra, desacoplar los datos de la componente de alimentación continua en cada dispositivo. Los dispositivos conectados al bus (Figura 25) disponen de un transformador para separar la componente continua de alimentación, de la componente alterna que representa los datos. En el primario, la componente inductiva (X L=2·p·f·L) resulta muy baja para la componente continua (V dc), y la componente capacitiva X C es muy alta, por lo que en C tenemos la tensión de alimentación continua. Para la tensión alterna de datos (V ac), de alta frecuencia, la X L presenta un valor importante, y la X C es muy baja, por lo que los datos resultan filtrados, eliminándolos de la tensión de alimentación del módulo.

Bus Vdc

datos

Electrónica de acoplamiento al bus ( µC)

Interfaz de aplicación

F igura 25. Descoplo de alimentación / datos.

Cuando un dispositivo envía datos, la electrónica de acoplamiento los emplea para excitar el secundario del transformador, de modo que se inducen al primario y se superponen a la tensión continua de alimentación V dc.


27

Tema docente

Para la recepción, los datos representan la corriente alterna en el primario, que se inducen al secundario y son así separados de la tensión continua. Cada línea tiene su propia fuente de alimentación que suministra la tensión a todos los dispositivos conectados (Figura 26). La fuente dispone de control integrado de corriente y tensión y salva microcortes de hasta 100 µs. La tensión nominal de alimentación es de 29V, y cada dispositivo requiere un mínimo de 21V para mantenerse en zona de operación segura (SOA), y supone una carga típica de 150mW en el bus (en caso de carga adicional, hasta 200mW). De este modo se aseguran unos márgenes de tensión y consumo que garanticen un funcionamiento adecuado incluso utilizando el máximo número de dispositivos posible en la instalación.

230 V 50/60 Hz 29 Vdc 640 mA 100ms PS+ BusBusPS-

O R T L I F

r o d a l p o c A

Vdc ≥ 21 V

Vdc ≥ 21 V

(150mW)

(150mW)

Línea del Bus

Carril DIN con datos/alimentación

F igu r a 26. Conexión de ali mentación y disposit ivos al bus.

La conexión de la fuente de alimentación al bus se realiza a través de una bobina de filtro, de modo que la etapa de filtrado de alimentación suponga una carga despreciable sobre la componente de datos y no los interfiera (la bobina tiene una X L˜ 0 en continua, y una XL elevada para la componente de alterna que representa los datos).

4.2.2 Características de la transmisión El medio físico empleado en la red es un cable de par trenzado (simétrico, de sección 0.8 mm2 e impedancia característica Z 0=72O). Los datos se transmiten en modo simétrico sobre este par de conductores (no se ponen a tierra). El empleo de transmisión diferencial, junto con la simetría de los conductores, garantiza que el ruido afectará por igual a los conductores, de modo que la diferencia de tensiones permanece invariante (Figura 27). Esta es una técnica empleada en la mayoría de las redes de comunicación de datos. La inmunidad al ruido mejora por la baja resistencia del enlace de los dispositivos mediante acoplamiento aislado (transformador). La transmisión de datos se realiza en modo asíncrono, a una velocidad de 9600bps. Los datos se codifican en modo simétrico, como se ha descrito, correspondiendo a un 1 lógico la ausencia de impulso, y a un 0 lógico la presencia de un impulso simétrico. Así, los 0’s representan un impulso negativo-positivo de -5V a +5V (Figura 28). Para conseguir la simetría en la transmisión, cada dispositivo produce tan solo la onda negativa por absorción de corriente del bus, y es la bobina de acoplamiento de la fuente de alimentación conectada a esa línea la que genera una fuerza contraelectromotriz 28



responsable de la generación de la semionda positiva. Por ello la onda real obtenida no es perfectamente simétrica (Figura 28), aunque sí muy aproximada.

Bus + Bus Disp. EIB

Disp. EIB

Señal de Datos

Ruido radiado

F igura 27. Detalle de transmisión simétrica y cancelación del ruido en la transmisión.

Por esta razón, existen limitaciones en cuanto a la distancia máxima entre un componente y la fuente de alimentación del bus, que interviene de modo pasivo en la codificación de los datos. Señal teórica

+5V 1 Estado lógico Impulso

0

1

t t t

-5V 104 µs (9600 bps)

t

Señal real F igura 28. Generación de corriente portadora sobre tensión de alimentación.

4.3 Topología Para el conexionado de dispositivos del bus en cada línea se permite cualquier topología: árbol, estrella, bus o anillo, lo que facilita la instalación en viviendas y edificios (Figura 29). Únicamente no se permite cerrar anillos entre líneas situadas topológicamente en diferentes subredes. La topología de conexión de dispositivos contempla tres niveles de conexionado: La línea es la unidad mínima de instalación. En ella se pueden conectar hasta 64 dispositivos (dependiendo de la capacidad de la fuente de alimentación y de la carga máxima producida por los dispositivos existentes).


29

Tema docente

Bus Estrella

Árbol F igura 29. Posibilidades de conexionado en las líneas del bus.

Si se desean conectar más componentes al bus, se habrá de instalar una nueva línea, que se acoplará, junto con la primera, a una línea principal mediante acopladores de línea. Se pueden acoplar hasta 15 líneas en la línea principal, constituyendo un área. De este modo, en un área se pueden conectar hasta 960 dispositivos. Cada línea, tanto la principal como las secundarias, deben tener su propia fuente de alimentación. Además, la línea principal puede tener conectados directamente hasta 64 dispositivos (incluyendo los acopladores de línea). F.A.

Línea Principal AL14

AL01

AL15

F.A.

F.A.

F.A. Disp. 1

Disp. 1 1 a e n í

Disp. 2

L

Disp. 64

4 1 a e n í L

Disp. 2

Disp. 1 5 1 a e n í

Disp. 2

L

Disp. 64

Disp. 64

F igur a 30. Configuración de un Área.

Cabe la posibilidad de unir hasta un total de 15 áreas distintas mediante los denominados Acopladores de Área para constituir el sistema completo (Figura 31), que permitiría integrar hasta un máximo de 14.400 dispositivos.

30



Línea de reas

ÁREA 15

AA 15

ÁREA 2

AA 1

REA 1

AA 1

F.A. Línea Principal F.A.

AL 1

F.A.

AL14

Disp. 2

L

4 1 a e n í

Disp. 2

L

Disp. 64

AL14

Disp. 1

Disp. 1 1 a e n í

F.A.

Disp. 1 5 1 a e n í

Disp. 2

L

Disp. 64

Disp. 64

F igura 31. Interconexión de áreas (sistema completo EIB).

4.4 Direccionamiento Los diferentes elementos existentes en una instalación EIB quedan perfectamente identificados gracias al sistema de direccionamiento. Existen dos tipos de direcciones: direcciones físicas y direcciones de grupo. 4.4.1 Direcciones físicas Las direcciones físicas identifican unívocamente cada dispositivo y corresponden con su localización en la topología global del sistema (área – línea secundaria – dispositivo). La dirección física consta de tres campos, que se representan separados por puntos: •

Área (4 bits). Identifica una de las 15 áreas. A=0 corresponde a la dirección de la línea de áreas del sistema.

•

Línea (4 bits). Identifica cada una de las 15 líneas en cada área. L=0 se reserva para identificar a la línea principal dentro del área.

Dispositivo (8 bits). Identifica cada uno de los posibles dispositivos dentro de una línea. D=0 se reserva para el acoplador de línea. En la Figura 32 se muestra un ejemplo de direcciones físicas asignadas a los dispositivos de un sistema EIB: En la línea de áreas se conectan hasta 15 acopladores de área (AA), cuyas direcciones irán desde 1.0.0 hasta 15.0.0. Esta línea puede tener conectados dispositivos normales (direcciones 0.0.>0). •

Cada área tiene una línea principal, con su fuente de alimentación, a la que se conectan los acopladores de línea (AL), con direcciones 1.1.0 a 15.0.0, y a cada línea secundaria conectada a un acoplador de línea pueden conectarse hasta 64 dispositivos.


31

Tema docente

F.A.

Disp. 1

Disp. 1 1.0.>0

F.A.

AA1

Línea de áreas

1.0.0

AA15

15.0.0

Línea Principal (área 1) Línea Principal (área 15)

AL01

1.1.0

AL15

F.A.

1 a e n í

1.15.0

F.A.

Disp. 1

1.1.1

Disp. 2

1.1.2

L

5 1 a e n í

Disp. 1

1.15.1

Disp. 2

1.15.2

Disp. 64

1.15.6

L

Disp. 64

1.1.64

F igu r a 32. Ej empl o de dir eccionam iento f ísico.

Para la interconexión de diferentes líneas y diferentes áreas se emplea la unidad de acoplamiento. Este elemento es el mismo para los diferentes tipos de conexión, y dependiendo de la dirección física que se le asigne actuará como acoplador de línea, acoplador de área, o incluso repetidor dentro de una misma línea. En el caso del acoplador de línea o de área, la unidad de acoplamiento actúa como encaminador (router ), y mantiene una tabla interna de direcciones de las subredes que conecta para aislar el tráfico entre ellas.

4.4.2 Direcciones de grupo Las direcciones de grupo se emplean para definir funciones específicas del sistema, y son las que determinan las asociaciones de dispositivos en funcionamiento (y la comunicación entre sus objetos de aplicación). Las direcciones de grupo asignan la correspondencia entre elementos de entrada al sistema (sensores) y elementos de salida (actuadores). Se pueden utilizar dos tipos de direccionamiento de grupo: de dos y tres niveles (Figura 33), dependiendo de las necesidades en la jerarquización de las funciones del sistema.

Dos niveles (p.e. 2/125) MMMM

SSSSSSSSSSS Subgrupo (11 bits)

Grupo Principal (4 bits)

Tres niveles (p.e. 1/2/5) MMMM

NNN

SSSSSSSS

Subgrupo (8 bits) Grupo Medio (3 bits) Grupo Principal (4 bits)

F igura 33. Niveles en las direcciones de grupo.

32



Habitualmente el campo de grupo principal se utiliza para englobar grupos de funciones (alarmas, iluminación, control de persianas, etc.). Se pueden emplear valores de 1 a 13, los valores 14 y 15 no deben emplearse, ya que no son filtrados por los acopladores y podrían afectar a la dinámica de funcionamiento de todo el sistema. En todos los campos la dirección 0 está reservada para funciones del sistema. En la configuración de una instalación EIB, la asignación de direcciones de grupo es básica para asegurar su correcto funcionamiento. Las direcciones de grupo, que asocian sensores con actuadores, se pueden asignar a cualquier dispositivo en cualquier línea (son independientes de las direcciones físicas), con las siguientes condiciones: •

Los sensores sólo pueden enviar una dirección de grupo (sólo se les puede asociar una dirección de grupo).

•

Varios actuadores pueden tener la misma dirección de grupo, es decir, responden a un mismo mensaje o telegrama.

Los actuadores pueden responder a más de una dirección de grupo (pueden estar direccionados o asociados a varios sensores simultáneamente). La Figura 34 ilustra un ejemplo sencillo de asociación de elementos en una instalación EIB. En él se dispone de nueve componentes distribuidos en dos salas, y cableados en la misma línea de bus (una sola fuente de alimentación). Los pulsadores P1 y P2 se emplean para encender y apagar simultáneamente todas las luces de sus respectivas salas, y el sensor crepuscular S para apagar las más próximas a las ventanas cuando entra luz del exterior. Para realizar la asignación de direcciones físicas deberá decidirse en qué área y línea vamos a trabajar. En este caso supondremos que los elementos están en el área 1, línea 1, por lo que las direcciones físicas se asignarán arbitrariamente como 1.1.X (siendo X el número de dispositivo. •

Funcionamiento: El pulsador P1 activa / desactiva las cargas conectadas a los actuadores L11, L12 y L13. El pulsador P2 actúa sobre L21, L22 y L23. El sensor crepuscular S actúa sobre las bombillas más próximas a las ventanas (L11 y L21) para encender o apagar cuando anochece.

S L21

L11 L12

L22

L13

L23 P1

1.1.4

P1P1 1/2 1.1.2

1.1.5

S

P2

1.1.3

2/11

L12 1/1 L13 1/1

1.1.6 Act. Sens

1.1.1

P1

1.1.2

P2

1.1.3

S

1.1.4

1 .1 .5

1 .1 .6

1 .1 .7

1.1.8

1.1 .9

L11

L12

L13

L21

L22

L23

1/1

1/1

1/1

1.1.7 1.1.8

L22 1/2 L23 1/2

1.1.9

Dir. Físicas: 1.1.X (área 1, línea 1)

1/2 2/11

L21 1/2 2/11

L11 1/1 2/11

P1P1 1/1 1.1.1

1/2

1/2

2/11

Dir. degrupo: Dos niveles : P/S

F igur a 34. Asignación de direcciones de grupo.


33

Tema docente

Para realizar las asociaciones sensores-actuadores, será necesario asignar las direcciones de grupo a los componentes. En este caso emplearemos direcciones de dos niveles con la nomenclatura P/S, siendo P el grupo principal (valores de 1 a 13) y S el grupo secundario (puede tomar valores de 1 a 2047). La asignación, en este caso se realiza también a criterio del diseñador, teniendo en cuenta las restricciones descritas en este capítulo. De este modo, se comienza asignando una dirección de grupo única a cada sensor: P1 se asocia a 1/1, de manera que cuando el usuario pulse la tecla, se enviará por el bus un telegrama que contendrá, entre otros campos, la dirección de grupo 1/1. Dicha dirección de grupo se asociará también a los actuadores L11, L12 y L13, de forma que cuando escuchen el telegrama con esa dirección, se activarán simultáneamente. El mismo proceso se sigue para P2, al que enviará la dirección 1/2, que se asocia también a L21, L22 y L23. Por último, el sensor crepuscular S se programa para enviar la dirección 2/11, a la que responden los actuadores L11 y L21.

4.5 Formato de las transmisiones 4.5.1 Método de acceso al medio El método de acceso al medio empleado en EIB es de tipo CSMA/CA 1. La codificación se realiza de modo que el estado lógico ‘0’ es dominante (impulso simétrico) sobre el ‘1’, que se denomina recesivo (no hay impulso). El mecanismo de resolución de colisiones es el siguiente: El dispositivo comprueba el bus, y si está libre comienza la transmisión. Durante el envió cada dispositivo escucha los datos presentes en el bus, comparándolos en todo momento con los que ha transmitido. • Si no se producen colisiones, el envío se completa sin contratiempos. • Si, por el contrario, se produce una colisión con los datos enviados por otro equipo, el arbitraje se resuelve por prioridad de los bits dominantes sobre los recesivos (Figura 35). • •

Por lo tanto, tendrán mayor prioridad aquellas tramas que presente un mayor número de ceros en su inicio.

Dispositivo 1 Dis ositivo 2

Bus

Dispositivo 2 cancela transmisión (reintento tras retardo)

F igur a 35. Resoluci ón de coli siones CSMA /CA en EI B.

1

CSMA/CA: Carrier sense multiple access / Collision avoidance . Acceso múltiple por detección de portadora, evitando colisiones. 34



4.5.2 Formato de los mensajes El envío de un mensaje o telegrama en un sistema EIB se realiza cuando se produce un evento, p.e. la activación de un pulsador o la detección de presencia. El dispositivo emisor (sensor) comprueba la disponibilidad del bus durante un tiempo t 1 (Figura 36) y envía el telegrama. Si no hay colisiones, a la finalización de la transmisión espera un intervalo de tiempo t 2 la recepción del reconocimiento ( Ack ). Si la recepción es incorrecta, no se recibe reconocimiento (o bien se recibe no reconocimiento), y la transmisión se reintenta hasta tres veces. Todos los dispositivos diseccionados envían el reconocimiento simultáneamente. Evento t1

Telegrama

t2

Ack

F igur a 36. Secuenci a de envío de telegrama ante la acti vación de un evento.

Los telegramas se transmiten en modo asíncrono, a una velocidad de 9600 baudios, donde cada carácter o byte consta de 1 bit de inicio, 8 bits de datos, 1 bit de paridad par, 1 bit de parada y una pausa de 2 bits hasta la siguiente transmisión (Figura 37). ST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P SP Pausa ST

Carácter

Carácter

F igur a 37. For mato de tr ansmisión de un byte.

De este modo las transmisión de un byte supone un tiempo de 1,35 ms, y la de un telegrama completo entre 20 y 40 ms (la mayoría de las órdenes son de marcha-paro y suponen un tiempo de envío de 20 ms). El telegrama que se transmite por el bus, y que contiene la información específica sobre el evento que se ha producido, tiene siete campos, seis de control para conseguir una transmisión fiable y un campo de datos útiles con el comando a ejecutar). En la Figura 38 se muestra el formato de la trama y el tamaño de cada uno de estos campos: Control

Origen

Destino

RC

Long

Datos útiles

Comprob.

16

16+1

3

4

hasta 16 x 8

8 bits

8 bits

1 0 W 1 P 0 1 0 1 0

P 0 0 Prioridad de transmisión 0 Funciones del sistema (prioridad máx.) 0 Funciones de alarma 1 Prioridad de servicio elevada (manual) 1 Prioridad de servicio baja (automático) Repetición F igu r a 38. F orm ato de los telegram as. Campo de contr ol.


35

Tema docente

Control. Este campo de 8 bits incluye la prioridad que dicho telegrama tiene al ser enviado según el tipo de función (alarma, servicios del sistema o servicios habituales). El bit de repetición se pone a cero en caso de repetirse algún envío a causa del no reconocimiento de alguno de los destinatarios. De este modo se evita que los mecanismos que ya han ejecutado la orden la vuelvan a repetir. Dirección de origen . El dispositivo que retransmite la trama envía su dirección física (4 bits con el área, 4 bits de identificador de línea y 8 bits de identificador de dispositivo), de modo que se conozca el emisor del telegrama en las tareas de mantenimiento. Dirección de destino . La dirección de destino puede ser de dos tipos, en función del valor que tome el bit de mayor peso de este campo (bit 17). Si tiene valor ‘0’, se trata de una dirección física, y el telegrama se dirige únicamente a un dispositivo. Si tiene valor ‘1’, se trata de una dirección de grupo, y el telegrama se dirige a todos los mecanismos que deben escucharlo (los que tengan esa dirección de grupo). Control

8 bits

Origen

Destino

RC

Long

Datos útiles

Comprob.

16

16+1

3

4

hasta 16 x 8

8 bits

Dirección de grupo: M = Grupo principal S = Grupo secundario Dirección física: A = Área L = Línea D = Dispositivo

0 MMMM S S S S S S S S S S S 1

Byte campos siguientes (RC y Long) AAAAL L L L D DDDDDDD 0

F igura 39, Campo de dirección de destino.

Longitud e información útil (Figura 40). Contiene los datos necesarios para la ejecución de órdenes y transmisión de valores. En los cuatro bits de longitud se indica cuántos bytes contiene el campo de datos (0 = 1 byte, 15 = 16 bytes). El campo de datos útiles contiene el tipo de comando (sólo hay cuatro) y los datos, de acuerdo con el EIB Interworking Standard (EIS). En la Tabla 5 se muestran los tipo EIS normalizados junto con su tamaño y función. Control

8 bits

Origen

Destino

RC

Long

Datos útiles

Comprob.

16

16+1

3

4

hasta 16 x 8

8 bits

L L L L

L = Longitud de datos

0 0 X X X X CCCC DDDDDDDDDD

Byte 0

X = No utilizado C = Comando D = Datos (EIS)

Byte 1

DDDDD

Byte 15

0000 Leer valor 0001 Respuesta valor 0010 Escribir valor 1010 Escritura en memoria

F igur a 40. For mato del campo de datos. EI S (EI B I nter worki ng Standard).

36



Nº EIS EIS 1

Función EIB Conmutación ( switching )

EIS 2

Regulación (dimming )

EIS 3

Hora (time)

EIS 4

Fecha (date)

EIS 5

Valor (value)

2 bytes

EIS 6

Escala ( scaling )

8 bit

EIS 7

Control motores (control drive) Prioridad ( priority) Coma flotante ( float value) Contador 16 bit (16b-counter ) Contador 32 bit (32b-counter ) Acceso (access) Caracter ASCII (Character ) Contador 8 bit (8b-counter )

1 bit

EIS 8 EIS 9 EIS 10 EIS 11 EIS 12 EIS 13 EIS 14 EIS 15

Cadena (Character String )

Nº bytes Descripción Encendido/apagado, habilitar/deshabilitar, alarma/no 1 bit alarma, verdadero/falso Se puede utilizar de 3 formas distintas: como 4 bit interruptor, como valor relativo y como valor absoluto. 3 bytes Día de la semana, hora, minutos y segundos. 3 bytes Día/mes/año (el margen es de 1990 a 2089).

1 bit 4 bytes 2 bytes 4 bytes 4 bytes

Para enviar valores físicos con representación S,EEEE,MMMMMMMMMMM Se utiliza para transmitir valores relativos con una resolución de 8 bit. P.e. FF = 100 % Tiene dos usos: Mover, arriba/abajo o extender/retraer y Paso a Paso. Se utiliza en conjunción con EIS 1 ó EIS 7. Codifica un número en coma flotante según el formato definido por el IEEE 754. Representa los valores de un contador de 16 bit (tanto con signo como sin signo). Representa los valores de un contador de 32 bit (tanto con signo como sin signo). Se usa para conceder accesos a distintas funciones.

8 bit

Codifica según el formato ASCII

8 bit

Representa los valores de un contador de 8 bit (tanto con signo como sin signo).

14 bytes

Transmite un cadena de caracteres ASCII de hasta 14 bytes.

Tabl a 5. Tipos EIS (EIB Interworking Standard).

El EIS contiene los datos útiles para cada función asignada a los objetos de comunicación. Según este estándar existen siete tipos diferentes, cada uno asignado a un tipo de acción de control (conmutación, regulación de luz, envío de valor absoluto, envío de valor en punto flotante, etc.). De este modo se garantiza la compatibilidad entre dispositivos del mismo tipo de diferentes fabricantes. Los objetos de comunicación son instancias de clases definidas en el estándar, y se incluyen en llos programas almacenados en la memoria de los dispositivos para realizar una determinada acción. Normalmente, el programa de aplicación que se ejecuta en un dispositivo dispone de varios objetos de comunicación, que pueden ser de diferentes tipos EIS. Por ejemplo, un pulsador de dos teclas con un programa de control de iluminación puede tener cuatro objetos: dos de conmutación (uno para cada tecla), tipo EIS 1, que envían las órdenes de encendido-apagado, y otros dos de regulación (uno para cada tecla), tipo EIS 2, para el envío de órdenes de incremento-decremento de luminosidad. Las asociaciones de direcciones de grupo, descritas con anterioridad, se realizan para cada uno de estos objetos de comunicación, de modo que un componente EIB, con una única dirección física, contiene varios sensores o varios actuadores, cuyo funcionamiento lógico es independiente.


37

Tema docente

En la Figura 41 se muestra un ejemplo de trama de datos para el control de un actuadorconmutador de iluminación (EIS tipo 1 de 1 bit).

Control

8 bits

Origen

Destino

RC

Long

Datos útiles

Comprob.

16

16+1

3

4

hasta 16 x 8

8 bits

2 bytes L L L L

0 0 X X X X CCCCDDDDDD

0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1

Long = 2 bytes

Escribir valor

Bit de conmutación

F igur a 41. Ejemplo de trama de datos tipo EIS 1 (conmutación).

Campo de comprobación . Consiste en un byte que se obtiene del cálculo de la paridad longitudinal impar (LRC2) de todos los bytes anteriores incluidos en el telegrama, obteniendo cada uno de sus bits a partir del cálculo de la paridad impar de los bits de igual peso en el resto de campos. En la Figura 42 se muestra el proceso de cálculo. Este campo de comprobación es independiente del bit de paridad par que se obtiene al realizar la transmisión en modo asíncrono de cada byte del telegrama, y se emplea como una medida adicional para garantizar la fiabilidad en la transmisión.

Control

8 bits

l e a d m s a o r p g e l m e a t C

Origen

Destino

RC

Long

Datos útiles

Comprob.

16

16+1

3

4

hasta 16 x 8

8 bits

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Pp

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Pp

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Pp

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

Pp

yte e compro aci n pari a

Bit de paridad par en la transmisión asíncrona de cada byte

impar

F igura 42. Obtención del campo de comprobación de la trama.

Cuando un dispositivo recibe el telegrama, comprueba si éste es correcto a partir del byte de comprobación. Si dicha recepción es correcta, se envía un reconocimiento (Figura 43). 2

LRC : Longitudinal Redundancy Check . Comprobación de paridad longitudinal.

38



De lo contrario se envía un no reconocimiento (NAK) para que el emisor repita el envío. Si el dispositivo está ocupado envía un código Busy para que el emisor reintente la transmisión tras un pequeño retardo. Evento t1

Telegrama

t2

Ack

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 N N 0 0 B B 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

BUSY (ocupado) NAK (Recepción incorrecta) ACK (recepción correcta)

F igura 43. Tipos de respuestas de reconocimiento.

4.6 Componentes ‘inteligentes’ Al margen de los elementos auxiliares para posibilitar el funcionamiento de un sistema EIB, como son la fuente de alimentación, filtros y cables, los elementos más importantes en la instalación son los dispositivos dotados de una cierta ‘inteligencia’. Al tratarse de un sistema distribuido, las funciones a realizar se encuentran programadas en forma de objetos de aplicación en los sensores y actuadores que intercambian información, posibilitando así la realización de las acciones de control. Estos dispositivos constan de tres partes básicas (Figura 44): •

Acoplador al bus (AB), donde se encuentra el programa de aplicación.

•

Interfaz de aplicación (IA).

•

Dispositivo final (DF).

Bus Acoplador al bus (AB)

IA

+-

l a n i F o v i t i s o p s i D

MT

ROM

RAM

IA EEPROM

µP

DF IA = Interfaz de A licación

(a)

CEB MT = Módulo de Transmisión

(b)

F igura 44. (a) Componentes de un dispositivo EIB. (b) Detalle de acoplador al bus.

El acoplador al bus (AB o BCU) es un aparato universal, que contiene la electrónica necesaria para gestionar el enlace: envío y recepción de telegramas, ejecución de los Univ. Politécnica de Cartagena. Departamento de Tecnología Electrónica.

39

Tema docente

objetos de aplicación, filtrado de direcciones físicas y de grupo para reconocer los telegramas destinados al dispositivo, comprobación de errores, envío de reconocimientos, etc. El acoplador examina cíclicamente la interfaz de aplicación para detectar cambios de señal. Esta unidad de acoplamiento consta de dos partes: •

Un módulo de transmisión (MT), que realiza las siguientes funciones (Figura 45): - Desacoplo de la alimentación y datos (acoplamiento por transformador y filtro capacitivo). - Protección contra inversión de polaridad. - Generación de la tensión de alimentación estabilizada a 24V dc. - Inicialización del volcado de seguridad de la memoria RAM si la tensión del bus cae por debajo de 18 V. - Generación del reset del microprocesador si la tensión del bus cae por debajo de 5 V. - Amplificación y funciones lógicas para la recepción – transmisión desde el bus. - Vigilancia de la temperatura de la unidad.

•

El controlador del enlace al bus (CEB) que incluye (Figura 44): -

Memoria ROM permanente, que contiene el software del sistema (el ‘sistema operativo’ de la BCU). Memoria RAM volátil, que contiene datos durante la operación normal del dispositivo. Memoria no volátil borrable eléctricamente (EEPROM), donde se almacenan el programa de aplicación, la dirección física y la tabla de direcciones de grupo.

+ Save

< 18V 24V / 5V

< 4,5V Driver

Lógica

CEB

24 V 5V Reset 0V Rx Tx Enable

F igura 45. Módulo de transmisión (MT) del acoplador al bus.

Los programas de aplicación se encuentran en una base de datos que proporciona cada fabricante, y pueden ser descargados a las BCU a través del bus utilizando el software adecuado. La interfaz de aplicación es un conector estándar de diez pines, de los cuales cinco se usan para datos (4 digitales o analógicos y uno digital, de entrada o salida), tres se utilizan para las tensiones de alimentación, y uno es una entrada analógica al acoplador al bus que se emplea para la identificación del tipo de dispositivo final en función de una resistencia situada en el mismo (Figura 44).

40



En el caso de que el tipo de dispositivo final no corresponda con el programa de aplicación, el acoplador al bus lo detiene automáticamente. Los tipos de dispositivos definidos se identifican en pasos de 0,25 V, y cubren todas las necesidades en cuanto a lectura de sensores, control de actuadores e interfaz con otros tipos de dispositivos, como el ordenador personal, módem telefónico, etc. Bus

AB

IA

DF

6

Analógica Datos

0V +5 V +24 V

2 3 4 7 9 1/10 5 8

+5V

+5 V +24 V

Tipo 0 2 4 6 12 14 16 19 20

V 0,00 0,50 1,00 1,50 3,00 3,50 4,00 4,75 5,00

Función No hay Dispositivo Final conectado 4 entradas binarias/analóg, 1 salida bin 2 entradas bin/anolog, 2+1 salidas bin 3 entradas bin/anolog, 1+1 salidas bin Síncrono serie Síncrono serie de longitud fija Asíncrono serie 4+1 salidas binarias Descarga (carga reducida)

AB = Acoplador al Bus IA = Interfaz de Aplicación DF = Dispositivo Final F igura 46. Identificación de dispositivos finales y tipos.

Existen dos tipo de componentes EIB dependiendo del modo de instalación: Componentes de carril DIN, con el mismo formato que las protecciones eclécticas (interruptores automáticos o diferenciales). • Componentes de empotrar, para su instalación en cajas universales de empotrar, falso techo o cajas de empalme. •

Los componentes básicos del sistema como la fuente de alimentación, filtro y acopladores sólo están disponibles en la versión de carril, mientras que el resto pueden encontrarse en ambas versiones. Además, como se puede observar, un componente EIB puede disponer de diversas línea de entrada-salida, de tipo digital o analógico, con las que realizar diversas funciones (p.e. un actuador puede tener cuatro salidas binarias que controla de manera independiente). Para ello, cada programa de aplicación tiene definidos una serie de objetos ( objetos de comunicación) que se asocian a cada una de dichas funciones. Cada objeto se comporta, a efectos de funcionamiento, como un dispositivo independiente, y tendrá asignadas la o las direcciones de grupo que lo asocian con otros componentes de la instalación. En la Figura 47 se ilustra este comportamiento mediante un ejemplo. En este ejemplo encontramos dos dispositivos con dos objetos de comunicación: • El pulsador de dos teclas 1.1.4, con un objeto para la tecla izquierda y otro para la derecha. • El actuador de dos canales 1.1.5, que incluirá en su programa de aplicación dos objetos, una para cada salida binaria. El funcionamiento es el siguiente: el pulsador 1.1.2 se comporta como interruptor general, enviando la dirección de grupo 1/3, a la que responden todos los actuadores. En el pulsador doble 1.1.4, la tecla izquierda envía la dirección 1/1 que produce la conmutación de la bombilla conectada al canal 1 de 1.1.5. La tecla derecha provocará la Univ. Politécnica de Cartagena. Departamento de Tecnología Electrónica.

41

Tema docente

conmutación en de 1.1.1. El pulsador 1.1.3 está asociado al segundo canal de 1.1.5, provocando la actuación sobre la carga conectada al mismo.

Obj.1 T. izqda 1/1

1/0 1/3

Obj.1 T. dcha 1/0

1.1.1

Programa de aplicación

1/1 1/3

1.1.3 1.1.4

1.1.2

2

1/2

1/3

1.1.5

1/2 1/3

1/1 1/0 F igura 47. Componentes con varios objetos de comunicación.

Para complicar un poco más las cosas, un dispositivo puede tener varios objetos de comunicación asociados a una entrada o salida física; por ejemplo, un pulsador puede distinguir entre una pulsación corta (de duración inferior a 0,5 segundos) y una larga, de duración superior. Cada uno de estos eventos puede tener asociado a su vez un objeto de comunicación diferente para, en el caso del pulsador, enviar telegramas de conmutación o regulación respectivamente (tipos EIS 1 y 2). Cuando se asocia una misma dirección de grupo a varios objetos, estos deben tener obligatoriamente el mismo tipo EIS, de lo contrario no se podría llevar a cabo la comunicación.

4.7 Instalación La realización de una instalación EIB requiere de una serie de fases: • Planificación previa según los requerimientos del usuario y del tipo de edificio (oficinas, hoteles, hospitales, industria, viviendas…). El establecimiento de los requerimientos ha de hacerse de acuerdo con el cliente o usuario final de la manera más precisa posible. • Diseño del proyecto. En esta etapa se determinan los dispositivos que se van a instalar, material necesario, protecciones y funcionalidad de los componentes. El diseño de la instalación eléctrica se hace en paralelo al del cableado del bus. • Instalación eléctrica. La instalación debe realizarse respetando la reglamentación vigente en el área a realizarla (reglamento electrotécnico de Baja Tensión). En este apartado se revisaran algunos conceptos básicos referentes al cableado del bus y su posterior comprobación. • Programación. Supone la etapa final de la realización de un proyecto de instalación EIB. Se realiza habitualmente conectando un ordenador personal al bus mediante una pasarela (EIB-RS232 o EIB-USB). En esta fase se realiza la programación de las direcciones físicas de los dispositivos, carga de los programas de aplicación en los componentes, y programación de las direcciones de grupo. Asimismo se programan las tablas de filtros en los acopladores de línea y área si éstos estuvieran presentes. Para la programación se utilizan herramientas de software específicas ( ETS: EIB Tool Software). Este proceso, así como las labores de diagnóstico y modificación de la 42



programación se puede realizar en modo local o bien mediante conexiones a través de la línea telefónica o Internet. A continuación se presentan algunas directrices para la realización y comprobación de la instalación eléctrica.

4.7.1 Diseño y realización de la instalación La instalación del cable bus se suele hacer separada de la de 230V pero en paralelo llegando a todos los elementos del bus; los sensores solo se conectarán al bus de datos, mientras que los actuadores requieren tanto el enlace de datos como la conexión a la red eléctrica. Para el cableado del bus se emplea cable apantallado simétrico 2x2x0,8 mm2 (Zo=72 Ω/km), de dos pares. De ellos, sólo se emplea el par rojo-negro, mientras que el otro queda reservado para futuros usos (como la transmisión de señales de audio/video). Este cable ha de estar etiquetado con el distintivo EIB para evitar confusiones con otras instalaciones y localizarlos con facilidad al buscar averías o fallos en la red.. También se etiquetan las diferentes líneas y áreas para su posterior identificación. En cuanto a su instalación, es recomendable utilizar canalizaciones separadas de las de la red, aunque es posible su ubicación conjunta. Los paneles de distribución suelen ser comunes, pero compartimentados, separando componentes EIB de protecciones de la red. En dichos armarios se alojaran los componentes EIB de carril DIN. La distribución del cableado se puede realizar de diversas formas, empleando conectores de empalme de inserción automática tanto para empalmes como para la conexión a los dispositivos (Figura 48). En la Figura 49 se muestran ejemplos de distribuciones de cableado típicas en estrella o anillo para instalaciones pequeñas. Para sistemas mayores, como hoteles o grandes edificios, es necesaria la jerarquización en líneas y áreas en función de las necesidades, estructura y tamaño de la instalación. Detalle de conexionado

Punto acceso bus

Distribución en suelo

Distribución en techo

F igura 48. Ejemplos de distribución del cableado y puntos de acceso al bus.


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Redes Domóticas

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