Unidad 1
INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA E INMÓTICA 1. Introducción 2. Definiciones y conceptos básicos -
Edificio
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Tipos de Edificio
3. Las comunicaciones en la domótica / Inmótica -
Tipología de un sistema
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Topología de un sistema
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Protocolos de comunicación
4. Componentes básicos -
Tipo de Señales
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Sensores
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Acondicionadores de señal
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Actuadores
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Interfaces
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Unidad de control
5. Introducción a los principales estándares -
X‐10
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KNX
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LONWORKS
6. Bibliografía 7. Anexo -
Sensores
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Controladores
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Actuadores
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1. INTRODUCCIÓN Al inicio de cualquier temática a desarrollar es costumbre describir siempre los objetivos a tratar y ése, y no otro, será el principio de esta redacción que pretende extender conocimientos ya arraigados en algunos casos, e iniciarlos en otros. El término Domótica proviene de la unión de las palabras domus (que significa casa en latín) y tica (de automática, palabra en griego, 'que funciona por sí sola'). La domótica persigue proporcionar al usuario de una vivienda básicamente tres objetivos fundamentales en la sociedad actual:
Seguridad
Confort
Ahorro u Optimización de los recursos
Comunicaciones
A partir de estos objetivos, se puede definir domótica como el conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda, aportando servicios de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación, y que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de comunicación, cableadas o inalámbricas, y cuyo control goza de cierta ubicuidad, desde dentro y fuera del hogar. Se aplicará por tanto el término “domótica “domótic a” a aquella vivienda que incluya entre sus instalaciones un conjunto de sistemas de d e control y automatización. La automatización de edificios no destinados a vivienda, es decir locales comerciales, oficinas, despachos, hoteles, etc. se denomina inmótica.
Pero se ha de tener cuidado en la utilización de esta terminología, ya que es muy sencillo confundir términos como automatismo, domótica, inteligencia artificial,... El uso de “edificio automático” se debe restringir a aquellos en los cuales existan sistemas autónomos e independientes entre sí. Estos a su vez serán llamados “inteligentes” por albergar dispositivos con capacidad de procesar datos. Este concepto se consolida a principios de los años 80 en los EEUU, cuando los edificios de oficinas alcanzan su apogeo tecnológico. En esta época, se desarrollan con gran rapidez multitud de sistemas que persiguen aumentar las facilidades que un edificio puede ofrecer a aquellos que lo habitan, a aquellos que en él trabajan. De lo anterior nace el concepto de que cualquier tarea que se realice dentro de una vivienda de forma habitual, se puede automatizar.
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Y a su vez, cualquier tarea que haya sido automatizada, puede ser controlada desde un punto por un sistema electrónico o un autómata. Dichos elementos podrán coger información de su entorno para así poder responder ante distintos estímulos, añadiendo “inteligencia” al proceso. En general, aquella vivienda o edificio que reúne todos estos sistemas, se le aplica el calificativo de “domótica”, en caso de ser una vivienda, o “inmótica” en caso de ser un edificio, un hospital, un hotel,… Una buena gestión domótica, por tanto, será aquella que sea capaz de utilizar todos los elementos destinados a la adquisición de información para mejorar o anticipar su funcionamiento y actuaciones.
2. DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS En este apartado se definirán los conceptos cuyo conocimiento será de gran utilidad a la hora de desarrollar cualquier tipo de proyecto basado en la domótica. Como se ha comentado anteriormente, la palabra domótica se define como el sistema o conjunto de sistemas que controlan uno o varios dispositivos automáticos dentro de una vivienda. En reiteradas ocasiones se confunden los términos y se denomina domótica a sistemas como la calefacción, la iluminación, el riego,… estos sistemas son automáticos e independientes. Se denomina domótica, por tanto, a todo lo que se utilice para controlar a los sistemas comentados anteriormente. A continuación se desarrollan sus áreas de aplicación tratados en la introducción:
Seguridad: dentro de este campo se desarrollan sistemas basados en la protección personal y patrimonial. Algunos ejemplos pueden ser:
o
Simulación/detección de presencia.
o
Televigilancia
o
Sistemas e‐health o teleasistencia médica
o
Detección de incendios, inundaciones, escapes de gas
o
Control de accesos
Confort: es uno de los principales objetivos que tienen estos sistemas actualmente. Se consideran “lujos” y normalmente solo viviendas de un alto valor económico poseen inversiones de este tipo. Algunos ejemplos son:
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o
Gestión multimedia
o
Integración de sistemas de vigilancia en los sistemas audiovisuales
o
Control remoto de los sistemas
o
Encendido/apagado de luces generales y particulares
o
Regulación del nivel de iluminación
Optimización de recursos: el ahorro de costes se plantea como uno de los objetivos fundamentales de la sociedad actual. Una reducción en el consumo eléctrico, consumo de gas,… es muy apreciada. Para ello se sitúan sondas, temporizadores, detectores, etc. que actúan con el fin de reducir todos estos costes. Algunos ejemplos son:
o
Iluminación en función de la ocupación.
o
Climatización en función de la ocupación
o
Racionalización de cargas
Comunicaciones: las aplicaciones de telecomunicaciones contemplan el intercambio de información, tanto entre personas, entre éstas y equipos domésticos y entre equipos y equipos, ya sea dentro de la propia vivienda como desde el exterior. Algunos ejemplos son: o
Control interno y remoto desde PC, portátil, Internet, mandos inalámbricos,…
o
Transmisión de alarmas mediante llamadas a móvil, sms, e-mail,…
o
Intercomunicaciones entre diferentes estancias.
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2.1 EDIFICIO Se define edificio como una obra de construcción cubierta que puede utilizarse de manera independiente y que se ha construido con carácter permanente y sirve o está pensado para la protección de personas, animales o bienes. Esta es tan solo una de las miles de definiciones que se pueden encontrar de este vocablo. Según el artículo 3 de la Ley de Ordenación de la Edificación de 1999 (LOE), los requisitos básicos que debe cumplir todo edificio son:
Relativos a la funcionalidad: o
o
o
Accesibilidad, de tal forma que se permita a las personas con movilidad y comunicación reducidas el acceso y la circulación por el edificio en los términos previstos en su normativa específica. Acceso a los servicios de telecomunicación, audiovisuales y de información de acuerdo con lo establecido en su normativa específica.
Relativos a la seguridad: o
o
o
Utilización, de tal forma que la disposición y las dimensiones de los espacios y la dotación de las instalaciones faciliten la adecuada realización de las funciones previstas en el edificio.
Seguridad estructural, de tal forma que no se produzcan en el edificio, o partes del mismo, daños que tengan su origen o afecten a la cimentación, los soportes, las vigas, los forjados, los muros de carga u otros elementos estructurales, y que comprometan directamente la resistencia mecánica y la estabilidad del edificio. Seguridad en caso de incendio, de tal forma que los ocupantes puedan desalojar el edificio en condiciones seguras, se pueda limitar la extensión del incendio dentro del propio edificio y de los colindantes y se permita la actuación de los equipos de extinción y rescate. Seguridad de utilización, de tal forma que el uso normal del edificio no suponga riesgo de accidente para las personas.
Relativos a la habitabilidad: o
Higiene, salud y protección del medio ambiente, de tal forma que se alcancen condiciones aceptables de salubridad y estanqueidad en el ambiente interior del edificio y que éste no deteriore el medio ambiente en su entorno inmediato, garantizando una adecuada gestión de toda clase de residuos.
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o
o
o
Protección contra el ruido, de tal forma que el ruido percibido no ponga en peligro la salud de las personas y les permita realizar satisfactoriamente sus actividades. Ahorro de energía y aislamiento térmico, de tal forma que se consiga un uso racional de la energía necesaria para la adecuada utilización del edificio. Otros aspectos funcionales de los elementos constructivos o de las instalaciones que permitan un uso satisfactorio del edificio.
El Código Técnico de la Edificación (Real Decreto 314/2006), y sus posteriores modificaciones, son el marco normativo por el que se regulan las exigencias básicas de calidad que deben cumplir los edificios, incluidas sus instalaciones, para satisfacer los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad, en desarrollo de lo previsto en la disposición adicional segunda de la Ley 38/1999 de Ordenación de la Edificación.
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2.2 TIPOS DE EDIFICIO Existe una primera clasificación dentro de los edificios. Se trata de una distinción muy sencilla, pero que en el curso que se está desarrollando será básica:
Residencial Se denomina así a aquellas construcciones que son utilizadas al menos en un 50% de su extensión para fines residenciales. Dentro de estos también se puede distinguir entre los que se componen de una o más viviendas.
No Residencial Se denomina así a aquellas construcciones que no son utilizadas con fines residenciales. Dentro de este tipo, existirán multitud de subdenominaciones en función de la finalidad para la que hayan sido construidos. Se pueden encontrar edificios de oficinas, hoteles, locales comerciales,…
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A continuación se pasará a detallar más en profundidad las distintas denominaciones que existen dentro de la domótica / inmótica para clasificar a los edificios en grupos:
Edificio Automatizado Se define de esta forma a aquellos edificios que contienen algún tipo de automatismo, es decir, que ante una solicitud que haya sido programada, el edificio responderá de una forma controlada y acotada dentro de una serie de actuaciones previstas. Básicamente se responde con tres objetivos básicos: confort, ahorro energético y seguridad. Recordando conceptos iniciales del curso, estos son tres de los cuatro fundamentos de la domótica / inmótica, y como se puede observar ya se utilizaban con anterioridad a la aparición de este concepto. Esto viene del siglo XIX con la revolución industrial cuando se implantaron los primeros autómatas con fines productivos. El automatismo tuvo sus inicios durante la revolución anteriormente comentada y permitió la aparición de las cadenas de montaje y por tanto los trabajos secuenciales, avance clave en el desarrollo industrial de la época. Junto con esto se alcanzó la posibilidad de descentralizar procesos, la gestión de los edificios y a su vez la centralización de los controles de los mismos. Se pueden encontrar ejemplos de edificios automatizados en los grandes centros comerciales, las entidades bancarias, los edificios de oficinas,… los servicios automáticos que estos poseen desde hace ya bastante tiempo son:
Escaleras mecánicas Calefacción centralizada Sistemas de alarma contraincendios Alarmas antirrobo Sistemas de iluminación con temporización Sistemas de acceso
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Edificio Domótico Como se indicó en los inicios del material didáctico, es habitual encontrar en multitud de ocasiones un uso incorrecto de esta clasificación, ya que se denominan como domóticos a elementos automáticos. Se puede encontrar en el mercado la siguiente definición de edificio domótico: “concepto de vivienda que integra todos los automatismos en materia de seguridad, gestión de energía, comunicaciones,… “ Partiendo de la definición expuesta en el párrafo anterior, el objetivo de este tipo de edificaciones es aportar al usuario un aumento del confort, de la seguridad, del ahorro energético y de las facilidades de comunicación. Por ello, la domótica también la podemos definir como el conjunto de técnicas que son usadas para la automatización de la gestión y la información de las viviendas unifamiliares. Otra definición muy importante es aquella que presenta la Asociación Española de Domótica (CEDOM), según la cual se define domótica como “la
incorporación al equipamiento de nuestras viviendas y edificios de una sencilla tecnología que permita gestionar de forma enérgicamente eficiente, segura y confortable para el usuario los distintos aparatos e instalaciones domésticas tradicionales que conforman una vivienda (la calefacción, la lavadora, la iluminación, etc.)”.
A su vez también se ha de tener en cuenta a la Asociación de Domótica e Inmótica Avanzada (AIDA), la cual define domótica como “la integración en los servicios e instalaciones residenciales de toda tecnología que permita una gestión energéticamente eficiente, remota, confortable y segura, posibilitando una comunicación entre todos ellos”.
Tras todas estas definiciones es de esperar que se creen términos asociados que se pueden encontrar dentro de la literatura específica sobre este tema. La Gestión Técnica de la Vivienda (GTV) o Gestión Técnica Doméstica (GTD), persigue ofrecer una mayor calidad de vida mediante el uso de la tecnología aumentando el bienestar y la seguridad de los habitantes, disminuyendo el trabajo doméstico y racionalizando el consumo energético.
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Edificio Inmótico Este término aun está poco introducido en la sociedad. Se trata en gran medida de la aplicación de la domótica a grandes edificaciones como hoteles, bloques de pisos, edificios públicos de grandes dimensiones, museos, bancos,… Los objetivos que persigue son algo diferentes a los de la domótica ya que no solo se centra en la calidad de vida sino que también abarca conceptos asociados como la calidad del trabajo a realizar. En este tipo de edificaciones la parte más importante a determinar es qué funciones se quieren gestionar de forma automática, cuándo y cómo se hará. Las técnicas a utilizar serán las mismas que las usadas en domótica pero particularizadas para sistemas incluidos en grandes edificaciones. Existen varias definiciones para este término entre las que podemos encontrar la que ofrece el CEDOM, que define la inmótica como “la incorporación al equipamiento de los edificios singulares o privilegiados, comprendidos en el mercado terciario e industrial, de sistemas de gestión técnica automatizada de las instalaciones”. Al igual que ocurriera con domótica, con la inmótica también surgen términos asociados como la Gestión Técnica del Edificio (GTE). Esta consiste en la aplicación de las técnicas domóticas a las instalaciones en grandes conjuntos de viviendas que son susceptibles de ser gestionadas de forma eficiente. Los principales objetivos en este tipo de edificios son la seguridad y la gestión eficiente de la energía, por delante del confort o las comunicaciones. Resumiendo lo dicho hasta ahora sobre este tipo de edificio, se utilizará de forma correcta el término inmótico en situaciones que comprendan grandes edificaciones que comprendan un conjunto grande de viviendas o edificios de uso específico.
Edificio Digital Se trata de un nuevo concepto que está calando de forma general dentro de la sociedad actual. Muchas veces se asocia al concepto de “hogar digital”, término que intenta identificar el hogar del futuro como aquel que integra todo tipo de tecnología para mejorar su habitabilidad, los servicios de mantenimiento, las comunicaciones, la gestión digital del hogar, de las infraestructuras y del equipamiento mediante la transmisión de datos a través de redes de banda ancha, formándose redes del hogar o “home networks”. Se pueden encontrar dos tipos de redes dentro de un hogar digital. De una parte se situará la red doméstica o del hogar, “home network”, y del otro lado se posicionará la red domótica.
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El primer término es más amplio ya que comprende la red informática tradicional local instalada en el hogar, a la que además se le van añadiendo nuevas redes de aplicaciones, de entretenimiento y de comunicaciones, que se intercambian datos entre sí a través de una pasarela residencial dando lugar a las redes del hogar comentadas. Las redes domóticas pueden ser incluidas en las anteriormente descritas, pasando a ser un componente más de ellas, compartiendo o no el mismo medio de transmisión. Con esto se puede concluir que las redes del hogar o “home networks”, se componen de redes físicas (datos, multimedia, servicios domóticos,…), equipamiento adicional como pasarelas residenciales, conexiones de banda ancha o elementos varios que permitan el acceso a los diferentes servicios potenciales de la vivienda.
Edificio Ecológico Se definen como aquellas edificaciones que optimizan el uso de los recursos naturales y energéticos, los materiales de construcción, la conservación, el mantenimiento y el reciclaje de los materiales que la componen. Una edificación de este tipo sigue un proceso de bioconstrucción que aborda amplios aspectos del hábitat: una correcta elección de los materiales, una pintura ecológica, una instalación eléctrica que optimice el consumo, técnicas de racionalización del espacio, energías renovables, bioclimatización, un estudio del terreno donde se sitúe la edificación junto con un estudio geobiológico. A todo lo mencionado en el párrafo anterior, se le añadirán cuidadosos aspectos técnicos y de calidad, de confort biológico y de salubridad. Para que el edificio reciba esta denominación, deberá aprovechar los recursos disponibles del lugar, estar integrado con el medio ambiente y que trabaje en sinergia con él. Dentro de esta denominación de edificio se pueden encontrar varios conceptos nacidos alrededor del mismo.
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Edificio sostenible El concepto “sostenible” cuando se habla en círculos del medio ambiente, se asigna a todo aquello que sea capaz de producir o generar la totalidad o gran parte de la energía que consume, no generando residuos en el proceso. En el caso de un edificio, el concepto es análogo, es decir, se trata de un edificio que fuera capaz de producir toda la energía que tuviera prevista consumir. Igualmente, y siguiendo con conceptos de edificio biológico, éste deberá estar integrado con el paisaje, aprovechar los recursos de su entorno y utilizar energías renovables, siendo el objetivo final que su funcionamiento fuera duradero y respetuoso.
Edificio geobiológico En este tipo de edificación, lo principal a tener en cuenta son los fenómenos físicos que se dan alrededor de la misma. Es de vital importancia su aprovechamiento. Como ejemplo se puede sacar partido de las corrientes de aguas subterráneas, fallas en el suelo, líneas eléctricas, canalizaciones de agua ya instaladas. El aprovechamiento de todo esto se realiza con el fin de perturbar el entorno en la menor medida posible.
Edificio bioclimático Esta edificación se caracteriza por la minimización, hasta alcanzar si posible la eliminación, de sistemas de climatización interna. Debe integrarse con el entorno consiguiendo la optimización del propio diseño arquitectónico.
Bioconstrucción Este concepto concentra los términos explicados con anterioridad. Se denominará bioconstrucción a aquella edificación que sea capaz de aprovechar la arquitectura para conseguir unas condiciones climáticas óptimas en su interior. Además deberá ser capaz de generar la energía que consume, aprovechando para ello los fenómenos físicos que se sitúen en su entorno. Estas tres características definirán por tanto de forma unívoca a una bioconstrucción.
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Como concepto encontrado con los definidos anteriormente, se encuentra la denominación de “edificio enfermo”. Una característica que lo identifica es el alto índice de sustancias nocivas suspendidas en el ambiente como el humo, polen, ozono, humo, virus, hongos,… Todo ello provocará en las personas que convivan en su interior síntomas como: resecación de garganta, catarro, jaqueca, irritación de los ojos,…
Edificio Inteligente Esta clasificación se otorga a edificaciones que poseen sistemas que son capaces de procesar datos. El objetivo es conseguir que sea capaz de proporcionar respuestas ante un cierto tipo de estímulos ambientales o humanos. Existirá, según esta def inición, una interacción con el usuario y/o con el medio ambiente. Para conseguir esto se podría domotizar el edificio, incorporándole sistemas de aprendizaje que lo hiciesen tolerante a fallos. Con esto se minimizarían los costes de mantenimiento, aumentando así los beneficios del mismo. Se deben conocer conceptos relacionados con este tema como:
Inteligencia Artificial La inteligencia de un edificio se cifrará en la optimización que realice del control de forma óptima y automática siguiendo un patrón de aprendizaje. Se pueden utilizar para ello sistemas como las redes neuronales, los algoritmos evolutivos,… que obtienen una respuesta automática y óptima ante distintas situaciones que se le puedan plantear sin necesidad de recibir una orden directa del usuario en cuestión.
Ambiente Inteligente Este término se basa en distintos sistemas y actuaciones que permiten al usuario interactuar con el sistema de forma inteligente. Por ejemplo:
Computación ubicua Computación móvil Transporte de información sin cables Reconocimiento de usuarios Interfaces multimodo Información multimodal
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Se relaciona este concepto con la idea de sociedad de la información, tan de relevancia en estos tiempos. Se da con la aportación eficientes de multitud de servicios, la interacción de los usuarios con los sistemas y a su vez, la interacción de los usuarios con la propia naturaleza.
Medio Ambiente La conservación del medio ambiente es algo que cada día más se tiene en cuenta a la hora de abortar una construcción. Actualmente el control sobre este tipo de obras es mucho mayor que hace no muchos años atrás, y ya se busca la integración con el medio natural donde se construye, minimización del impacto visual, optimización de recursos naturales. Se debe hacer una reseña importante al hecho de la continua utilización de los términos edificio inteligente y domótica e inmótica, asumiendo la igualdad de conceptos y criterios. Esto no es cierto ya que un edificio inteligente engloba sistemas domóticos o inmóticos, además de muchos otros sistemas como autómatas, conservación del medio ambiente, aprovechamiento de recursos naturales,… Igualmente, aquellos edificios que posean instalaciones de seguridad, de climatización, etc. no se considerarán edificios inteligentes sino automatizados.
Edificio Urbótico Este se trata de un término avanzado a nuestro tiempo. Básicamente propone la aplicación de técnicas domóticas a municipios completos. El ciclo explicado hasta ahora parte de una definición y aplicación de la inmótica a las viviendas. De ahí se pasa a la inmótica, que no es más que la aplicación de las técnicas utilizadas anteriormente en las viviendas, pero en este caso a los edificios. Y por último, se pasaría a la urbótica, que extendería este tipo de servicios al total de la población del municipio en cuestión. Existen ya multitud de propuestas sobre construcciones de ciudades urbóticas, ya que los grandes expertos aventuran un desarrollo dentro de las tecnologías de la información, que puede hundir a multitud de empresas por la incapacidad de hacer determinado tipo de funciones.
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3. LAS COMUNICACIONES EN LA DOMÓTICA E INMÓTICA Los sistemas domóticos pueden clasificarse de varias formas en función de la tipología, de la topología y de los medios de transmisión.
3.1 TIPOLOGÍA DE UN SISTEMA Según como la red una los distintos puntos o lugares dispondremos de lo que se viene a llamar arquitectura de control de la red. Pueden ser de varios tipos: •
Sistemas centralizados.
•
Sistemas descentralizados.
•
Sistemas distribuidos.
SISTEMAS CENTRALIZADOS
Actuadores
Los sistemas centralizados se caracterizan por tener un único nodo que recibe toda la información de las entradas, que la procesa y envía a las salidas las órdenes de acción correspondientes. (Están unidos a un nodo central que dispone las funciones de control y mando).
Sensores
Las ventajas de los sistemas centralizados son:
Los elementos sensores y actuadores son de tipo universal.
Coste reducido o moderado.
Fácil uso y formación.
Instalación sencilla.
Los inconvenientes son:
Cableado significativo.
Sistema dependiente del funcionamiento óptimo de la central.
Modularidad difícil.
Reducida ampliabilidad.
Capacidad del sistema (canales o puntos).
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Central de gestión
SISTEMAS DESCENTRALIZADOS En los sistemas descentralizados, todos los elementos de red actúan de forma independiente unos de los otros. Comparten la misma línea de comunicación y cada uno de ellos dispone de funciones de control y mando.
Bus de comunicaciones
Actuadores
Sensores No es necesaria
Es necesario, en estos entornos, un protocolo de comunicaciones para que todos los elementos produzcan una acción coordinada. Las ventajas de los sistemas descentralizados tienen:
Seguridad de funcionamiento.
Posibilidad de rediseño de la red.
Reducido cableado.
Fiabilidad de productos.
Fácil ampliabilidad.
Los inconvenientes son:
Elementos de sensores no universales y limitados a la oferta.
Coste elevado de la solución.
Más próximos a “Edificios Inteligentes” que a “Viviendas Inteligentes”.
Complejidad de programación.
Bus de comunicaciones
SISTEMAS DISTRIBUIDOS (HÍBRIDOS) Los sistemas distribuidos combinan las tipologías centralizada y descentralizada. La inteligencia del sistema está localizada en cada uno de los nodos de control y cada nodo tiene acceso físico directo a una serie limitada de elementos de red.
Módulos (nodos)
Sensores
Actuadores
Es necesario, igual que en el caso de los sistemas descentralizados, un protocolo de comunicaciones para que todos los módulos produzcan una acción coordinada.
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Las ventajas de los sistemas distribuidos son:
Seguridad de funcionamiento.
Posibilidad de rediseño de la red.
Fácil ampliabilidad.
Sensores y actuadores de tipo universal (económicos y gran oferta).
Coste moderado.
Cableado moderado.
Como único inconveniente destacamos el hecho de que requieren programación o configuración.
3.2 TOPOLOGÍA DE UN SISTEMA Otro aspecto que caracteriza a un sistema es su topología, que es la organización física y lógica de los “nodos” de la red.
Estrella: los dispositivos de entrada (sensores) y los de salida (actuadores) van cableados hasta la central de gestión que es quien efectúa el tratamiento de los datos del conjunto.
Anillo: los nodos se conectan en un bucle cerrado y los datos se transmiten de nodo en nodo alrededor del bucle, siempre en la misma dirección.
Bus: Todos los elementos del sistema (sensores, actuadores y nodos) están ligados sobre una línea que describe el conjunto o una parte de la red.
Mesh Network: En las redes malladas existen diferentes nodos que permiten el envío de los datos por distintos caminos, Cada nodo puede enviar y recibir mensajes, además de tener la capacidad de reenviar mensajes de sus vecinos.
MEDIOS DE TRANSMISIÓN Para que los diferentes dispositivos de una red se comuniquen e intercambien información entre sí, los medios que principalmente se utilizan son:
Sistemas que usan en todo o en parte señales que se acoplan y transmiten por la instalación eléctrica de Baja Tensión, tales como sistemas de corrientes portadoras. Sistemas que usan en todo o en parte señales transmitidas por cables específicos para dicha función, tales como cables de pares trenzados, paralelo, coaxial o fibra óptica.
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Sistemas que usan señales radiadas, tales como ondas de infrarrojo, radiofrecuencia, o ultrasonidos.
Un sistema domótico puede combinar varios de los sistemas anteriores, debiendo cumplir los requisitos aplicables en cada parte del sistema.
3.3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN Se le llama Protocolo de Comunicación al conjunto de las reglas que permiten el intercambio de información (¿Quién empieza la comunicación? ¿Cómo se comunican? ¿Con quién? ¿Con qué prioridad?) y consiste en un formato consensuado para la transmisión de datos entre dos dispositivos de sistemas descentralizados o distribuidos. En un protocolo se define:
El tipo de error o comprobación de error que utiliza.
El método de compresión de datos, si está incluido.
El modo en que el dispositivo que envía el mensaje indica que ha terminado de enviarlo. El modo en que el receptor indica que ha recibido el mensaje.
La definición de protocolo propietario o protocolo no propietario se asocia a sistema propietario o sistema no propietario, respectivamente.
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TIPOS DE PROTOCOLOS
Privados o patentados: Protocolo desarrollado por una compañía para uso exclusivo de sus clientes, no son públicas sus características y prestaciones.
Abiertos: Un protocolo abierto es aquel que es conocido por todas las empresas y los usuarios disponen de información y documentación necesaria para su implementación (por ejemplo, Ethernet, TCP/IP,...). Normalmente están respaldados por grupos de empresas que se asocian para el desarrollo del protocolo.
Normalizado o estándar: Este concepto sólo se usa para los protocolos Abiertos. Cuando el grupo de interés de un determinado sistema ofrece a un organismo normalizador reconocido su protocolo y éste lo estudia y decide publicarlo bajo una norma (por ejemplo, EN a nivel europeo), se dice que un determinado protocolo está Normalizado, lo que da una garantía a los consumidores.
INTEROPERABILIDAD La interoperabilidad es una propiedad, asociada a los sistemas abiertos, que se define como la capacidad de integrar productos de distintos fabricantes en sistemas flexibles y funcionales sin necesidad de desarrollar hardware, software o herramientas a medida. Por integrar no se entiende el hecho de poder “ver” a otro dispositivo, sino la capacidad de hacer cosas como utilizar un único sensor de ocupación para el sistema de climatización, el de alumbrado y el de seguridad de un edificio. Los productos interoperables permiten a los diseñadores de cada proyecto utilizar el mejor dispositivo para cada sistema o sub-sistema sin necesidad de utilizar una línea entera de productos de un mismo fabricante. Los productos interoperables incrementan la oferta del mercado permitiendo a diferentes fabricantes competir en un segmento que de otra manera les estaría completamente prohibido.
De esta manera, los diferentes fabricantes se esfuerzan por disponer de la mejor solución y esto se traduce en una mayor calidad y libertad de elección para el usuario final.
4. COMPONENTES BÁSICOS
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Tipos de Señales Existen dos grandes grupos dentro de las señales que pueden aparecer dentro de un sistema domótico:
Continuas: son aquellas que varían de forma continua con el tiempo, esto quiere decir que su valor puede alcanzar un número infinito de nive les. Discretas: son aquellas cuya variación con respecto al tiempo hace que solo puedan tomar un número finito de valores.
A continuación podemos observar una representación de una señal continua:
En este grupo de señales se pueden englobar las presiones, las temperaturas, los volúmenes,… sin embargo las señales discretas se caracterizan porque solo pueden tomar un número finito de valores. Son muy interesantes aquellas que únicamente pueden variar entre dos valores, denominadas señales binarias. Estas señales normalmente suelen variar entre valores normalizados de 0 y 1, que hacen muchas veces referencia a apagado y encendido. A continuación se puede observar una señal que responde a la descripción realizada con anterioridad.
Señales
de
este
tipo
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pueden responder a la oscilación que presentan elementos como relés que abren y cierran puertas. Existen multitud de dispositivos que utilizan este tipo de señales, como ejemplo significativo se pueden encontrar en el mercado, los sensores, y dentro de e ste tipo, se pueden adquirir sensores se presencia, de humos, de apertura y cierre de p uertas,…
Sensores El objetivo que tiene este elemento es el de convertir los valores de una magnitud a otra. El final normalmente suele ser una señal eléctrica. A estos se les suele denominar asiduamente como transductores. No hay que olvidar el hecho de que las magnitudes a convertir pueden ser físicas, químicas, biológicas,… Dentro de una instalación domótica, estas señales serán las encargadas de proporcionar la información necesaria para que el sistema pueda ser gestionado de forma eficaz y eficiente. Como se comentó con anterioridad, sensores habituales en el mercado suelen ser los de presencia, humos, iluminación,… Es muy habitual encontrar a los sensores dentro de una estructura de protección que aíslen a estos dispositivos de las condiciones externas en las cuales realizan su trabajo, pudiendo así realizar las mediciones de las magnitudes para las que han sido diseñados. Se describen a continuación las principales características de un sensor. La evaluación de estas pondrá la marca de calidad al mismo:
Precisión: Es una indicación de la uniformidad de la medida, es decir, el grado de dispersión de las medidas. El instrumento será más preciso cuanto menor sea esta dispersión. El coste es proporcional a la precisión por lo que un instrumento muy preciso es muy caro.
Ruido: Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseada que modifica la transmisión, la indicación o el registro de los datos deseados.
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Sensibilidad: Es el rango de la medida más pequeño del instrumento.
Temperatura de Servicio : Campo de temperaturas en el que se espera que trabaje el instrumento dentro de los límites de error especificados.
Zona de Error: se denomina de esta forma al rango de desviaciones que se permiten a la salida.
Amplitud: se denomina de esta manera a la diferencia límite entre los valores a medir.
Calibración: Proceso mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe poder efectuarse de manera sencilla y el sensor no debe precisar una recalibración frecuente.
Error: Es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable con relación a las medidas teóricas, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso.
Exactitud: Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida; el instrumento debe poder detectar el verdadero valor de la variable sin errores sistemáticos. Sobre varias mediciones, la medida de los errores cometidos debe tender a cero.
Factor de escala: se denomina así a la relación entre el magnitud a medir y la variable de salida.
Fiabilidad: Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de los límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones determinados.
Histéresis: se denomina así al Fenómeno por el que el estado de un material depende de su historia previa. Se manifiesta por el retraso del efecto sobre la causa que lo produce.
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Tipos de Sensores Existen multitud de tipos de clasificación para los sensores. A continuación se verán algunas de las distinciones que existen en la literatura y en los mercados:
Continuos: se denomina así a los sensores que a su salida ofrecen una señal continua.
Discretos: se denomina así a los sensores que a su salida ofrecen una señal discreta.
Un sensor de tipo discreto ofrecerá a su salida un número finito de señales posibles, y por tanto, situará al dispositivo en un número limitado de estados de funcionamiento. Es normal que sean más sencillos de fabricar, al igual que su complejidad disminuye, bajando el coste y aumentando también la fiabilidad de los mismos. Como ejemplos de estos están los sensores magnéticos utilizados para detectar la apertura o el cierre de las puertas y ventanas, presencia, agua, gas,… Es muy común denominarlos ‘detectores’ debido a la función básica que realizan. Esta se limita a la detección de presencia o ausencia de alguna de las magnitudes a medir: humo, agua, gas,…
Por otra parte existen los sensores de tipo continuo. Estos reflejan a su salida un valor exacto de la magnitud a medir, con una variación ‘continua’ de la medida. Algunos ejemplos de ellos pueden ser los sensores que miden la intensidad de una iluminación, de temperatura, de humedad o de viento. Otra clasificación existente en el mercado es:
Activos: se denomina así a aquellos que deben ser alimentados eléctricamente con los niveles correctos de tensión y corriente. Normalmente la mayoría de los sensores suelen ser de este tipo.
Pasivos: son aquellos que presentan autonomía de la alimentación eléctrica.
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Una última posible clasificación de los sensores, basa su distinción en función del ámbito de aplicación:
Gestión climática: se trata de sensores de temperatura que bien pueden ser resistivos, termopares o compuestos de semiconductor. También existen sondas de temperatura para conductos, tuberías, sensores de humedad o presión,…
Control de presencia: se pueden encontrar lectores con teclado integrado, identificadores biométricos, lectores por radiofrecuencia,…
Gestión contra incendios: en este campo se pueden encontrar sensores iónicos, termovelocimétricos, sensores ópticos, sensores de infrarrojos, sensores con barrera óptica, sensores de dilatación,…
Control de la iluminación: se trata de sensores de luminosidad básicamente.
Gestión contra intrusión/robo: en este marco se pueden incluir los sensores de presencia por infrarrojos, por microondas o por ultrasonidos, sensores microfónicos, sensores de apertura y cierre de puertas, sensores de rotura de cristales,…
Otros sistemas: aquí se pueden incluir sensores de lluvia, de viento, de CO 2, de gas, de inundación,…
Acondicionadores de Señal Este elemento es fundamental en cualquier sistema que trate con señales procedentes de la naturaleza que no hayan sido tratadas previamente. Su principal función es adaptar la señal al controlador que la va a gestionar. En este ámbito existen varios estándares, de tensión (0-5V, 0-10V), otros de corriente (0-20mA, 4-20mA).
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Existe multitud de acondicionadores de señal en el mercado. Existen acondicionadores para señales discretas y continuas. Amplificadores, atenuadores, filtros, convertidores analógicos-digitales y digitales-analógicos. Todos estos son acondicionadores de señal. Todos los fabricantes de elementos a utilizar en una instalación domótica incluyen dentro de sus catálogos dispositivos de este tipo. Es necesario adaptar las señales con el fin de no perder el control de las señales y por tanto poder prever el comportamiento límite de las variables externas a los sistemas.
Actuadores Estos dispositivos son los responsables electromecánicos que actúan sobre el medio exterior y afectan físicamente a la instalación domótica. Se podría decir de forma totalmente informal que realizan la función inversa a un transductor, es decir, son los encargados de transformar una magnitud eléctrica en otra de tipo mecánico, térmico, biológico,… Al igual que los transductores, estos pueden ofrecer a su salida valores discretos o continuos. Como ejemplos de este tipo de elemento se pueden observar las lámparas, radiadores, sirenas, motores de persianas,… A continuación se mostrará un diagrama donde se refleja la posición que ocupan estos elementos dentro de un sistema:
Este tipo de elemento se conecta a la salida del sistema inteligente, distinguiéndose dos tipos de señales de gobierno en función de la actuación que vayan a desarrollar. En caso de que dicha actuación vaya a tener un valor binario: 0 / 1, la señal de gobierno será digital. Mientras que en el caso de que la actuación vaya a arrojar un resultado variable, la señal de gobierno será analógica.
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Algunos ejemplos de actuadores son:
Relés: Son dispositivos que realizan la función de un interruptor conmutando circuitos de potencia más elevada mediante una señal de baja potencia. Normalmente es un dispositivo electromecánico que basa su forma de funcionar en la intervención de una espiral por una corriente continua. Al pasar la corriente por este solenoide, éste se magnetiza por su núcleo de hierro y atrae la armadura, provocando la apertura y el cierre de los contactos eléctricos. Es fundamental leer las hojas de características de dichos elementos para ver la carga que pueden soportar.
Contactores: Básicamente se pueden definir como relés de potencia. Las bobinas se excitan con la tensión de alimentación y cierra unas pletinas de cobre, cuya anchura y disposición permiten el paso de más o menos corriente.
Reguladores:
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Este tipo de elemento basa se construcción en los semiconductores. En las instalaciones domóticas que ocupan este curso se pueden utilizar para regular la intensidad de bombillas y demás dispositivos de iluminación.
Al igual que en el caso del elemento anterior, será de vital importancia la lectura de la hoja de características del mismo, ya que un exceso de carga llevará al elemento a un estado de ruptura.
Motores eléctricos: Son los elementos encargados de transformar o convertir la energía eléctrica en energía mecánica para generar movimiento. Existen multitud de ejemplos dentro de la domótica e inmótica como los ventiladores, bombas,… Existen tres tipos principales:
Motores de Corriente Continua: en estos la velocidad del mismo es controlada por variaciones de tensión continua a la entrada del motor. Son los más precisos y los que producen una velocidad mayor, pero a su vez son los que menos potencia ofrecen.
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Motores de Corriente Alterna: son los más utilizados en los sistemas domóticos ya que funcionan con la alimentación que proporciona la red eléctrica, no necesitando por tanto fuentes adicionales de alimentación. Esta es su característica principal. En ellos la velocidad dependerá de la tensión de alimentación que le apliquemos a la entrada del dispositivo.
Motores Paso a Paso: este tipo de motores se suelen utilizar como posicionadores de precisión. Existen casos en los que van acompañados de servoválvulas que giran al ser accionados giran una cantidad concreta de grados.
Electroválvulas: Se trata de válvulas cuya apertura controlada mediante una señal de gobierno externa. Su uso habitual se centra en el control de caudales de líquidos o gases en grandes instalaciones industriales. En otro tipo de instalaciones domóticas, se gestiona el paso de agua, gas y sistemas de aire acondicionado. Al igual que con otros elementos de esta tipo, pueden ofrecer salidas continuas o discretas binarias.
Su fabricación consta de dos partes principales:
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Cuerpo: parte que se ajusta a la tubería sobre la que realizará el control o gestión de paso.
Cabezal: parte que cumple la función de activar y mover el dispositivo de apertura y cierre.
Resistencias eléctricas: Son los elementos que se utilizan para elevar la temperatura del medio físico donde le encuentran inmersas. El funcionamiento consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de un conductor, produciendo el calentamiento del mismo. Se pueden encontrar ejemplos cotidianos de este tipo de elemento como los radiadores, calefactores, secadores,…
Interfaces
Interfaz de entrada/salida Estos elementos son las partes más distintivas de los elemen tos inteligentes, ya que son el nexo de unión entre el sistema y los estímulos del exterior. Se puede dar el caso de que vayan incluidas o integradas en el sistema completo, o que sean módulos que se puedan adherir al sistema, por ser más específicos. Esta funcionalidad hace que puedan ser flexibles para adaptarse a cualquier entorno.
Interfaz con el usuario Sus funciones principales son:
Generar registros de eventos
Reprogramación del sistema
Interacción del usuario sobre ciertos sistemas
Monitorización de alarmas
Los interfaces más avanzados se componen de ordenadores que son capaces de procesar toda la información que el usuario les puede aportar en un tiempo ínfimo. Aunque en el mercado se pueden encontrar interfaces más específicos para ciertas actuaciones como por ejemplo: pantallas táctiles, menús gráficos, sistemas de reconocimiento de huella dactilar o retina,… La interacción que un usuario puede tener con el sistema se puede clasificar dentro de los siguientes tipos:
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Programación diaria: entrar en una ofici na, conectar un dispositivo,… acciones habituales. Parametrización: modificación de la configuración del sistema para adaptar la funcionalidad del mismo a una necesidad concreta. Simulación de presencia: muy utilizado en las viviendas para simular presencia humana en su interior y prevenir de posibles robos. Control remoto: vía Internet o GSM/GPRS/3G
Unidad de control La unidad de control es la encargada de controlar y gestionar a todos los elementos de la instalación domótica. Para ello recibe la información de los sensores y actuadores, y de igual manera les envía señales a ambos para que se activen o desactiven, en el caso de los sensores, y para que realicen una actuación u otra, en el caso de los actuadores. Igualmente no solo gestiona el sistema a nivel interno, sino que además es capaz de interactuar con el usuario, es decir, se encarga también de gestionar el sistema a nivel externo o de interacción con el usuario.
Interfaz de
Unidad de
Interfaz de
Entrada
Control
Salida
Interfaz de Usuario
En función de si el sistema es centralizado o distribuido, se utilizará un tipo de unidad de control y otra.
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A continuación se describen las funcionalidades de las unidades de control correspondientes a cada uno de ellos:
Unidad de control para sistemas centralizados. En este caso, la potencia de control y gestión se concentra en un único dispositivo, en el que se ejecuta un software previamente introducido. Este tipo de solución presenta el gran inconveniente de que un fallo en su unidad central de proceso, provoca un fallo generalizado que afecta a todos los elementos del sistema. Por esto, para este tipo de elementos se suelen utilizar unidades de control muy probadas y que ofrezcan una fiabilidad extremadamente alta. Para ello se sacrificarán prestaciones con el fin de ganar en fiabilidad. Unidad de control para sistemas distribuidos. En este caso, la potencia de control y gestión se encuentra distribuida en cada uno de los componentes que conforman el sistema. Este tipo de arquitecturas facilitan su diseño y construcción debido a que al componerse de elementos independientes, todo es más flexible. Aunque la complejidad se halla ahora en la programación de estos elementos, actuación que ahora se complica debido a que tiene que albergar control y gestión. Esto va a forzar a disponer de protocolos de comunicaciones entre elementos de muy distinto tipo, y además, de tener un protocolo de acceso a un medio compartido, elemento indispensable en comunicaciones de este tipo. Se suele dar el caso de que en este tipo de instalaciones no exista un módulo central de control que recoja toda la información vertida en el bus, la procese y envíe las órdenes pertinentes a los distintos elementos receptores. La otra opción es que sí exista un elemento de este tipo. Dependerá por tanto esta opción, de la complejidad que requiera la interacción entre elementos. En caso de que la complejidad sea mínima, no será necesaria su implantación, en otro caso será necesaria.
Una característica principal que puede definir a una unidad de control es el número de entradas y salidas que ofrecen a los dispositivos conectados a ellas. En este punto cabe definir los distintos tipos de salidas y entradas que existen para esta clase de elemento de un sistema domótico:
Entradas Digitales: permite que la unidad central de proceso pueda ser conectada, y por tanto receptora de información, a sensores cuya salida sea binaria. Estas entradas se caracterizan por aceptar dos estados a su entrada: 0 o 1, es decir, encendido o apagado, que vienen a referirse a presencia o ausencia de señal. Aquí se podría englobar los sensores de humos, de presencia,… Normalmente las unidades de control disponen de un número de entradas digitales potencia de dos, esto se debe a los sistemas de fabricación. Igualmente las entradas aceptarán niveles de señal correspondientes a algún estándar como puede ser 0-5VCC, 0-220 VAC o 0-24VAC.
Entradas Analógicas: permite que la unidad central de proceso pueda ser conectada, y por tanto receptora de información, a sensores cuya salida presente una variación continua con el tiempo entre dos límites previamente
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establecidos. Estas entradas soportarán unos niveles de tensión y corriente establecidos por el fabricante y que deben aparecer en su hoja de características. Al igual que se comentó en el punto anterior, pueden ser: 0-5VCC, 0-220 VAC o 0-24VAC.
Salidas Digitales: permite conectar la unidad central de proceso a un actuador que soporte este tipo de señal binaria a la entrada, es decir, presencia o ausencia de señal. Un factor importante a la hora de utilizar un dispositivo de este tipo y por tanto de conectarle uno u otro elemento a su salida, es la potencia que puede proporcionar en esta salida. Se debe ser precavido en asegurarse de que dicha potencia es suficiente para activar o no al actuador al cual se le envía la señal.
Salidas Analógicas: se rige por la misma definición anterior con la salvedad de que en este caso, la señal a la salida será variable con el tiempo de forma continua. Normalmente se utilizan menos que las salidas digitales en el ámbito que nos ocupa este curso.
Otra variable importante a tener en cuenta a la hora de seleccionar una unidad de control u otra es el hardware de proceso de datos que lo compone, el interfaz de entrada/salida y el interfaz con el usuario. Normalmente no se ofrece la posibilidad de elegir entre unos u otros de forma independiente en cada uno de estos componentes, y lo que se ofrece es un producto compacto. A continuación se describen las principales opciones que se pueden encontrar en el mercado sobre cada uno de los elementos mencionados:
Hardware de proceso de datos
Se trata del punto neurálgico del sistema. Es el elemento decisor que emite las órdenes de actuación al resto de los elementos del sistema. Se pueden encontrar distintos tipos:
Autómatas programables: este tipo de hardware se suele encontrar con mayor asiduidad en las grandes industrias. No disponen de muchas funcionalidades extras como pueden ser el almacenamiento masivo de datos o el reconocimiento de voz, pero por su fiabilidad, son idóneos para sistemas distribuidos.
Controladores embebidos: son sistemas que se hayan integrados en una sola placa que alberga un microcontrolador, un conjunto de sensores y actuadores para realizar la función que le haya sido encomendada en su diseño o programación. Normalmente se pueden encontrar en electrodomésticos, sistemas que debido a su gran volumen de fabricación, pueden permitirse el coste de un diseño específico de una de sus partes.
Ordenadores: disponen de microprocesadores más potentes y rápidos. Permiten la funcionalidad de la programación, pudiéndose así adaptar a cualquier entorno o función. Tienen
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capacidad de almacenamiento de datos, y con ello de memoria de eventos, lo cual le proporciona una potencia ilimitada.
Centrales microprocesadoras: estas se identifican por su facilidad de instalación y rigidez a la hora de ampliar el número de elementos a su servicio. Usualmente se encuentran en gestiones de calefacciones, luces, gas,…
5. INTRODUCCIÓN A LOS PRINCIPALES ESTÁNDARES En este pequeño bloque se describirán de forma breve algunos de los sistemas específicos más relevantes.
X10 El protocolo de señal, X-10 define una estructura de mensajes sencillos, una arquitectura abierta y un medio de transmisión por la red eléctrica, para que los distintos fabricantes, aún acogiéndose al estándar, puedan ofrecer diferentes opciones en sus equipos. Los controladores disponibles hoy en el mercado van poco a poco incorporando más funciones.
Destaca que el sistema X-10 no utiliza una línea cableada especial que una los elementos entre sí, ya que utiliza la propia red eléctrica de la vivienda como bus de comunicación. Por otra parte, al tratarse de un sistema modular descentralizado, no tiene por qué existir un elemento central del que dependa todo el control. Sin embargo, existen centrales de seguridad, centrales domóticas, pantallas táctiles, pasarelas residenciales, temporizadores, programadores, cámaras IP, software para PC, etc., que actúan como “controladores” enviando órdenes a los módulos receptores. Los mensajes X-10 consisten en un código de identificación y un comando. El código de identificación está compuesto de una letra (A...P) y de un número (1...16), denominados código de casa y código de unidad. Los comandos más sencillos son ON, OFF, DIM, BRIGHT, ALL LIGHTS ON, ALL UNITS OFF Aunque el formato de códigos X-10 extendidos permite más opciones como la bidireccionalidad.
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La topología del sistema es totalmente flexible y, por tanto, la disposición de los elementos receptores y transmisores puede cambiar sencillamente variando su código de identificación (código de casa y código de unidad, por ejemplo B12). Del mismo modo, un transmisor de señal (pulsador) puede activar distintos módulos receptores (cargas), o al contrario: distintos transmisores pueden gobernar un mismo módulo receptor. A la entrada de alimentación a la vivienda o al edificio se debe colocar al menos un filtro atenuador con el fin de evitar las interferencias de señales externas y asimismo evitar que las señales de la propia instalación salgan hacia fuera. Este filtro atenuador atenúa asimismo el exceso de ruido de alta frecuencia en la red eléctrica con ayuda del contador. La protección de la red eléctrica es una necesidad imperiosa en cualquier instalación de corrientes portadoras, existiendo además filtros individuales para “aislar” el ruido proveniente de equipos eléctricos enchufados en la misma instalación (TV, LCD, PC…).
KNX El estándar KNX es un completo sistema integrado de automatización y control de edificios y viviendas, destinado a la aplicación de soluciones gradualmente compatibles, flexibles y rentables. Proporciona soluciones y su uso es apropiado tanto para las instalaciones simples y limitadas como para el sector del edificio completo. El estándar KNX da respuesta a las necesidades y requerimientos de los instaladores eléctricos durante las diversas fases de un proyecto, desde la planificación, instalación, puesta en marcha y el funcionamiento normal del sistema, hasta el mantenimiento del mismo. El estándar KNX nació de las exigencias de mayor flexibilidad y comodidad en las instalaciones eléctricas, unidas al deseo de minimizar las necesidades de energía. Las empresas participantes en la Asociación KNX garantizan que sus productos sean compatibles con el protocolo de comunicaciones. Ello se obtiene gracias a una rigurosa certificación de cada uno de los productos. Por ello se pueden emplear en una instalación KNX aparatos de distintos fabricantes con total interoperabilidad. Otra gran virtud de esta tecnología radica en el hecho de que sus diversos sistemas de comunicación están normalizados a nivel europeo (EN 50090 y EN 13321 -1), e incluso a nivel mundial (ISO/IEC 14543).
Se ofrecen 4 medios de transmisión de datos:
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“Twisted Pair” – TP: Se trata de un bus de control mediante cableado independiente (par trenzado) de uso exclusivo para la comunicación KNX. “Power Line” – PL: Se usa el cableado ya existente para la red de distribución eléctrica de 230 V. Este sistema es específicamente útil para instalaciones ya existentes, donde no es posible o no se desea instalar un bus independiente. Radio Frecuencia – RF: No se requiere ningún tipo de medio físico, ya que la comunicación se realiza mediante señales de radio frecuencia. Protocolo IP: la comunicación KNX se puede realizar también mediante mensajes IP, utilizando de esta forma todas las ventajas de sistemas tan abiertos como por ejemplo Ethernet o Internet.
Independientemente del sistema de transmisión elegido, cada componente de bus dispone de su propia inteligencia, por lo que no resulta necesaria una unidad central de control (por ejemplo, un ordenador), Por lo tanto, el KNX puede ser utilizado tanta para pequeñas instalaciones (viviendas) como en proyectos mucho más grandes (hoteles, edificios administrativos,…). La flexibilidad de la tecnología KNX permite que cualquier instalación pueda ser fácilmente adaptable a las necesidades cambiantes del usuario. Se permiten varios tipos de topologías, desde una única línea de comunicación con un máximo de 64 componentes (sin acoplador de línea; con acopladores: hasta 255), pasando por varias líneas (máximo 16 líneas = 1 área, con más de 4000 componentes), hasta un total de 16 áreas (con más de 60000 componentes).
LONWORKS El estándar Lonworks se basa en una arquitectura distribuida basada en un protocolo de comunicación Lontalk que puede ser transmitido por cable de par trenzado y/o línea de potencia (Power Line) principalmente. Las topologías en el medio cableado puede ser bus, anillo o topología libre, la velocidad estándar de comunicación por par trenzado es de 78.130bps, velocidad más que aceptable para poder afrontar todo tipo de edificios y con gran número de equipos. El tipo de cable por el que transmitir esta información es variado y diverso dependiendo de la longitud de la red empleada ya que puede se pueden hacer redes de hasta 2700 metros en bus sin repetidor.
El estándar LonWorks a través de los diferentes nodos o elementos de red proporcionan una solución completa a los problemas de los sistemas de control en
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viviendas y edificios: iluminación, regulación, climatización, control de accesos, incendios, control de persianas, control de toldos, pantallas táctiles, contadores de energia, etc. El comienzo de las redes LonWorks se basó en conceptos muy simples:
Los sistemas de fundamentalmente aplicación final.
control en vivienda y edificios son idénticos, independientemente de la
Un sistema de control distribuido es significativamente más potente, flexible, y ampliable que un sistema de control centralizado.
Reconfiguración de funciones sin tocar la instalación
Conectividad fácil y robusta a Internet.
El estándar LonWorks proporciona una solución a los múltiples problemas de diseño, construcción, instalación, y mantenimiento en viviendas y edificios, su tamaño puede variar de 1 a 32,000 dispositivos, se pueden usar en cualquier tipo de aplicación desde pisos, chalets, supermercados edificios corporativos, y de administración pública, a plantas petrolíferas, aviones y ferrocarriles; desde contadores eléctricos y energía a máquinas de mecanizado, desde rascacielos a viviendas particulares sin olvidar la potencia que tiene en servicios de comunicaciones.
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6. BIBLIOGRAFÍA
Cuaderno de divulgación. Domótica (2ª Edición) – CEDOM. Edit. AENOR. 2008.
LINKS DE INTERÉS Definición Domótica en Wikipedia CCS Ingeniería Lecciones de electrónica. Resitores PTC Componentes en electrónica Funcionamiento de un motor eléctrico Motores de corriente continua Funcionamiento de un motor de explosión Válvulas Corrientes continua y alterna Controladores lógicos programables
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7. ANEXO
A continuación se describirán los principales elementos de un sistema domótico:
7.1 SENSORES Como definición se puede aceptar la que denomina de esta forma al dispositivo que detecta manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos como el tamaño, la cantidad, la velocidad,… Otra definición sitúa al sensor como aquel dispositivo que aprovecha una cualidad propia para medir un fenómeno físico. En este caso se puede tomar como ejemplo el mercurio, que aprovecha su cualidad de dilatación para poder medir la temperatura. Existen dos tipos de sensores principalmente: eléctricos y electrónicos. Se definirá sensor a aquel elemento que transforma una magnitud física en otra analógica o digital, proporcionando un valor que pueda ser leído por el ser humano. Es un tipo de transductor. Además de este tipo de sensores, no se pueden olvidar los sensores químicos, ampliamente utilizados en medicina, procesos industriales,… Ejemplos de sensores pueden ser:
Sensores de temperatura: Termopar, Termistor Sensores de deformación: Galga extensiométrica Sensores de acidez: IsFET Sensores de luz: fotodiodo, fotorresistencia, fototransistor Sensores de sonido: micrófono Sensores de contacto: final de carrera Sensores de imagen digital (fotografía): CCD o CMOS Sensores de proximidad: sensor de proximidad
De entre ellos se pasará a detallar la composición y el funcionamiento de los más destacados y utilizados en las instalaciones que compondrán este curso.
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o
Termopar
Se denomina de esta forma al circuito formado por dos metales diferentes que debido a la diferencia de temperatura existente entre cada uno de sus extremos, produce un voltaje. A Cada uno de los extremos se le denominará “punto frío” y “punto caliente” respectivamente. Este tipo de sensor es ampliamente utilizado para medir esta magnitud. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. El problema se presenta cuando es necesaria una mayor precisión en el sistema. Este tipo de sensores no suelen proporcionar variaciones menores a un grado centígrado. Si se desea utilizar esta variedad de sensores para tan fina exactitud, el coste se verá incrementado en tal medida que será aconsejable el uso de otro tipo. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.
o
Termistor
Se denomina al elemento resistivo que sufre variaciones en el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura. El gradiente que poseen hace que sean muy utilizados para multitud de aplicaciones. Básicamente existen dos tipos de termistores: NTC y PTC Los termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) son elementos resistivos cuyo valor de su principal característica decrece a medida que aumenta la temperatura.
Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado. Sus principales compuestos de fabricación son óxidos de semiconductores como el níquel, zinc o el cobalto.
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La característica tensión‐intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión‐intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.
Si se sigue aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un calor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura consiguiendo que la resistencia del termistor NTC disminuya considerablemente, elevándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Esto sitúa al termistor en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad. El otro tipo de termistor que se puede encontrar es el PTC ( Positive Temperature Coefficient ). Se trata de un elemento resistivo de valor variable que aumenta a medida que sube la temperatura. Las principales aplicaciones de este tipo de termistor son:
Limitación de corriente
Sensor de temperatura
Desmagnetización
Protección contra el recalentamiento de equipos
Indicadores de nivel
Retardos en circuitos
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Termostatos
Resistores de compensación
En condiciones de temperatura muy elevada, este elemento puede pasar a tener un comportamiento de tipo NTC, perdiendo así sus principales propiedades. De esto que las aplicaciones a las que se puede aplicar este termistor, dependan de la temperatura, ya que podría dejar de funcionar de forma estable. Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.
o
Fotodiodo
Se denomina así al semiconductor construido con una unión P-N o estructura P-I-N cuya composición es sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. En un estado de correcto funcionamiento, debe estar polarizado de forma inversa. Esto ofrecerá una circulación de corriente tras ser excitado por la luz, generando así una tensión muy pequeña. Se denomina “corriente de oscuridad” a aquella corriente que se genera en ausencia de luz. Tienen un comportamiento similar a una célula fotovoltaica por tanto. El comportamiento de un fotodiodo ante una excitación luminosa es sencillo. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.
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o
Fotorresistencia
Se denomina así al componente electrónico cuyo valor resistivo disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Su nombre original fue Light-Dependent Resistor (LDR) aunque también puede ser reconocido por cualquiera de los siguientes nombres:
Fotorresistor Fotoconductor Célula fotoeléctrica
El componente básico de un fotorresistor es un material semiconductor de alta resistencia. Si se acude a la teoría de semiconductores se encontrará que su funcionamiento se basa en el hecho de que si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye el valor resistivo. Existen dos tipos de dispositivos fotoeléctricos: Intrínseco En este caso los electrones disponibles se hallan en la banda de valencia, por lo que la luz incidente deberá ser de una alta energía para que el electrón en cuestión atraviese toda la banda prohibida.
Extrínseco
En este otro caso existen impurezas agregadas hacen que el salto que tengan que realizar los electrones sea menor. Debido a esto la luz incidente podrá tener menos energía, lo cual se traduce en una longitud de onda mayor, lo que nos lleva a una frecuencia menor. Existen multitud de productos familiares donde se pueden encontrar este tipo de elementos: cámaras fotográficas, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad y sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente. Por último existe un tipo de fotoconductor cuyo funcionamiento se sitúa en la banda infrarroja. Su composición es Ge-Cu.
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o
Micrófono
El micrófono es un transductor electroacústico. Su función es la de transformar las vibraciones debidas a la presión acústica ejercida sobre su cápsula por las ondas sonoras en energía eléctrica. Los micrófonos se pueden dividir según varias clasificaciones:
o
Directividad. Tipo de transductor. Utilidad.
Final de carrera o Sensor de contacto
Este tipo de elementos se utilizan para modificar el estado de un circuito. Normalmente se sitúan al final del recorrido de un elemento móvil y suelen ser dispositivos de tres tipos principalmente:
Eléctricos Neumáticos Mecánicos
En su interior pueden contener interruptores abiertos o cerrados, o conmutadores dependiendo de la operación para la que hayan sido diseñados. Esto hace que la variedad de sensores de contacto que hay en el mercado sea muy amplia. Su composición suele ser bastante genérica en la mayoría de los casos. Esta consta de un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo. Como ejemplos clarificadores se pueden encontrar:
Ascensores Montacargas Robots
Existen distintos materiales a la hora de poder fabricar este tipo de elementos. Se puede utilizar:
Metal Plástico Fibra de vidrio
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Dentro de los dispositivos sensores de final de carrera existen varios modelos:
Honeywell de seguridad: Este final de carrera está incorporado dentro de la gama GLS de la empresa Honeywell y se fabrica también en miniatura, tanto en metal como en plástico, con tres conducciones metálicas muy compactas.
Fin de carrera para entornos peligrosos : Se trata en concreto de un microinterruptor conmutador monopolar con una robusta carcasa de aluminio. Esta cubierta ha sido diseñada para poder soportar explosiones internas y para poder enfriar los gases que la explosión genera en su interior. Este interruptor se acciona mediante un actuador de la palanca externo de rodillo que permite un ajuste de 360º.
Set crews: Estos tipos de finales de carrera se utilizan para prevenir daños en el sensor provocados por el objeto censado. Están compuestos por un cilindro roscado conteniendo un resorte con un objetivo de metal el cual es detectado por el sensor inductivo por lo que puede soportar impactos de hasta 20 N sin sufrir daños.
o
Sensor de proximidad
El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos.
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7.2 CONTROLADOR Se denomina controlador de dispositivo al programa informático que hará posible la comunicación entre el sistema operativo del sistema en cuestión y un periférico. En el mercado son más conocidos por su denominación anglosajona de “Driver”. Gracias a estos elementos es posible una abstracción de las partes físicas del sistema, proporcionando una interfaz que permita usarlas de una forma más sencillas. Estas interfaces normalmente son estándar. Se puede esquematizar como un manual de instrucciones que le indica cómo debe controlar y comunicarse con un dispositivo en particular. Por tanto, es una pieza esencial, sin la cual no se podría usar el hardware. Es posible encontrar tantos tipos de controladores como tipos de periféricos, y es frecuente encontrar más de un controlador posible para el mismo dispositivo, cada uno ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades. En esta parte, el correspondiente fabricante del dispositivo ofrecerá los controladores para poder utilizar el correspondiente hardware. Pero además de estos, es común poder encontrar otros controladores “no oficiales” que permiten su uso de una forma similar. Una posible clasificación dentro de los controladores sería: o
Genéricos
o
Específicos
Además se distribuyen actualizaciones a nuevas versiones, que pueden dar un mejor funcionamiento o corregir errores encontrados en versiones anteriores. Normalmente son los fabricantes del hardware quienes escriben sus controladores, ya que conocen mejor el funcionamiento interno de cada aparato, pero también se encuentran controladores libres, por ejemplo en los sistemas operativos libres. En este caso, los creadores no son de la empresa fabricante, aunque a veces hay una cooperación con ellos, cosa que facilita el desarrollo. Si no la hay, el procedimiento necesita de ingeniería inversa y otros métodos difíciles o con riesgos legales. Un fallo en el funcionamiento de un controlador puede llevar al hardware a un estado no controlado, siendo potencialmente inestable y con altas posibilidades de ser dañado. Es por tanto una parte crítica del sistema. Dentro de los errores que se pueden dar en los programas informáticos, este es sin duda uno de los principales y más delicados. En caso de ocurrir un fallo en un controlador, la búsqueda y resolución del mismo, se puede convertir en uno de los retos más complejos de superar. El motivo radica en que no solo se ha de monitorizar el código del programa, sino también el funcionamiento físico del propio elemento hardware.
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7.3 ACTUADOR Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado. Los más usuales son: o
o
Cilindros neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos lineales. Motores neumáticos e hidráulicos . Como definición de motor se puede tomar la de que es una máquina capaz de transformar la energía almacenada en combustibles, baterías u otras fuentes en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. Pueden realizar movimientos de giro por medio de energía hidráulica o neumática. Como ejemplo se puede observar el movimiento que producen en los automóviles, imprimiendo una fuerza.
Existen diversos tipos, siendo común clasificarlos en:
Motores térmicos Se denominan de esta forma cuando el trabajo se obtiene a partir de diferencias de temperatura.
Motores eléctricos Se denominan de esta forma cuando el trabajo se obtiene a partir de una corriente eléctrica.
Motores de combustión interna Se denominan de esta forma cuando el trabajo se obtiene de combustibles, como el petróleo, el alcohol, o aceites naturales (Biodiesel).
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o
Válvulas. Se denomina de esta forma a aquel dispositivo que regula el paso de líquidos o gases a través de tubos o conductos. Existen distintos tipos, entre ellos los más reseñables son:
Mando directo
Motorizadas
Electroneumáticas
Dentro de la bibliografía se pueden encontrar más definiciones que ayudarán a comprender mejor tanto el concepto como los distintos escenarios donde se pueden realizar:
o
Mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema. Mecanismo que impide el retroceso de un fluido que circula por un conducto. Pliegue membranoso que impide el retroceso de lo que circula por los vasos o conductos del cuerpo de los animales. Elemento de los aparatos de radio y televisión, parecido en su origen a una lámpara eléctrica de incandescencia, y que en su forma más simple consta de tres electrodos metálicos: un filamento, una rejilla y una placa.
Resistencias calefactoras. La denominación de resistencia se le otorgará al componente electrónico diseñado para oponer una resistencia eléctrica entre dos puntos cuales quiera dentro de un circuito determinado.
Existen muchas aplicaciones para este tipo de elementos. La principal cuando se habla de la temática a tratar en este curso es la producción de calor aprovechando el efecto Joule. Es frecuente encontrar la palabra resistor dentro de la bibliografía como sinónimo de resistencia de una forma más técnica.
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