NOTA TÉCNICA
SISTEMAS DE COMUNICACIÓN EN CASAS Y EDIFICIOS INTELIGENTES
Sifuentes de la Hoya, Ernesto
El MSc. Ernesto Sifuentes de la Hoya es Profesor Investigador en el Dpto. de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Av. del Charro 450, Ciudad Juárez, Chihuahua, México, teléfono 656-6-884800, correo electrónico esifuent@uacj.mx
Resumen: Con los grandes avances de la tecnología digital ahora es más fácil poder transmitir datos, voz, video y audio en formato digital de un dispositivo a otro interconectados en red. El medio de interconexión en la red puede ser un cable o la radio frecuencia. El concepto de casa inteligente puede ser ahora una realidad; con los grandes avances de la tecnología se puede fácilmente construir una red de área local en casa, donde los dispositivos conectados a la red no sean solamente computadoras, sino que también pueden ser dispositivos electrónicos tales como sistemas de vigilancia, calefacción y aire acondicionado, etc. Este artículo presenta diferentes sistemas de comunicación utilizados para la automatización de casas y edificios. Los sistemas de comunicación descritos se encuentran en el nivel de automatización y en el nivel físico, y son agrupados sobre la base de el medio de interconexión que utilizan. Conocer las diferentes opciones que hay para configurar una red en casa brinda la oportunidad de elegir el sistema de comunicación más adecuado para una aplicación de automatización en particular.
Palabras clave: Automatización / Casa inteligente / Edificio Inteligente / Sistema de Comunicación.
COMMUNICATION SYSTEMS IN SMART HOMES AND BUILDINGS
Abstract: With the great advances in digital technology, now it is easier to be able to transmit data, voice, video, and audio in digital format from a device to another interconnected in a network. The interconnection means in the net could be a cable or the radio frequency. The concept of a smart home may now be a reality. With the great advances in technology, it becomes easy to build a localarea network at home where the devices connected to the net are not only computers but also devices such as surveillance systems, heating and air conditioning, etc. This article presents several communication systems used for the automation of houses and buildings. The above systems are described in the automation level and in the physical level, and are grouped on the basis of the interconnection means that they use. Knowing the various options available to produce a net at home, offers the opportunity to select the most adequate communication system for a specific application of automation.
Key words: Automation / Communication System/ Smart Building/ Smart House.
]]> I. INTRODUCCIÓNUna casa inteligente es un concepto que describe la integración de tecnología, servicio y equipo electrónico para automatizar las actividades que a diario se realizan en casa, oficina, o edificio pequeño [1]. Una casa inteligente permite a sus habitantes tener el control y monitoreo de la iluminación, sistemas de seguridad, sistemas de alarma de incendios, sistemas de entretenimiento (TV, VCR, DVD, Home Theater, Audio, Etc.), riego de jardines y el control de aparatos electrodomésticos, todo ello de una manera remota desde cualquier ubicación del usuario dentro y fuera de la casa. El control de estos dispositivos debe ser logrado en base a las instrucciones, necesidades y preferencias de los habitantes de la casa.
Los beneficios de una casa inteligente pueden ser clasificados en 4 grupos: seguridad, confort, ahorro de energía, y ahorro de tiempo [2]. El ahorro de energía es directo, ya que el sistema podrá encender y apagar las luces sólo cuando se necesiten. La seguridad puede traducirse en una alarma que marque al celular del usuario en caso de detectar la presencia de un intruso en casa. El confort se logra ayudando a personas de edad avanzada o personas con limitaciones físicas a realizar tareas tales como encender luces, abrir o cerrar persianas y ventanas, o pedir ayuda en caso de emergencia. Algunas compañías dedicadas a la automatización de casas y edificios son: HAI [3], Toolbase [4], Automated Building[5], Home Automation Index [6], Home Automated Living [7], Home Seer[8].
Los sistemas de automatización para casas y edificios pueden ser divididos en tres niveles [9]: nivel de administrador, nivel de automatización y nivel físico. El nivel de administrador es considerado el más alto en la jerarquía, la integración en este nivel consiste en la comunicación entre aplicaciones distribuidas. Muchas tecnologías han sido desarrolladas para lograr una comunicación óptima entre aplicaciones, destacando: COM/DCOM, CORBA, servicios WEB, que tienen una gran influencia en sistemas de automatización y control de edificios en el nivel de administrador [10]-[11]-[12]-[13].
El nivel de automatización es el encargado de establecer la comunicación entre el nivel administrador y el nivel físico, por lo tanto se considera nivel medio de la jerarquía. El nivel físico es el nivel más bajo de la jerarquía; en este nivel se encuentran los dispositivos electrónicos que se desea automatizar (sistemas de calefacción y aire acondicionado, puertas y persianas eléctricas, sistemas de seguridad, etc.) que deben de contar con un sistema de comunicación estándar para que puedan ser interconectados a una red.
Para la automatización de una casa, es necesaria la integración de tecnologías de red y estándares de comunicación desarrollados para el nivel medio (nivel de automatización). El objetivo de este artículo es dar a conocer los diferentes sistemas de comunicación para configurar redes de sistemas electrónicos en una casa o edificio pequeño. Conocer la diversidad de sistemas brindará la oportunidad de elegir el más adecuado para desarrollar una automatización confiable, robusta, económica y fácilmente adaptable a las necesidades de una casa en particular.
Una red de casa generalmente se divide en tres tipos de red [14]: la que interconecta dispositivos de información (PCs, impresoras, etc.); la que interconecta dispositivos de uso común en el hogar (electrodomésticos, lámparas, etc.); por último, la que interconecta dispositivos de entretenimiento (audio y video). Este artículo se limita a presentar los sistemas en general y no especifica a cuál de los tres tipos de red pertenecen.
En este artículo se hace una recopilación de los sistemas de comunicación más populares reportados en la literatura en los últimos 5 años. La Sección 1 presenta los diferentes sistemas para configurar redes de casa, basándose en el medio de interconexión físico para la transmisión de información. La Sección 2 describe las tecnologías que han surgido para que exista comunicación entre dos tipos de red configuradas con sistemas distintos. La Sección 3 describe algunos proyectos que utilizan los sistemas descritos para configurar redes en casa.
II. DESARROLLO
1. Sistemas de comunicación para configurar redes en casas y edificios.
]]> La solución al problema de automatización de casas y edificios se basa en la elección del sistema de comunicación más adecuado para una aplicación particular. La elección del sistema debe ser hecha sobre la base del medio físico de interconexión utilizado para la configuración de la red. En la actualidad existen 3 tipos de medios de interconexión disponibles para la automatización de casas, sin la necesidad de tener que hacer costosas instalaciones de nuevo cable por toda la casa y que permiten automatizar casas que inicialmente no fueron diseñadas para ello.Hay un 4to. medio de interconexión que sí requiere de un cableado especial. La Figura 1 muestra los cuatro medios de interconexión disponibles para configurar una red en casa, así como los dispositivos que se pueden interconectar a la red [15]. A continuación, se hace una breve descripción de c/u de ellos, resaltando los sistemas de comunicación para cada medio.
Figura 1. Tipos de redes de casa [15].
1.2. Configuración de red utilizando el cableado de la alimentación eléctrica.
Se puede configurar una red de dispositivos eléctricos utilizando el cableado de alimentación eléctrica de baja tensión 120 Vac. como medio de interconexión y los contactos eléctricos como terminales de conexión. Utilizar las líneas de alimentación eléctrica como infraestructura de red tiene ciertas ventajas. Primero, no se necesita colocar un nuevo cableado por toda la casa, ya que los dispositivos electrónicos se pueden comunicar con otros, utilizando el mismo cable por el que les llega la alimentación eléctrica. Segundo, hay muchos contactos a la línea de alimentación distribuidos por toda la casa (3 ó 4 por habitación). Tercero, actualmente existen varios sistemas de comunicación para el control de dispositivos electrónicos que utilizan como medio de interconexión la línea de alimentación eléctrica. Existe en el mercado una amplia gama de dispositivos electrónicos que incorporan esos sistemas, a saber:
El sistema X-10 [16] fue desarrollado originalmente para el control de iluminación. Ha llegado a tener tanta popularidad, que ahora varios fabricantes de componentes electrónicos han desarrollado sistemas de calefacción y aire acondicionado, sistemas de seguridad, que responden a comandos del protocolo X-10. Un panel de control X-10 puede tener hasta 6 interruptores para encender y apagar cargas de manera remota. También hay disponibles tarjetas para PC, con lo que se puede tener el control por Software.
El sistema CEBus [17], creado por una asociación de industrias electrónicas. En 1992 se liberó el estándar, por lo cual es ahora una arquitectura abierta. Esto significa que cualquier persona puede obtener las especificaciones y desarrollar productos con él. Este sistema soporta una velocidad promedio de 7.5 Kb/s. Puede ser implementado en un microprocesador de 8 bits, aunque el sistema está disponible en un circuito integrado producido por Intellon Corporation [18] que puede ser fácilmente adaptado a productos y proyectos.
El sistema EHS 1.3 [19] desarrollado con la finalidad de poder tener un estándar de comunicación entre diferentes productos de diversos fabricantes. Maneja una velocidad de transmisión de 2.4 Kb/s. El sistema LonWorks [20] tiene una velocidad de transmisión de 1.25 Mb/s; este sistema puede utilizar otros medios de interconexión: radio frecuencia, infrarrojo, par trenzado, cable coaxial y fibra óptica.
El Home Plug 1.0 [21]- [22], es el sistema actualmente más utilizado. Maneja velocidades de transmisión de hasta 14 Mb/s, lo cual es adecuado para establecer una buena comunicación con sistemas electrónicos de uso común en casa. Este sistema tiene calidad de servicio, característica atractiva para aplicaciones en tiempo real. Futuras generaciones de este sistema prometen velocidades de transmisión de hasta 100 Mb/s, lo cual podrá soportar transferencia de multimedia digital de alta calidad. En [21] se hace una comparación del estándar Home Plug1.0 con otros estándares que utilizan otro medio físico para la transmisión (inalámbricos, líneas telefónicas, cableado especial, etc.). En [23] se hace un amplio estudio comparativo de funcionamiento de las redes basadas en la línea de alimentación eléctrica y las inalámbricas.
]]> 1.3. Configuración de red utilizando la línea telefónica.Se puede utilizar el cableado de la línea telefónica que hay en el interior de las casas como medio físico para configurar la red de dispositivos electrónicos. Este sistema tiene la ventaja de que no se necesita instalar un nuevo cableado para configurar la red; otra ventaja es que la mayoría de las casas tienen el servicio de Internet utilizando la línea telefónica, con ello se puede desarrollar el sistema de automatización para controlar y monitorear la casa desde cualquier lugar fuera de ella vía Internet. Por ejemplo, desde una PC en el trabajo o desde una computadora de bolsillo que tenga acceso a Internet, etc. Por otro lado, existe una desventaja: en algunas casas no existe cableado de línea telefónica por toda la casa, así que sólo se cuenta con 3 ó 4 conectores a la línea. Sin embargo, esta desventaja puede ser superada si se combina con una red utilizando la línea de alimentación eléctrica o utilizando una red inalámbrica.
El sistema de comunicación para poder configurar una red utilizando la línea telefónica es el Home PNA 2.0 [24], creado en 1998 por industrias de semiconductores para promover y estandarizar tecnologías interconectadas por medio de la línea telefónica. Este grupo de industrias desarrolló una primera generación con velocidades de transmisión de 1 Mb/s, una segunda generación con velocidad entre 10 Mb/s y 100 Mb/s. Por medio de la línea telefónica y a esas velocidades se puede fácilmente transferir datos, voz, y video dentro de la casa. En [25] se hace una amplia descripción del sistema Home PNA 2.0, se describen los requerimientos necesarios para configurar una red utilizando una línea telefónica. En ese artículo se haceuna comparación de tecnologías de red que utilizan otros medios físicos (inalámbrico, línea de alimentación eléctrica, Ethernet), describiendo cómo es posible implementar este sistema en circuitos integrados programables.
1.4. Configuración de red utilizando la tecnología inalámbrica.
En la actualidad existe un gran variedad de tecnologías de transmisión inalámbrica, siendo la más popular, la tecnología basada en radio frecuencias, ya que provee un enlace más práctico y flexible. El principal beneficio de utilizar redes inalámbricas es la libertad de movimiento que se puede tener dentro del área de cobertura de la red. Este tipo de red se puede construir instalando múltiples puntos de acceso de interconexión inalámbrica (WAP), y una estación base dentro del área que se desea cubrir.
Bluetooth (Red inalámbrica basada en proximidad) [26]-[27]: esta tecnología ha tenido mucho auge en la industria. Un gran número de compañías como Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba, Intel, 3Com, Motorola, y Microsoft han desarrollado productos basados en este sistema; la mayoría de ellos se ubican en el área de entretenimiento en el hogar, telecomunicación móvil y manejo de información personal. Este sistema tiene velocidades de comunicación de 721 Kb/s, una cobertura de 10 metros, trabaja en frecuencias aproximadamente de 2.45 GHz. En [28] se hace un análisis de las características de Bluetooth, y una comparación de funcionamiento con otros protocolos inalámbricos.
La tecnología inalámbrica que ha sido ampliamente aceptada es la de la familia IEEE 802.11x [23]- [29]- [30]. En esta familia existen varios estándares, mostrados en la Tabla I.
Tabla I. Estándares IEEE 802.11x.
La tecnología Wi-Fi [31] está basada en el estándar IEEE 802.11b, tiene un rango de cobertura de 100 metros aproximadamente. Estas características la hacen ideal para ser utilizada en casas, oficinas y edificios pequeños. La tecnología Wi-Fi 2 está basada en el estándar 802.11a.
]]> La tecnología HomeRF [32] fue diseñada para crear redes inalámbricas en casa, está basada en el estándar IEEE 802.11b. La versión HomRF 1.2 soporta velocidades de transmisión de 1.6 Mb/s y su frecuencia de operación es de 2.4 GHz, tiene una cobertura de 40 metros, mientras que la versión HomeRF 2.0 soporta velocidades de 10 Mb/s a 2.4 GHz y una cobertura de 40 a 45 metros.1.5. Configuración de red utilizando cableado especial.
En este apartado se muestran algunos de los sistemas más populares que necesitan de un cableado especial para configurar una red. Es decir, si se quiere implementar una red basada en esos sistemas, se debe hacer una instalación de un cable especial por toda la casa.
El sistema más popular de este grupo es el Ethernet [33]- [34], basado en el estándar IEEE 802.3 y sus versiones subsecuentes. Con este sistema se puede tener velocidades de 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s, y hasta 10 Gb/s [35]. El sistema Firewire (IEEE 1394) [36] maneja velocidades de hasta 400 Mb/s y una distancia máxima de 5 metros, y velocidades de hasta 3.2 Gb/s con la versión IEEE 1394b. El USB (Universal Serial Bus) [37] maneja velocidades de 480 Mb/s, 1.5 Mb/s, 12 Mb/s a una distancia de 10 metros. Otro sistema es el RS-485 [38], con el cual se pueden manejar velocidades de transmisión de hasta 10 Mb/s a una distancia de 1200 metros.
2. Integración entre diferentes protocolos.
Actualmente existe la tendencia a integrar productos que son fabricados con un determinado sistema con otros que se fabrican con un sistema distinto, ya que existe una fuerte incompatibilidad entre esos productos, sobre todo si son de distintos fabricantes. Esto se da principalmente en el área de automatización y sistemas de control [9]. Una manera popular para integrar productos con diferentes sistemas es emplear lo que se conoce como “Comunicación entre dos tipos de redes” (Gateway), que tiene el objetivo de convertir un sistema en otro. Para utilizar este sistema el desarrollador debe conocer ambos sistemas y entender muy bien su funcionamiento, lo cual es una gran desventaja.
Un consorcio de más de 80 compañías manufactureras alrededor del mundo están trabajando para crear una infraestructura de servicio sobre una amplia gama de redes y dispositivos. Existe una iniciativa de este consorcio, que se conoce como la iniciativa abierta para la comunicación entre dos tipos de redes diferentes (OSGi) [39]. La primera especificación OSGi fue hecha en mayo del 2000, la liberación 2 fue hecha en marzo del 2001, la tercera en septiembre del 2003[14]. En [15]-[14] se presenta una aplicación del estándar OSGi, se describe como puede ser utilizado para lograr la comunicación entre diferentes sistemas para la configuración de redes en casa.
Otro estándar dedicado a la integración de diferentes sistemas en automatización de edificios y sistemas de control es el BACnet [40]. Este sistema define 5 tipos de red de área local que son: Ethernet, ARCnet, MS/TP(Master-Slave/Token-Passing), PTP(Point to Point), LonTalk. Entre esos sistemas el MS/TP es el más utilizado para establecer la comunicación entre dispositivos. En [41] se presenta un análisis de funcionamiento del estándar BACnet, así como sus ventajas o desventajas en la automatización de edificios. En [9] se hace una investigación sobre los problemas de integración que hay en los sistemas de automatización de edificios, se brindan dos posibles soluciones al problema de la integración en sus diferentes tres niveles (nivel de administrador, nivel de automatización y nivel físico).
3. Sistemas aplicados a la automatización de casas y edificios.
En este apartado se hace una breve descripción de algunos proyectos encontrados en la literatura dedicados a la automatización de casas y edificios, se hace un énfasis en el sistema que se utiliza para la configuración de la red de dispositivos en el nivel de automatización y nivel físico.
]]> En [2] se presenta la implementación del hardware de un sistema de control para la automatización de casas utilizando FPGA´s. El sistema es controlado a través de Internet, la red de dispositivos electrónicos se configura utilizando el sistema CAN (Controller Area Network) [42]. Este sistema es utilizado para interconectar a cada dispositivo electrónico con el controlador maestro, conectado a un servidor (PC) vía RS-232. El sistema CAN utiliza un cableado especial para configurar la red.En [43] se describe la implementación de un sistema de red basado en el Firewire IEEE1394 y Ethernet. En [44] se describe una aplicación de la tecnología inalámbrica Bluetooth y Ethernet para un sistema de automatización de casas, la red propuesta contiene un controlador móvil y varios módulos cliente (dispositivos electrónicos). Los módulos cliente se comunican con el controlador a través de dispositivos Bluetooth y Ethernet.
En [45] se propone un nuevo sistema de red HNCP (Home Network Control Protocol) para controlar y monitorear dispositivos electrónicos en casa, este sistema tiene como medio de interconexión la línea de alimentación eléctrica. En [46] se describe la implementación de una red de dispositivos electrónicos de casa basada en el sistema LnCP (Living Network Control Protocol), este sistema es desarrollado por los autores. La red propuesta puede controlar dispositivos electrónicos (aires acondicionados, lavadoras, microondas, etc.) por medio de una interfase amigable vía internet.
En [47] se describe el desarrollo de un administrador inteligente de energía para la automatización de edificios (IEMN). La estructura de la red está basada en el sistema BACnet para integrar al sistema a Intranet e Internet. El BACnet conecta a los dispositivos del nivel físico con la unidad de control y con el intranet. Este sistema IEMN ofrece las ventajas de ser un sistema inteligente de monitoreo y control distribuido, y tiene la ventaja de analizar datos a través de internet.
III. CONCLUSIONES.
1. Existe una gran variedad de sistemas de comunicación para configurar redes y automatizar casas, oficinas y edificios pequeños.
2. Se puede automatizar una casa sin la necesidad de tener que hacer modificaciones a la construcción, o tener que hacer costosas instalaciones de cableado nuevo.
3. La elección de un sistema depende del sistema a desarrollar y el lugar de aplicación.
4. Para elegir un sistema se deben considerar características tales como: costo/beneficio, confiabilidad, disponibilidad y estandarización , ancho de banda de comunicación, soporte para aplicaciones en tiempo real, topología, máxima longitud de la red, número de bytes en el marco de transmisión, velocidad de comunicación, y dispositivos electrónicos que lo soporten.
5. Contar con una gran variedad de sistemas de comunicación puede ser una desventaja en cuanto a estandarización, ya que no hay compatibilidad entre un sistema y otro; para superar esa desventaja surgen las tendencias de estandarización, OSGi y BACnet para poder comunicar redes de diferentes sistemas.
]]> 6. Existe la necesidad de que fabricantes de productos electrónicos se pongan de acuerdo e incorporen en sus productos un estándar de comunicación internacional, ya que productos del mismo fabricante varían en sistemas.7. Un trabajo futuro podría ser agrupar los sistemas sobre la base de un tipo de red electrodoméstico específico (sistemas de entretenimiento, sistemas de información o sistemas electrodomésticos), con el fin de hacer un análisis de funcionalidad y poder determinar cual es la mejor opción para poder desarrollar un sistema de automatización de casa confiable, económico y lo más estandarizado posible.
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