implementación de protocolos inteligentes de comunicación y
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1. comunicarse con otros m dulos por medio del XBee instalado en la PCB El microcontrolador utiliza los pines destinados para la comunicaci n serial que cuentan con un transmisor receptor as ncrono universal UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter interno estos pines se conectan a los pines Dout y Dint en el XBee El XBee transmite la informaci n recibida por el pin Dint hacia los otros m dulos instalados en el rango de cobertura y estos a su vez transmite la informaci n a m dulos m s lejanos en caso de ser necesario Por otra parte toda la informaci n recibida por el modulo XBee es transmitida por el pin Dout hacia el dispositivo de control D Resultados Se realizaron pruebas del prototipo con dos m dulos XBee la primera de ellas realizada con un modulo XBee conectado al computador por medio del Explorador XBee el cual se CA 06 5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIER A EL CTRICA V CIBELEC 2012 conecta al puerto USB En esta prueba se verifica el control manual proveniente de dispositivos remotos conectados a un computador con su respectiva interfaz de usuario para el f cil control del sistema dom tico lectora de estado control de sistemas de seguridad activaci n y desactivaci n de actuadores El segundo tipo de prueba fue realizada entre dos placas de control con las cuales se verifico la confiabilidad de la comunicaci n Con esta prueba se verifico la interconexi n de act2. dise o de una tarjeta est ndar que permitiera el control de actuadores y sensores pero con la capacidad de variar su programaci n esto con el fin de comercializaci n a futuro de este tipo de tecnolog as aplicadas a sistemas dom ticos Entre los distintos tipos de dispositivos programables que se encuentran comercialmente se opt por utilizar microcontroladores para el prototipo inicial ciertos microcontroladores de gama media cuentan con prestaciones de comunicaciones seriales utilizando UART variedad de puestos de entradas salidas an logas y digitales entre otras Adem s cuenta con la ventaja de tener software para su programaci n gratuita suministrados por los fabricantes Para la implementaci n del prototipo se utilizo un microcontrolador 16F877A El c digo implementado para el control tiene como objetivo la lectura de sensores como detectores de intrusos sensores de temperatura entre otros que el dise ador considere necesarios El controlador tambi n est programado para controlar los actuadores que en este caso son alarmas sonoras control de iluminaci n y climatizaci n El programa desarrollado tiene funciones de sistema de seguridad control ON OFF de equipos sistemas remotos y locales para el control manual del usuario El c digo implementado utiliza aproximadamente un veinte cinco por ciento 25 de la memoria del microcontrolador esto permite hacer sistemas mucho m s complejos o reducir el tama o del microco
3. los actuadores permiten manipular ciertas variables para el control de procesos como los son la climatizaci n la ambientaci n y los sistemas de alerta De lo anterior se puede decir que los sistemas dom ticos e inm ticos tienen elementos y condiciones similares a los procesos de control cl sicos como los son el control de lazo abierto y lazo cerrado los sistemas de control utilizados en la dom tica y la inm tica son por lo general basados en l gicas digitales las cuales permiten realizar m ltiples procesos de control utilizando un nico dispositivo Entres los controladores disponibles se encuentran controladores l gicos programables microcontroladores dispositivos FPGA y CPLD sistemas computarizados entre CA 06 5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIER A EL CTRICA V CIBELEC 2012 otros Estos dispositivos tienen diferentes ventajas y desventajas entre las m s significativas se encuentran el precio de implementaci n la dificultad al instalarlos y la aplicaci n que se desea desarrollar por lo que se recomienda estudiar detenidamente estos detalles antes de iniciar alg n tipo de trabajo como el descrito en este articulo IV IMPLEMENTACI N DEL PROTOTIPO PRUEBAS Y RESULTADOS En la figura 3 se presenta el diagrama de bloques del prototipo implementado este prototipo est conformado por una placa de circuito impreso o PCB printed circuit board que corresponde a la parte superior de la i
4. principalmente para programar los m dulos variando las caracter sticas de los registros de identificaci n y direccionamiento puede ser utilizado como el hyperterminal de Windows y nos permite realizar pruebas de se al a los dispositivos que conforman la red Zigbee En este art culo se utilizo la programaci n de la memoria no vol til esto se realiza utilizando la opci n Modem Configuration en el X CTU Este tipo de configuraci n resulta ideal para este tipo de aplicaciones debido a la imposibilidad de programar los m dulos con instrucci n desde los sistemas de control El X CTU permite configurar los m dulos Xbee en modo APT o en modo AT o transparente El modo API presenta una dificultad en el manejo de los datos aunque reduce la electr nica y las interconexiones entre dispositivos aumentan el nivel de programaci n en el control por sus caracter sticas los m dulos end devise o dispositivo final cuentan con la capacidad de pasar a un estado inactivo en donde el consumo de energ a es m nimo de igual modo tiene la capacidad de utilizar los puertos de entradas an logas entradas digitales salidas digitales y salidas con modulaci n por ancho de pulso PWM Pulse width modulation El modo AT por otra parte tiene mayor simplicidad en su funcionamiento ya que el modulo solo transmite informaci n que es ingresada por el pin Din Pin 3 y entrega toda la informaci n por el pin Dout Pin 2 que recibe por RF El m
5. 5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIER A EL CTRICA V CIBELEC 2012 IMPLEMENTACI N DE PROTOCOLOS INTELIGENTES DE COMUNICACI N Y CONTROL GENERANDO NUEVAS SOLUCIONES EN AUTOMATIZACI N Y SISTEMAS DE DOM TICA E INM TICA Freddy A Leal Gonz lez Marlon M Hern ndez Cely Resumen El estudio e implementaci n de sistemas dom ticos e inm ticos utilizando protocolos inal mbricos inteligentes de comunicaci n y sistemas autom ticos de bajo costo nos permiten dar soluciones de control Dentro de estos protocolos podemos encontrar el Zigbee que se utiliza para controlar sin restricciones en distancias y cantidad de instrumentos Por medio de este control inal mbrico proporcionado por el protocolo Zigbee en conjunto con dispositivos programables como controladores l gicos programables o PLC Programmable Logic Controller los arreglos de compuertas programables de campo FPGA Field Programmable Gate Array microcontroladores etc Se pueden tomar las variables para controlar el confort seguridad y entretenimiento en el hogar y la industria aportando nuevas soluciones al rea de dom tica e inm tica en el contexto actual de automatizaci n En este art culo se presentan un prototipo basado en elementos programables con el fin de utilizar t cnicas de control digital y m dulos de comunicaci n zigbee para realizar una red de elementos que conformen un sistema complejo Palabras claves dom tica inm tica pro
6. Bluetooth 8 dd DAAA CAAA DAAA Y n 2 B 14 15 16 17 18 19 20 2 22 23 24 25 26 2405 2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450 2455 24602465 2470 24752480 802 Mb g 11 1 6 2412 2437 2462 PF 2400 2483 5 802151 FIG 2 DISTRIBUCI N DE CANALES EN LA BANDA DE 2 4 GHZ DE LA TECNOLOG A ZIGBEE BLUETOOTH Y WIFI Zigbee utiliza para el empaquetamiento de los datos cuatro 4 deferentes tipos de paquetes estos son datos ACK baliza y MAC El paquete de datos tiene la carga de datos que pueden ser hasta 104 bytes el paquete ACK o paquetes de reconocimientos el cual confirma que el paquete se ha recibido sin errores el paquete baliza se recarga del control a distancia y la configuraci n de los dispositivos y o nodos por otra parte el paquete MAC utiliza el modelo de seguridad de la subcapa MAC IEEE 802 15 4 el cual especifica 4 servicio de seguridad e Control de acceso Datos de encriptaci n Integraci n de tramas Secuencia de refresco Lo anterior tomado del documento El Est ndar Inal mbrico Zigbee de Valverde Rebaza Jorge Carlos 7 III SISTEMAS DE CONTROL EN LA DOM TICA Y LA INM TICA En las instalaciones de dom tica y de inm tica se utilizan elementos similares a los utilizados en los sistemas de automatizaci n e instrumentaci n en estos sistemas contamos con sensores que nos indican el estado en tiempo real de las condiciones necesarias para la toma de decisi n y la manipulaci n de actuadores
7. magen y un sistema remoto que funcionan como mando para el usuario final este control de usuario permite libertad de controlar los actuadores seg n el usuario lo desee permitiendo desde tomar lectura de las condiciones ambientales acceder al sistema de seguridad realizar pruebas de se ales sonoras visuales y modificar condiciones como la iluminaci n por sectores sistema de comunicacion driver para actuadores sistema de control sensores computador personal sistema de comunicacion FIG 3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROTOTIPO IMPLEMENTADO El prototipo se implemento en un PCB realizado de manera manual lo que deja sujeto a la reducci n del prototipo significativamente si se utilizase procesos automatizados La PCB tiene la capacidad de comunicarse tomar decisiones de acuerdo a su programaci n teniendo en cuenta las se ales indicadoras proveniente de los sensores y manipular actuadores externos A Sistema de comunicaci n Los m dulos Xbee producidos por la compa a MaxStream permiten la implementaci n de comunicaciones inal mbrica utilizando el protocolo Zigbee En la Fig 4 se aprecia un modulo Xbee PRO que permite la f cil instalaci n en PCB 9 ISBN 978 980 7185 2 23 FIG 4 MODULO XBEE PRO Idigi International Inc Desarrollo el software X CTU utilizado para la configuraci n de los m dulos Xbee y es distribuido de manera gratuita en su p gina oficial El X CTU es utilizado
8. ntrolador con el fin de reducir la PCB en pr ximos prototipos C Implementaci n El prototipo implementado en una PCB se muestra en la Fig S en donde se muestra dividida por recuadros de colores el recuadro de color rojo encierra al modulo XBee instalado en la PCB encargado de la comunicaci n inal mbrica con otros m dulos el cuadro de color morado son 8 pines de salida conectados al microcontrolador utilizado para proporcionar control local del sistema de control por medio de un teclado matricial o juego de botones el cuadro azul es el microcontrolador 16F877A encargado de realizar las t cnicas de control programadas en este el cuadro amarillo son cuatro 4 conectores utilizados para la conexi n de sensores an logos o digitales el cuadro verde es un puerto utilizado para el control driver y el manejo de actuadores utilizando comunicaciones en paralelo ISBN 978 980 7185 2 A AAA AAA AAA FIG 5 IMAGEN DE LA PCB IMPLEMENTADA COMO CONTROL PARA SISTEMAS DOM TICOS En la Fig 6 se muestra el esquematico de forma resumida falta el circuito oscilador el regulador de voltaje y secciones de acople e indicadoras en donde se aprecean los elementos mas significativos del sismeta del mismo modo a la figura 5 se aprecian las secciones separadas por cuadros de distintos colores como metodo descriptivo pt 2f 2S2 Duhh uua FIG 6 ESQUEM TICO RESUMIDO DE LA PCB DE LA FIGURA 5 El control cuenta con la capacidad para
9. odo AT es para este prototipo la primera opci n por la forma de manejar la informaci n aunque no se descarta la aplicaci n del modo API para prototipos futuros que permitan aumentar la capacidad de dispositivos conectados sin aumentar la complejidad del hardware de control Para la configuraci n de una red en modo AT se debe asignarse el pan id en todos los m dulos que componen la red Los registros Destination Address High DH Destination Address Low DL son los registros que indican la direcci n destino d cada modulo Xbee Los registros Serial Number high SH y Serial Number low SL son los registros de identificaci n de cada modulo utilizando estos dos registros podemos direccionar una comunicaci n entre los m dulos que CA 06 5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIER A EL CTRICA V CIBELEC 2012 el dise ador considere necesario Para la programaci n de los dispositivos se debe seleccionar un modulo central para ser programado como Coordinador AT y los dem s como Router End Device AT Despu s de instalados los m dulos Xbee y configurados correctamente el software X CTU nos permite verificar el funcionamiento y la calidad de la comunicaci n La opci n Range test nos permite enviar una trama de informaci n para verificar la recepci n de la misma trama para esto el modulo receptor debe tener unido los pines Dout y Din B Sistema de control Para la implementaci n de un prototipo se pens en el
10. os de compuertas programables de campo FPGA Field Programmable Gate Array dispositivos l gicos programables complejos CPLD Complex Programmable Logic Device los microcontroladores y los sistemas computacionales entre CA 06 5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIER A EL CTRICA V CIBELEC 2012 otros Con elementos de comunicaciones inal mbricas de bajo costo como lo es Zigbee basado en el est ndar IEEE 802 15 4 II PROTOCOLO ZIGBEE Zigbee es un protocolo de comunicaciones inal mbrico basado en el est ndar IEEE 802 15 4 creado por Zigbee Alliance Zigbee permite comunicaciones inal mbricas de bajo consumo especialmente til para redes de sensores en entornos industriales m dicos y dom ticos Las comunicaciones zigbee se realizan en la banda libre de 2 4 GHz cuenta con 16 canales el alcance var a entre los 30 metros m ximos en interiores y 100 metros en exteriores la transmisi n de datos es de 256Kbps y puede contener hasta 65535 dispositivos Tiene como ventajas el bajo coste bajo consumo de potencia uso de banda de radio libre y sin necesidad de licencia instalaci n econ mica y simple redes flexibles y extensible El protocolo zigbee permite desde reemplazar un cable por una comunicaci n serial inal mbrica hasta el desarrollo de configuraciones punto a punto punto a multipunto peer to peer todos los nodos conectados entre s o redes complejas de sensores La red zigbee est fo
11. rmada b sicamente por tres 3 elementos un nico dispositivo coordinador dispositivos router y dispositivos finales end points Una de las mayores aportaciones del protocolo zigbee y el que mayor inter s despierta es el concepto de la red nodal o mesh network por el que cualquiera dispositivo pueda conectar con otro utilizando varios dispositivos como repetidores En la Fig 1 se aprecia diferentes topolog as de redes disponibles en zigbee 7 Mesh Cluster Tree FIG 1 TOPOLOG AS DE REDES DISPONIBLES EN Z GBEE De lo anterior podemos describir algunas caracter sticas en la implementaci n de tecnolog as de comunicaciones basadas en el protocolo Zibgee e ZigBee opera en las bandas libres industrial cient fica y m dica ISM Industrial Scientific and Medical No se ve afectado por redes WiFi o Bluetooth Cada red ZigBee tiene un identificador de red nico Es un protocolo de comunicaciones multi salto Tiene una velocidad de transmisi n de 250 Kbps Cobertura de 10 a 100 metros Zigbee aunque comparte los rangos de frecuencia con el est ndar WiFi IEEE 802 0p11 y Bloetooth IEEE 801 15 1 ISBN 978 980 7185 2 24 no deber a verse afectado por este tipo de comunicaciones debido a su distribuci n de canales zigbee cuenta con 16 canales de 5 MHz En la figura 2 se muestra las diferentes canales se muestra los diferentes canales utilizados por la est ndares 802 15 4 zigbee 802 11b g Wifi y 802 15 1
12. sarrollo de estas tecnolog as 1 2 La tecnolog a Zigbee por otra parte como una posible soluci n a las comunicaciones en hogares y edificios ya construidos nos presentan grandes ventajas 3 En los ltimos a os se han presentado varios trabajos basados en tecnolog as de comunicaci n utilizando identificaci n de radio frecuencia RFID Radio Frecuency IDentification En distintos trabajos se pueden apreciar aplicaciones para la tecnolog a RFID en procesos donde se requiera el transporte de la informaci n 4 5 En 2010 se presenta el trabajo Dise o e implementaci n de un prototipo de sistema de monitoreo para los equipos de laboratorio mediante RFID que utilizaba una combinaci n entre el protocolo Zigbee y el protocolo TCPAP 6 Actualmente empresas reconocidas como Siemens y Schneider entres otras promueven equipos electr nicos que permiten comunicaciones inal mbricas de corta distancia basados en Zigbee dando soluci n a problem ticas en la industria la dom tica y la inm tica En este art culo se implemento de un prototipo de bajo costo que permite demostrar su aplicabilidad y funcionalidad en sistemas complejos de igual modo su adaptabilidad a las diferentes tecnolog as que se encuentran en el mercado El prototipo basado en microcontroladores nos permite demostrar la utilidad de elementos de control digital como lo son los controladores l gicos programables o PLC Programmable Logic Controller los arregl
13. talarios SINHO Revista de ingenier a biom dica volumen 4 Grupo de investigaci n TIGUM Universidad Militar Nueva Granada Colombia 2010 Leonardo Pedraza y Jefferson Gonz lez Dise o e implementaci n de un prototipo de sistema de monitoreo para los equipos de laboratorio mediante RFID Universidad Nacional de Colombia Faculta de Ingenier as 2010 Valverde Rebaza Jorge Carlos El Est ndar Inal mbrico Zigbee Universidad Nacional de Trujillo Per 2007 Schneider Electric Zigbee Setting Standards for Energy Efficient Control Networks 2011 Disponible en http www2 schneider electric com documents support white papers 40110601_Zigbee_EN pdf Andr s Oyarse Guia de Usuario Xbee serie 1 Ingenier a MCI LTDA 2010 CA 06
14. tocolos inal mbricos Zigbee automatizaci n instrumentaci n I INTRODUCCI N La dom tica y la inm tica nos presentan una gran variedad de aplicaciones que buscan la comodidad de los usuarios que habitan o laboran en instalaciones con este tipo de tecnolog as Aunque los estudios sobre este sector de la ingenier a iniciaron hace m s de dos 2 d cadas se apreciar poco nivel de implementaci n debido a diferentes factores entre estos est n poca experiencia en empresas instaladoras Art culo recibido el 3 de Febrero de 2011 F A L G Y M M H C est n con la Universidad Francisco de Paula Santander Facultad de Ingenier a Plan de estudio de ingenier a Electr nica Grupo de Investigaci n en Automatizaci n y Control GIAT C cuta Norte Colombia TIf 7 5776655 freddy alejandro leal hotmail com Marlon25_3 hotmail com de Santander E mail ISBN 978 980 7185 2 ausencia de normativa excesiva tecnolog a en mercado inexistencia de recomendaciones desconocimiento de ventajas del usuario poca informaci n por promotor y alto coste de la tecnolog a El estudio de la dom tica desde un punto de vista socio cultural y como necesidad para el control eficiente de los recursos con los que contamos como parte de la soluci n del ahorro energ tico y asociado al confort de cada individuo en su hogar ha tomado fuerza en los ltimos a os en pa ses como Espa a que ya cuentan con leyes que buscan incentivar el de
15. tros de funcionamiento puede variar de un modelo a otro Zigbee puede funcionar en ambientes de alto trafico de comunicaciones inal mbricas con alta confiabilidad debido al m todo de empaquetamiento y modo de transmisi n en situaciones de prueba se comprob una eficiencia del cien por ciento 100 en la resecci n de datos a una distancia de 25 metros en interiores y una interferencia electromagn tica considerable Como recomienda como futuras investigaciones la creaci n de una interfaz de usuario que permita perfeccionar los estudios relacionados con este tema REFERENCIAS BIBLIOGR FICAS 1 Carlos Navares Inm tica y eficiencia energ tica gesti n en tiempo real de las instalaciones director de redes avanzadas de comunicaciones y sistemas en tiempo real 2008 2 Hugo Mart n Dom nguez y Fernando S ez Vacas Dom tica un enfoque sociot cnico Primera edici n E T S I de telecomunicaciones Universidad Polit cnica de Madrid 2006 ISBN 978 980 7185 2 3 4 6 7 9 Jamie Furness Tiene futuro zigbee Director global de desarrollo tecnol gico de Farnell 2008 Ernesto J Garc a Davis Implementaci n de protocolos de transporte en redes de sensores Universidad Tecnol gica de Catalunya Julio de 2009 Dora Mar a Ballesteros Harvey Enrique Melo Ascanio Jos Maya Quintero Sistema de transmisi n inal mbrica de se ales ECG y de temperatura para ambientes hospi
16. uadores y sensores aunque no est n conectados en la misma placa de control En estas dos pruebas se obtienen los resultados esperados y recomendaciones de las cuales nos permite avanzar y realizar mayores trabajos con este tipo de tecnolog as en busca de la optimizaci n del sector de la dom tica utilizando tecnolog a econ mica y de instalaci n practica V CONCLUSIONES Con la implementaci n de un prototipo inicial basado en comunicaciones inal mbricas Zigbee y sistemas de control digitales se obtuvo como resultado el xito esperado abriendo puertas a aplicaciones no solo en el rea de la dom tica y la inm tica las reas de la instrumentaci n automatizaci n y monitorizaci n en aplicaciones medicas y sistemas de comunicaciones inal mbricas indoor en interiores La implementaci n de tecnolog as inal mbricas como Zigbee en Colombia presenta un costo elevado en relaci n a otros pa ses lo que dificulta la implementaci n a una escala comercial haciendo necesario un estudio m s profundo en el mbito econ mico que permita tomar una decisi n sobre su viabilidad Cuando se desarrolla un prototipo de dom tica y en general cualquier trabajo se tiene el inconveniente de que existe gran variedad de modelos y n meros de series que corresponden a los equipos que se pueden utilizar Las especificaciones de los Xbee en particular deben ser precisas y estar acordes a su hoja de especificaciones ya que la definici n de regis
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