Prototipo de pasarela residencial inteligente multicanal

Luis Felipe Herrera Quintero1

1 Grupo de Investigación en Teleinformática de la Universidad Nacional de Colombia. Bogota, Colombia.

http://www.gitun.unal.edu.co/ lfeli99@yahoo.com.ar

Resumen. En la actual sociedad de la información que se vive hoy en día, se da inicio a una temática bastante interesante que recoge varias áreas del conocimiento, para formar tres palabras que combinadas dan un sabor tecnológico puro y es lo que hoy se llama Pasarela residencial Inteligente. Todo esto se debe a que Internet gracias a su protocolo IP permite la integración de nuevas y diversas tecnologías dentro del hogar tradicional, por lo tanto los seres humanos puedan interactuar con su vivienda cuando no se encuentra en su interior. En los hogares existen una cantidad no definida de dispositivos (electrodomésticos) que tecnológicamente hablando están desconectados frente a la red de redes Internet, esto sucede como se dijo cuando el habitante no se encuentra en su vivienda, y es aquí donde las palabras Pasarela Residencial inteligente multicanal toman fuerza para diseñar con las diversas tecnologías de la sociedad de la información una solución útil para mejorar la interacción entre el hombre y su hogar.

1 Introducción

Los escenarios donde los seres humanos interactúan, en especial las viviendas no cuentan con sistemas inteligentes, por lo tanto la desarticulación tecnológica es inherente cuando su habitante se encuentra fuera del hogar. Hoy se busca la integración de la palabra inteligente a nivel residencial para obtener como resultado hogar inteligente o Vivienda Inteligente o Pasarela residencia [1] inteligente transformado la simple definición de hogar según el diccionario de la real academia española Centro de ocio en el que se reúnen personas que tienen en común una actividad, una situación personal o una procedencia en una vivienda con un sistema nervioso a tal punto que las paredes van a sentir (Frío o calor), las ventanas distinguirán el día de la noche, los electrodomésticos hablaran entre ellos, por ejemplo: Un microondas preguntándole al refrigerador que tiene en su interior para el sugerirle al habitante que puede hacer de comida, entre otras, y con esto su habitante podrá estar en completa comunicación con su hogar digital. Cuando se habla de pasarelas residenciales inteligentes se escucha en el ambiente el término domótica que se refiere a un conjunto de automatismos que se encuentran en el hogar.

1.1 Domótica

La Domótica en términos generales es posible definirla como la integración simultanea de las diversas áreas del conocimiento como lo son: las telecomunicaciones, la electrónica, la informática y la electricidad en el interior del hogar. El área de la domótica tiene como objetivo el mejoramiento de la calidad de vida de los seres humanos [1] y a su vez tiene como principio satisfacer las necesidades de los habitantes como por ejemplo: Facilitar el control integral de la vivienda, incrementar la seguridad en el hogar, ahorrar energía, dinero y tiempo, facilitar la oferta de nuevos servicios, y confort de las personas. La domótica permite a las personas una interacción con todos sus electrodomésticos y diversos dispositivos electrónicos cuando el habitante se encuentra fuera de su vivienda. Todo esto es posible gracias al protocolo Internet IP y a las diversas redes de telecomunicaciones que las tecnologías de la sociedad de la información ofrecen en la actualidad. A continuación se presenta el diseño de las interfaces inteligentes [2] que convierten el hogar tradicional en una pasarela residencial inteligente.

2 Diseño e Implementación de las Interfaces Inteligentes

El diseño e implementación de las interfaces inteligentes involucra una serie de conceptos que son los pilares del prototipo diseñado, y son los que a continuación se destacan.

2.1 Teoría de Control: Acciones de Control de dos Posiciones

Es necesario que para la interacción entre el hombre y su hogar exista una relación directa entre el y dispositivo que desea controlar, según esto, es fundamental saber cual es el tipo de control que el habitante va a tener sobre sus dispositivos o electrodomésticos. Para el caso del prototipo diseñado el tipo de control es de dos posiciones fijas que son encendido o apagado. El control de dos posiciones [3] es elegido dada su simplicidad y economía cuando se habla de costos para una vivienda tradicional, ya que lo que se pretende en la vivienda, es involucrar una inteligencia no tan robusta sino más bien básica y a partir de esto poder elevar más su complejidad.

2.2 Interfaz de hardware entre el ordenador y el sistema domótico

Las pasarelas residenciales inteligentes son los dispositivos frontera entre las distintas redes de acceso tanto externas como internas de la vivienda [2], y al hablar de ellas es preciso diseñar un dispositivo inteligente que contenga los componentes principales para la integración de los diversos electrodomésticos que hay en el interior hogar, con el exterior, ya sean por ejemplo Internet, dispositivos Móviles. Teniendo en cuenta esta premisa, es necesario conocer muy bien, desde un punto de vista físico, el ordenador. El ordenador cuenta con diferentes puertos de entrada y salida de datos con los cuales se pueden enviar, transmitir, recibir las tramas

adecuadas para el entendimiento entre él y la interfaz inteligente. El ordenador que hay en la vivienda cuenta con la mayoría de los siguientes puertos: el puerto paralelo, el de juegos, IRDA, el de video o VGA, el IEEE 1394 (Firewire), el USB, el serial, [4] y a partir de todos estos, se escoge el de mayor relevancia tanto económica como de articulación tecnológíca, que permita una integración sencilla a la vivienda inteligente. Para el caso de la interfaz diseñada, el puerto serial denominado también como RS-232 es escogido para la comunicación entre el ordenador y la pasarela residencial, dada las anteriores razones. En la siguiente Figura 1 se puede observar dicha Interfaz.

Fig 1. Interfaz Inteligente del sistema domótico (Pasarela Residencial Inteligente).

Como se puede observar en la figura anterior, a la interfaz inteligente se le denomina también Centro de Gestión que es donde se centraliza el control de los dispositivos o electrodomésticos de la pasarela residencial inteligente. Asimismo se pueden observar una serie de siglas como RTPBC (Red telefónica pública básica conmutada) y RTMC (Red de telefonía móvil celular) [5], que se relacionan directamente con las redes en que opera la interfaz, es decir el usuario del sistema puede interactuar con su vivienda utilizando un teléfono fijo mediante la utilización del sistema DTMF (Dual Tone Multifrecuency) [6] y tener un control de encendido o apagado de los dispositivos que hay al interior de la vivienda y lo mismo sucede utilizando la red de telefonía móvil celular.

En la figura mostrada, igualmente se puede observar la utilización del puerto serial, que conecta la interfaz inteligente al ordenador local, este es el encargado mediante software de gestión de dispositivos o electrodomésticos de llevar la información a Internet, y mediante un ordenador remoto es posible acceder a ella gracias al protocolo IP (Protocolo Internet) [7].

2.3 Tecnología de hardware embebido utilizada para el diseño de la Interfaz

Para el hogar inteligente es necesario contar con un dispositivo que se encargue del control de los distintos electrodomésticos que se hallen al interior del hogar, para esta interfaz es utilizado un microcontrolador [8] que es el común denominador en cuanto a mando o accionamiento de los electrodomésticos, también es el encargado de recibir la información y procesarla de acuerdo a la petición que haga el usuario, ya

sea encender o apagar un dispositivo en la vivienda. El microcontrolador escogido para la elaboración de la interfaz es de la marca Microchip gracias las siguientes razones [9]:

- Bajo costo - Alta velocidad de respuesta - Gran disponibilidad de información para estos circuitos integrados - Módulos duales de comunicación serial como I2C y USART - Temporizadores de 8, 16 bits para cuenta de pulsos digitales - Memoria Flash - Alta capacidad en Memoria RAM Otra razón importante es que los microcontroladores deben ser grabados en un

dispositivo especial a nivel de hardware, y para el caso de microchip existen implementaciones realmente económicas para el grabador.

Otro parámetro importante para escoger este microcontrolador es la gran estabilidad y la inmunidad al ruido que posee la marca Microchip gracias a su tecnología CMOS.

La pasarela residencial diseñada tiene como objetivo brindarle al habitante una forma bastante sencilla y fácil para gestionar su hogar, y así con esto pueda interactuar con los dispositivos que hay al interior del hogar desde cualquier parte del mundo.

El Microcontrolador escogido para diseñar e implementar la interfaz domótica es de la marca Microchip de referencia PIC16F877A y se muestra en a continuación su encapsulado:

Fig 2. Microcontrolador PIC16F877A.[8]

3 Diseño de la interfaz multicanal que soporta la red telefónica pública básica conmutada y la red de telefonía móvil celular

En la era de las tecnologías de la sociedad de la información es necesario conducir hacia la convergencia de redes de telecomunicaciones y en la pasarela diseñada se ha adicionado una módulo multicanal que interactúa con los dispositivos mencionados utilizando la red telefónica publica básica conmutada, la red de

telefonía móvil celular como se dijo anteriormente, y por supuesto la red de redes Internet a través de protocolo IP, este se ve en la siguiente Figura 3.

Fig 3. Interfaz de la pasarela residencial Inteligente con acceso multicanal

Es conveniente resaltar que la interfaz domótica no permite la utilización simultánea de la red de telefonía móvil celular y red telefónica publica básica conmutada sino que se dejan dos canales de acceso así: Internet-RTPBC o Internet-RTMC, como se observa el canal común es la red de Internet y se escoge el otro canal mediante el cual se controlen los dispositivos en el hogar. El modo de operación de la interfaz puede ser escogido por el usuario así: Internet-RTPBC o Internet-RTMC. Esto se diseño así para brindarle mayor seguridad al hogar, ya que por ejemplo: Si una vivienda tiene 5 puertas, los habitantes entrarían por muchas partes, y esto conllevaría a un flujo rápido de personas pero hay más posibilidades de que los amigos de lo ajeno también entren a la vivienda.

En el módulo de la red móvil celular se utilizó un canal de audio de un Celular Nokia 1100, haciendo uso del manos libres, que permite bajar los tonos DTMF a la interfaz inteligente y con esto se logra la transmisión de datos hacia la vivienda.

Desde el punto de vista conceptual, la pasarela residencial utiliza el sistema de señalización DTMF (Dual Tone Multi Frecuency) tonos duales de múltiples frecuencias, es decir señales de audio que no agregan ruido a la línea y no producen transitorios indeseables.

El sistema de señalización DTMF maneja un conjunto de frecuencias bajas y un conjunto de frecuencias altas o tonos bajos y tonos altos. Para cada dígito del 1 al 0 presionado por el usuario se enviará la suma algebraica de dos señales senoidales una del conjunto de tonos bajos y otra del conjunto de tonos altos, de acuerdo a la siguiente Figura 4:

1 2 3 A

4 5 6 B

7 8 9 C

* 0 # D

Teclas Opcionales

679 Hz

770 Hz

852 Hz

941 Hz

1209 1336 1477 1633 Hz

1 2 3 A

4 5 6 B

7 8 9 C

* 0 # D

Teclas Opcionales

679 Hz

770 Hz

852 Hz

941 Hz

1209 1336 1477 1633 Hz

Fig 4. Sistema de señalización DTMF [6]

Por ejemplo: Cuando el usuario oprima la tecla 6 se envía la señal que es la suma de dos senoides, una de frecuencia 770 Hz. y la otra de 1477 Hz, y la central telefónica podrá decodificar esta señal como el dígito 6 y obrará en consecuencia.

Una de los características para tener en cuenta es que los tonos solo pueden tener desviaciones de ± 1.5 % de su fundamental (banda base), y normalmente la señal de tono alto es 3 a 4 dB más fuerte que la de tono bajo[10].

Actualmente existen una gran variedad de circuitos integrados, tanto generadores, como detectores DTMF, para la pasarela residencial es utilizado el circuito de Mintel MT8870 que cubre con las necesidades del hogar digital, dando una gran estabilidad al sistema domótico, este circuito decodifica los tonos DTMF que son señales análogas de múltiples frecuencias y las convierte en un numero binario equivalente, luego este es llevado al microcontrolador para determinar de acuerdo al código recibido una acción de control.

3.1 Sistema de seguridad

Para la pasarela residencial se ha creado un sistema de seguridad que consiste en una clave de 5 dígitos que permite al usuario el acceso a la vivienda y dependiendo de su validación, el podrá o no, controlar los distintos dispositivos al interior del hogar.

Asimismo, la pasarela residencial posee un contador de 55 segundos que es activado cuando alguien llame a la vivienda. El tiempo mencionado se utiliza para que el usuario pueda hacer lo que el desea, por ejemplo encender el calentador o encender una bombilla o viceversa, esto se elaboro teniendo en cuenta que algunos operadores cobran por minuto de llamada, si este tiempo se agota el sistema se desconectará , es decir la pasarela residencial inteligente no atenderá mas al usuario hasta una próxima llamada. A continuación se muestra un diagrama de bloques del sistema inteligente:

Detección De la

llamadaDTMF

RedTelefónica

TemporizaciónDescuelgue Automático

Control

Red Celular

Internet

Hogar Inteligente

Sistema de

Seguridad

Detección De la

llamadaDTMF

RedTelefónica

TemporizaciónDescuelgue Automático

Control

Red Celular

Internet

Hogar Inteligente

Hogar Inteligente

Sistema de

Seguridad

Fig 5. Diagrama de bloques del sistema domótico

4. Modelo de las interfaces dentro de la pasarela residencial inteligente multicanal

En las interfaces, se utilizo un modelo que soporta como máximo 15 habitaciones y en ellas se pueden albergar hasta 14 dispositivos por habitación para que sean controlados y monitoreados en la vivienda. Como cerebro de cada habitación se utilizo un microcontrolador de la marca microchip con referencia PIC12F675 (En la realidad, se utilizo un modelo reducido a 4 habitaciones cada una con una carga o electrodoméstico) y este es el encargado de comandar el electrodoméstico en su encendido o apagado. A continuación en las Figura 5 y 6 se muestra el modelo real implementado pero a nivel reducido con solo 4 habitaciones.

Fig 5. Modelo de las Interfaces para la pasarela residencial inteligente multicanal [11]

Fig 6. Pasarela residencial inteligente multicanal reducido con 4 habitaciones

4.1 Red de Habitaciones manejadas por las interfaces de la vivienda inteligente. Concentrador de Red de la vivienda.

Aquí se llega a una nueva interfaz que es la encargada de gestionar el encaminamiento de la trama para las habitaciones pertinentes. En modelo de vivienda inteligente anterior se presenta un concentrador o hub que fue implementado sobre un microcontrolador PIC12F675, este módulo funciona de la siguiente manera: Cuando se envía un trama de datos al concentrador, este se comporta como en una red real de ordenadores, la transmisión de la trama le llega al hub, y a su vez este la envía a todas las habitaciones, ya que en la trama de datos enviada hay una parte que identifica la habitación y otra a el dispositivo de control y lo mismo su función ya sea apagar o encender el electrodoméstico. El hub se muestra en la figura 7.

Fig 7. Concentrador de la vivienda o modulo de red de las habitaciones

4.2 Interfaz de Potencia de las cargas o electrodomésticos utilizados dentro de la vivienda inteligente

Como se dijo, dentro de la vivienda existen una serie de electrodomésticos, y estos funcionan con voltaje de 110 voltios y 60 Hz en frecuencia. La interfaz fue diseñada con relés de estado sólido, lo que permite una gran estabilidad a la hora de conmutar los 110 voltios entre sus dos estados encendido y/o apagado para los distintos electrodomésticos. Un relé de estado sólido es aquel que se implementa con dispositivos de estado sólido como tiristores y transistores, en lugar de contactos electromecánicos, para conmutar cargas de potencia a partir de señales de control de bajo nivel como por ejemplo niveles TTL[12]. Los relés de estado sólido son bastante seguros por la forma de conmutación de los tiristores mientras que las chispas ocasionadas por un relé electromecánico pueden producir incendios en presencia de algún escape de gas. Las ventajas más sobresalientes los relés de estado sólido son [13]:

- La conmutación se hace rápidamente. - Son livianos, silenciosos y confiables - No se desgastan - Conmutan altas corrientes y altos voltajes - No genera arco eléctrico en ambientes hostiles Así, de acuerdo a estas consideraciones este tipo de relés son escogidos para el

manejo de todas las cargas eléctricas de la vivienda. En la siguiente Figura 8 muestra el sistema y además se nota un pequeño pulsador rojo al lado derecho, este simula el suiche que hay en la vivienda para encender la bombilla. Como dato técnico esta interfaz esta diseñada para que el electrodoméstico no supere los 7 amperios en corriente.

Fig 8. Interfaces de Potencia de la habitación 2

4.3 Interfaz de Usuario para el interior del hogar digital

En el diseño de las interfaces, se realizó una para el control local dentro de la pasarela residencial inteligente [14], esta se muestra la siguiente Figura 9

Fig 9. Interfaz de Usuario local al interior de la vivienda

Esta interfaz fue diseñada con el propósito de tener centralizado el control de las diferentes habitaciones en un solo lugar, así como el monitoreo de los diferentes electrodomésticos que hay en cada una de las habitaciones del hogar inteligente. Desde allí se puede acceder a cada habitación y manipular cualquiera de los cuatro electrodomésticos que para el caso del diseño reducido se tienen.

A continuación se habla del diseño e implementación de la interfaz del sistema de software que se manejo para esta implementación.

5. Diseño implementación del software encargado de gestionar los diversos dispositivos que se encuentran al interior del hogar inteligente sobre el canal IP (Protocolo Internet)

Para el diseño e implementación de la interfaz de software es utilizado la herramienta Java que es un lenguaje de programación orientado a objetos desarrollado por Sun Microsystems. Fue modelado sobre C++, para ser pequeño, simple y portable entre plataformas, su costo es gratuito por lo tanto, desarrollar en esta herramienta es muy adecuado para que la interfaz sea implementada.[15]

5.1 Java es un lenguaje de programación para Internet

En la actualidad, los microprocesadores han sido incorporados en una gran variedad de dispositivos como beepers, escáneres, faxes, y teléfonos móviles, asistentes personales digitales (PDA). Estos dispositivos han sido conectados a diferentes redes. Los programas Java pueden ser usados para acceder a los datos a través de una red sin importar la plataforma origen. Java también puede ser utilizado para construir aplicaciones distribuidas que usan recursos de otro computador en la red.[15]

5.2 Aplicaciones WEB

Hoy en día hablar de Internet es lo más común, pero para darle mayor funcionalidad y capacidades es necesario que se manejen aplicaciones Web que busquen una perfecta interacción con el usuario creando ambientes bastante amigables y

personalizados para cada navegante en la red. Para tal propósito se desarrollan modelos dinámicos que generan un contenido único para la solicitud particular de un cliente.[15]

La Figura 10, describe a nivel general una aplicación Web, partiendo de una capa cliente que lo que hace es una solicitud de información a un servidor, el cual con la petición del usuario genera un contenido dinámicamente a partir de una plantilla y una consulta a una Base de Datos, para luego responderle al internauta.

El proceso de solicitud del cliente al servidor es lo que se determina como un Request (peteción) y el de respuesta por parte del servidor un Response (Respuesta).

Servidor WEB

Cliente

ClienteBD

Fig 10. Modelo General de aplicación Web

Luego de observar algunas potencialidades del software java a continuación se describe uno de los apis que permite el manejo de los puertos que posee el ordenador.

5.3 Javacomm (Java Communications)

La versión del API Java communications soporta el manejo del puerto serial RS232 y el puerto paralelo IEEE 1284, con una funcionalidad que permite hacer lo siguiente:

- Detectar los puertos disponibles en el sistema. - Abrir y tomar control de los puertos. - Resolver el manejo de los puertos entre múltiples aplicaciones. - Manejar el desempeño en los puertos en cuanto entrada/salida asíncrona y

sincronía. - Recibir eventos que describan la comunicación de los puertos y su cambio de

estado. De acuerdo con esta cualidad que posee el software JAVA se permite utilizar los

puertos de la computadora para transmisión y recepción de datos por lo tanto para el diseño utilizado se maneja el puerto serial RS232 por el cual se interactúa con la pasarela residencial inteligente.

6. Prototipo de Pasarela Residencial Inteligente Vía Internet

Lo que pretende el prototipo principalmente es manipular los electrodomésticos de un hogar vía Internet. Básicamente consiste en cuatro capas:

Capa cliente Los usuarios establecen comunicación con el sistema, a partir de un navegador

Web. Capa aplicación servidor Web Servidor que trabaja con el protocolo HTTP y permite la interacción directa con el

usuario. Capa información – Base de Datos Donde se encuentra almacenada la información de los diferentes usuarios, que

tienen permisos para manipular los dispositivos. Capa aplicación domótica – servidor domótico. En la figura 11 se puede observar el aplicativo de la interfaz de software diseñada

para la interacción del hogar inteligente. En esta figura también, se puede observar que hay un botón que dice Ver vivienda, el cual permite vigilar el hogar digital mediante fotos actualizadas cada 30 segundos y con ello los habitantes que se encuentren fuera del hogar pueden ver lo que esta pasando en la vivienda. Para ingresar a esta web, es necesario un sistema de validación de usuario, lo que genera mayor seguridad para el habitante virtual de la vivienda.

Fig 11. Aplicativo Web de la pasarela residencial inteligente multicanal.

7 Conclusiones

Las interfaces diseñadas para la vivienda son las encargada del manejo de los electrodomésticos y otras variables al interior del hogar, en su funcionamiento se desempeña satisfactoriamente y da una solución para articular las diversas tecnologías que se encuentran en el hogar digital mediante canales web o vía móvil o canales telefónicos.

Los elementos utilizados para el desarrollo de la interfaz son de tecnología embebida y esto ayuda mucho a los costos de la interfaz para los usuarios.

El uso de software orientado a objetos como Java permite una flexibilidad en cuanto a la portabilidad del código y la fácil reutilización de este. En el diseño de estas interfaces se observa como las tecnologías de la sociedad de la información permiten que las diversas redes de telecomunicaciones se interconecten en la interfaz.

La domótica es una de las áreas donde las tecnologías de la sociedad de la información juegan un papel fundamental en la construcción del nuevo hogar digital y en el aumento de la calidad de vida y el confort del ciudadano. A nivel inmobiliario la construcción de viviendas inteligentes permiten al sector de las tecnologías de la sociedad de la información la generación de nuevos servicios de valor agregado.

En el hogar inteligente es fundamental hablar de seguridad para el ciudadano debido a que la vigilancia y confiabilidad en los sistemas domóticos permiten la tranquilidad de su habitante cuando se encuentre fuera del hogar. Con los sistemas domóticos se optimiza la variable tiempo, según la necesidad presentada por el habitante ya que puede telegestionar su vivienda y puede cumplir con sus compromisos o labores familiares.

Referencias

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México. 2003 4. Martín, José Maria, Hardware Microinformático viaje a las profundidades del PC,

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practico y aplicaciones, Mc Graw Hill España 2000. 10. Hernández, Jorge, Fundamentos de Telefonía, Revista Electrónica y Computadores

CEKIT, Conosur, Argentina, 1999. 11. Herrera Quintero, Luis Felipe, Modelo de vivienda Inteligente vía IP, Colombia

2005. 12. Tocci, Ronald, Sistemas digitales principios y aplicaciones. Ed Prentice Hall

Hispanoamericacna S.A, Mexico 1996 13. Hernández, Jorge, Relés de Estado Sólido, Revista Electrónica y Computadores

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