Domótica para todos I
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Trabajo de investigación en el ámbito tecnológico
Autor: Carles Llobet Pons
Curso académico: 2º Batxillerat A
Generalitat de Catalunya Departament de Educació Institut de Secundária Vilatzara
Av. Arquitecte Eduard Ferrés, 101 08340 Vilassar de Mar Tel. 93 750 63 66 Fax 93 750 65 53 [email protected]
Automatitzación económica del hogar 2 | Domótica
Índex 1. Introducción .............................................................................................................. 4
1.1 Introducción a la domótica .................................................................................. 4
1.2 Objetivos ............................................................................................................. 4
1.2.1 Aprendizaje .................................................................................................. 4
1.2.2 Guía .............................................................................................................. 5
1.2.3 Cómo lo haremos? ........................................................................................ 5
1.2.4 Qué necesito? ............................................................................................... 6
1.2.5 Qué necesitará el lector para automatizar su hogar? .................................... 6
2. Historia del proyecto ................................................................................................. 7
2.1 Transcurso del proyecto ...................................................................................... 7
2.1.1 Idea inicial .................................................................................................... 7
2.1.2 Hipótesis....................................................................................................... 8
2.1.3 Aprendizaje .................................................................................................. 8
.............................................................................................................................. 9
2.1.4 Exposición del progreso al tutor ................................................................. 10
2.1.5 Reunión con el tutor ................................................................................... 10
2.1.6 Entrevista ................................................................................................... 11
2.1.7 Conexión entre Arduino y Processing.......................................................... 14
2.1.8 Programar actuadores ................................................................................ 14
2.1.9 Motores...................................................................................................... 15
2.1.10 Alarma ...................................................................................................... 16
2.1.11 Calibrando los termistores ........................................................................ 20
............................................................................................................................... 21
............................................................................................................................... 21
2.2 Problemas y dificultades comunes..................................................................... 23
2.2.1 Soluciones .................................................................................................. 23
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Automatitzación económica del hogar 3 | Domótica
3. Guía para la realización ........................................................................................... 24
3.1 Programación .................................................................................................... 24
3.1.1 Plano .......................................................................................................... 24
3.1.2 Botones ...................................................................................................... 25
3.1.3 Funciones de los botones ........................................................................... 26
3.2 Conexión a Arduino ........................................................................................... 28
4.Conclusiones ............................................................................................................ 30
4.1 Opinión del Trabajo ........................................................................................... 30
4.2 Objectivos conseguidos ..................................................................................... 30
4.3 Posiblas mejoras ................................................................................................ 31
4.3.1 Ampliación de los elementos ...................................................................... 31
4.3.1 Ampliación de los controladores ................................................................. 31
5.Anexo....................................................................................................................... 32
5.1 Elementos utilizados ......................................................................................... 32
5.1.1 Para la maqueta ......................................................................................... 32
5.1.2 Programas .................................................................................................. 35
5.1.3 Plano .......................................................................................................... 36
............................................................................................................................ 36
5.2 Cómo hemos conectado los elementos ............................................................. 37
5.3 Programa .......................................................................................................... 44
6.Bibliografia ............................................................................................................... 69
6.1 Libros ................................................................................................................ 70
6.1.1 En formato PDF .......................................................................................... 70
6.1.2 En formato papel ........................................................................................ 70
6.2 Páginas web ...................................................................................................... 71
6.3 Agradecimientos a los asesores ......................................................................... 71
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Automatitzación económica del hogar 4 | Domótica
1. Introducción
1.1 Introducción a la domótica Un hogar con instalación domótica es un espacio en el cual los diversos elementos de
control de la casa, en lugar de tener mandos independientes, convergen en un control
central que será el encargado de decidir como ha de actuar cada elemento de la
instalación. La manera de programar este control central dependerá del sistema
domótico que nosotros usemos.
Hay de muchos tipos; unos son más intuitivos a la hora de programarlos y otros tienen
un poco más de complejidad. También existen algunos sistemas que están más
estandarizados y otros que utilizan un protocolo propio o propietario (no estándar).
Ningún sistema es mejor que otro, pero obviamente, siempre es preferible un sistema
creado únicamente para tu hogar, que un sistema estándar.
1.2 Objetivos En esta memoria crearemos un control central de nuestro hogar a través de un
programa en Processing, que nos permita controlar desde la iluminación de e
habitaciones, como el sistema antiincendios, hasta los sistemas de riego o de control
de temperatura de la casa, de una manera cómoda y sencilla a través de cualquier
sistema capaz de ejecutar un programa con Java (desde el típico Windows o Mac OS
hasta Linux o variantes de este).
1.2.1 Aprendizaje A través de esta guía queremos ser capaces de entender qué es una casa domótica y
cómo funciona: Saber como funciona el algoritmo del programa, qué dispositivos
permiten comunicar el ordenador con la casa, etc.,... para a ser capaces de cumplir el
segundo objetivo de este proyecto.
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Automatitzación económica del hogar 5 | Domótica
1.2.2 Guía El objetivo de este proyecto es que todo el mundo pueda tener a su alcance este
recurso de la domótica sin tener un nivel alto de vida económica. Lo haré a través de
una guía con la cual cualquier persona podrá transformar la su hogar en un hábitat
domótico perfectamente funcional, reduciendo en gran medida el precio al hacerlo él
mismo.
Este proyecto está enfocado sobretodo a personas que no pueden asumir el coste de
una instalación domótica pero que necesitan este tipo de instalación ya sea porque
tienen una discapacidad, o porque tienen una edad en que ya les es difícil el
movimiento. Aún y así cualquier persona con ganas puede conseguir realizar este
proyecto.
1.2.3 Cómo lo haremos? Realizaremos un programa con Processing que muestre los planos de una casa
indicando qué luces están encendidas o apagadas, qué persianas están abiertas o
cerradas, la temperatura de la casa y hasta las alarmes de incendio y de seguridad
permitiendo controlarlas; y todo, a través de una sencilla conexión USB a una placa
Arduino.
En el caso del nuestro trabajo de investigación, al no poder hacerlo en una casa real,
construiremos una maqueta de una casa modelo con la cual representaremos el
funcionamiento real de una casa (adaptándonos a nuestro presupuesto, utilizando
elementos que ya tenemos, la mayoría reciclados). Una vez hecho esto, realizaremos
una guía con la que cualquier lector pueda adaptar este programa para su propia casa.
Así cualquiera podrá tener automatizada su casa a precio de coste, solamente pagando
el cableado de la casa y los motores de las persianas, ya que el programa, el dispositivo
de control, y las conexiones de los actuadores/sensores al dispositivo de control las
hará él mismo.
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1.2.4 Qué necesito? Conocimientos
Para este proyecto necesitaré conocimientos básicos de arquitectura y diseño para hacer los planos de la casa (la maqueta representativa y el plano de ésta); conocimientos avanzados de programación en la plataforma gráfica Processing (que trabaja con lenguaje Java) para crear un programa mutable y adaptable a cualquier lector que siga la guía, y conocimientos medios en electrónica para a conectarlo todo al ordenador correctamente y explicar como hacerlo de manera sencilla.
Materiales
Este proyecto tiene infinidad de posibilidades, y adaptaremos la maqueta representativa con los materiales de que disponemos en aquel momento, tanto para presupuesto como para viabilidad dentro de una maqueta de medida reducida. Suponemos que estos materiales serán: Cartón, telas para las persianas, cableado diverso, leds, sensores de temperatura y de infrarrojos, y de otros similares. Explicaremos los materiales que finalmente hemos podido utilizar en los anexos.
1.2.5 Qué necesitará el lector para automatizar su hogar? Conocimientos
La guía estará enfocada a que el lector, si ya tiene los planos de su hogar, no necesite ningún tipo de conocimiento a parte de los que se le enseñaran en la Guía de Realización.
Materiales
Si el lector quiere aplicar el proyecto a su propio hogar, solamente necesitará los actuadores y sensores que quiera incorporar, una placa Arduino, relés para las luces, y metros suficientes de cable. Son todo cosas que si no sabe como instalar, cualquier lampista puede hacérselo a precio de coste, reduciendo el coste de la automatización a la factura de este lampista. En las conclusiones, en “objetivos conseguidos” habrá una referencia del precio que hemos conseguido reducir.
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2. Historia del proyecto
2.1 Transcurso del proyecto
2.1.1 Idea inicial El principio de un trabajo de investigación es siempre complicado. Todo y tener una
idea aproximada de lo que se quiere hacer, nunca sabes por dónde empezar. En mi
caso, tenia claro que quería hacer alguna cosa relacionada con la domótica, ya que
tanto la arquitectura como, sobretodo, la programación y la electrónica, me
apasionan.
Además del hecho de que la domótica es un recurso poco explotado y muy útil,
especialmente para persones minusválidas, que puede facilitar muchísimo la vida
cotidiana del día a día. Como no era viable construir una casa domótica real, decidí
hacer una maqueta y así poder hacer una demostración de la utilidad en cualquier
presentación, en persona.
El problema era que no sabía exactamente qué podía demostrar, ya que quería que mi
proyecto tuviese alguna utilidad, sirviese de algo.
Mi tutor me sugirió usar el lenguaje de programación Processing en lugar de JDK, que
era demasiado complejo, o Visual Basic, al cual le faltaban varias funciones. Así que a
principios de verano y a través de una lista de libros en inglés, especialmente el
“Learning Processing” de Daniel Shiffman, empecé a aprender este lenguaje de
programación.
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2.1.2 Hipótesis Pero como enfocar el trabajo? Qué hipótesis podía plantearme? Que quería descubrir?
La verdad eso no lo supe hasta casi la mitad del trabajo, pero no me preocupaba. Tenía
claro lo que quería, y sabía que encontraría esta hipótesis.
Finalmente decidí que quería hacer una guía con la que cualquier persona pudiese
hacerse su propia casa domótica reduciendo así el coste en casi dos tercios del coste
original, ya que con la actual crisis la domótica está arrinconada por culpa de los
precios excesivamente altos. Poco a poco la idea fue evolucionando y finalmente,
cuando tuve una entrevista con Roberto Novo, como veremos más tarde, y me informé
de los precios reales de una instalación media decidí finalmente que esta sería la
hipótesis o investigación de mi trabajo.
2.1.3 Aprendizaje Al principio no entendía un ápice, pero después de unos cuantos ejercicios y prácticas
empecé a entender el concepto. Empecé a estructurar el algoritmo del programa que
usaría para la maqueta, y empecé a escribir código con las funciones que necesitaba
para crear una ventana con el plano insertado, y para a colocar los botones, de los que
tuve que buscar una a una las coordenadas en píxeles y escribirlos en una tabla de
datos en Excel:
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Una vez tuve la tabla de Excel con las coordenadas de los botones del plano,
solamente tenía que crear una variable booleana, ya que los botones solamente
pueden estar en dos estados (1 o 0, encendido o apagado). Después creamos unas
variables “x1”, “y1”, “w1” y “h1” para entender mejor el programa y no confundir
coordenadas de unos botones con otros.
Finalmente en el “void draw” solamente faltaba definir la función del botón tal como
podemos ver en la figura 1.
Con esto ya teníamos prácticamente la estructura base de lo que vendría a ser muy por
encima nuestro programa, ahora solo faltaría ir poco a poco expandiendo, ampliando,
y perfeccionando el programa sobre esta estructura base hasta llegar a cumplir los
objetivos que nos habíamos marcado previamente en el apartado de la introducción.
Figura 1
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2.1.4 Exposición del progreso al tutor Una vez conseguí abrir el plano y ponerle los botones justo donde tocaba, para seguir
avanzando necesitaba concretar qué placa usaría. Me puse en contacto con mi tutor,
explicándole lo que había hecho hasta el momento, y qué placa podría usar. Me dijo
que buscase información sobre la placa Arduino UNO, que era la que seguramente
usaríamos, y concertamos una cita la semana antes de comenzar el curso.
Además de buscar información sobre la placa mencionada, busqué información
general sobre la domótica, y encontré una cosa bien interesante. Al buscar
información por internet sobre las casas domóticas, solamente encontraba páginas
donde daban opción a calcular un presupuesto o explicaciones de qué era una casa
domótica, pero no encontraba ni precios ni explicaciones de cómo se podía
automatizar una casa por ti mismo. Entonces fue cuando empecé a intuir hacia donde
podía enfocar mi trabajo ya que si una instalación domótica era de precios elevados, y
sobretodo ahora con la crisis actual, la producción de instalaciones domóticas se
reduciría enormemente, y nos privaría de una comodidad que cualquiera desea en su
hogar.
2.1.5 Reunión con el tutor Tal como habíamos quedado, una semana antes de empezar las clases, tuvimos una
reunión Joan Alós, Elisabet Alsina y yo. En ésta, a parte de enseñar los progresos que
ya había hecho, estuvimos valorando todas las posibilidades que teníamos para poder
aplicar las funciones que se harían en una instalación domótica estándar a nuestra
maqueta.
Una vez decididas las funciones que haríamos,
hicimos una lista con los actuadores y sensores
que necesitábamos y las correspondientes
entradas y salidas de la placa que necesitaríamos.
Para no quedarnos justos, decidimos sustituir la
Figura 2
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placa que habíamos comentado, la Arduino UNO de 14 entradas/salidas, por la
Arduino Mega 2560 con 54 entradas/salidas digitales y 15 analógicas. (Fig.2)
2.1.6 Entrevista Después de la reunión con el tutor, me di cuenta que solamente
nos habíamos hecho una idea por encima de lo que haríamos, y
estaba empezando a programar en Processing sin saber realmente
si la idea sería factible. Además, aún no sabía bien cual era el
propósito que quería conseguir a través de mi proyecto, por lo que
busqué a alguien que me pudiera asesorar.
Lo primero que hice fue buscar las empresas más cercanas a Vilassar de Mar, y decidí
hacer una visita a algunas de ellas. Empresas de Barcelona como Engtel o Equinsa
estaban cerradas o no me proporcionaban mucha información, pero al final encontré
lo que buscaba. Una empresa llamada I-DO (integración domótica) me atendió muy
amablemente a pesar de llevar cerrada algunos años.
El ex-propietario Roberto Novo (Fig.3), ingeniero en Telecomunicaciones, accedió a mi
entrevista, incluso me invitó a su casa para enseñarme las instalaciones que él mismo
había integrado en su hogar. Cuando le pregunté por los precios de estas instalaciones,
me dijo que oscilan mucho dependiendo de qué se quiera instalar. El precio de una
casa normal de unos 120m2 con funciones simples como iluminación, temperatura,
alarma de seguridad i anti-incendios, persianas i sensores de presencia, oscila entre los
4.000€ y los 5.000€ en total, contando la instalación, la mano de obra y los dispositivos
y controladores de la casa. Hay instalaciones mucho más caras simplemente por el
tamaño de la casa o la cantidad de elementos a instalar y las diferentes funciones o
modos personalizados de iluminación y temperatura.
Las instalaciones completas van desde los 3.000€ hacia arriba, por lo que las
instalaciones más solicitadas, o no son completas o bien no garantizan fiabilidad, y
están hechas con poca calidad, lo que pone en riesgo la seguridad de nuestras vidas i
Figura 3
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pueden producir desde cortocircuitos que provoquen incendios hasta accidentes
propios de una película de Alfred Hitchcock como dejarnos encerrados en casa sin
posibilidad de salir.
En el siguiente gráfico extraído de un estudio realizado en el año 2008 (4ª página web
del anexo) vemos la cantidad de instalaciones en España en función del precio de
éstas, se puede observar cómo a partir de los 3.000€, que es cuando empiezan a
considerarse instalaciones completas, la cantidad de hogares construidos disminuye
drásticamente. La mayoría de instalaciones son de entre 1.000€ y 1.500€, se trata de
instalaciones incompletas o demasiado sencillas.
Gráfico 1
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También me explicó las diferentes maneras de hacer el cableado de la casa. Una funciona por BUS, se trata de un solo cable que va por toda la casa y tu lo pinchas allí donde quieres poner un dispositivo. Este sistema es el más caro, pero para futuras posibles reformas o ampliaciones es muy cómodo. Aquí vemos un esquema extraído de la 5º página web del anexo.
El otro sistema es por Centralización: A partir de un dispositivo central, como sería
nuestro ordenador o placa Arduino Mega, se tiran todos los cables necesarios
(esquema de la
5ª página web
del anexo).
Hay otros sistemas, como el PLC, un sistema de autómatas programables basados en
relés de Siemens o Omron por ejemplo, que suelen ser muy sencillos de conectar y de
ver dónde puede fallar algún cable, pero la instalación se encarece, obviamente.
Me recomendó utilizar un programa autómata a la hora de programar el Arduino, si
puedo, ya que en el momento de adaptarlo a la realidad es menos viable tener un
ordenador encendido tanto tiempo sin descanso, a no ser que fuera un ordenador
industrial o con un sistema de refrigeración específico.
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2.1.7 Conexión entre Arduino y Processing Después vi que para introducir las variables de los actuadores (motores, luces, timbre)
y sensores (de presencia y de temperatura) tenía que hacer que mi programa escrito
en Processing, que creaba la interfaz gráfica, y la placa Arduino que enviaría o recibiría
las señales de los actuadores y sensores, se comunicasen, y descubrí que podía hacerlo
de dos maneras.
En el primer método, que me habían propuesto inicialmente mis tutores, tenía que
escribir un programa en Arduino que leyera los datos de la placa y los enviara al puerto
serie, y que leyera los datos del puerto serie y los enviara a la placa, y después hacer
mi programa en Processing que se comunicara de igual manera con el puerto serie.
Pero me parecía muy engorroso este método, y encontré otro método que utilizaba
una librería especial para Processing que incluía diversas funciones de la programación
Arduino a Processing, haciendo el programa más difícil de programar, pero más fácil de
estructurar, cosa conveniente para que fuese más fácil de modificar por el lector.
2.1.8 Programar actuadores Una vez supe como conectar Arduino y Processing, sólo faltaba definir las funciones de
todos los botones en función del actuador al que correspondías, por ejemplo el botón
que correspondía a la luz del comedor en las coordenadas del el plano ha de enviar
una señal a la salida donde hemos conectado esa luz, y mostrar en el plano del
ordenador que esa luz está encendida.
Ejemplo:
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A partir de ahí, ya podía programar todas las luces, pero obviamente fui haciendo
pequeñas modificaciones conforme avanzaba, como por ejemplo las variables de texto
que utilizamos para escribir el valor del termistor en la interfaz del programa, o el
sensor de presencia y el timbre, aunque la estructura básica del programa ya estaba
terminada.
2.1.9 Motores Después de tener las luces de la casa programadas, decidí programar las persianas. Era
el segundo elemento más fácil de programar, ya que no tenía que recibir señales de
ningún sensor como en los elementos que incorporaría más adelante. Aún y así, al
contrario que las luces, las persianas se me resistieron mucho.
Con el material que disponíamos, lo que queríamos era adaptar la persiana del salón
de la maqueta con un motor sencillo (DC) y los motores de las persianas del piso de
arriba hacerlos con motores Stepper que nos permitían regular el ángulo de giro y la
velocidad de éste.
Motor Stepper
Para programar estos motores (Fig.4), después de estar estancado varias tardes
intentando programarlos, me di cuente que necesitaba incluir una librería del
programa Arduino a Processing, y que Processing no la tenía. Para eso tendría que
cambiar todo el programa de nuevo, y haría mucho más complicado al lector de la guía
modificar el programa a su gusto y conveniencia. Además, tampoco nos ayudaba
mucho controlar el ángulo de giro ya que lo que queremos no es que se abra y se
cierre sino tener la total libertad de abrir y
cerrar en la medida que nos interese. Por
eso decidimos hacer todas las persianas de
la casa con los mimos motores de corriente
continua.
Figura 4
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Motor DC
Para hacer que nuestro motor funcionara tanto de subida como de bajada, teníamos
que realizar un puente H, un tipo de circuito que permite cambiar la polaridad de un
motor sin tener que desconectarlo e invertir el sentido de los cables, a través de una
señal que le puedes enviar.
Por suerte, en el aula disponíamos de unos circuitos ya preparados para el uso de dos
puentes H, los llamados L293D, con los que podíamos invertir la dirección de nuestro
motor. Cogí el esquema de conexiones (fig.5), de la página
web de Tecnología de mi instituto (URL número 10 de la
bibliografía) para saber como conectar este circuito integrado.
Al conectar y hacer las pruebas tuve algunos errores, pero los
solucioné al día siguiente conectando 3 de las patas al positivo
la de abajo a la derecha al GND (tierra).
2.1.10 Alarma Alarma de seguridad
Esta parte del programa ya estaba más elaborada ya que teníamos que recibir el valor
de un sensor de infrarrojos que detectase que, una vez activada la alarma, si pasaba
cualquier cosa por delante del sensor, activara un timbre que no dejase de sonar hasta
desactivar la alarma.
Al principio intenté hacer que si activábamos el botón de alarma, nos enviase a leer un
“void loop” (trozo de código que se lee repetidamente como el “void draw”) del cual
no saldría hasta que se desactivara la alarma. Pero no encontraba ninguna función en
Processing que te permitiese enviar a leer una línea de código diferente.
Finalmente opté por hacer una subrutina, concretamente un “if-then-else” dentro de
otra.
Figura 5
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A la hora de probarlo nos daba algunos problemas: primero no funcionaba el botón y
tuve que revisar todas las coordenadas del botón, y lo solucionamos (fig.6), y después
no funcionaban los sensores correctamente, y probamos con otros diferentes.
Los primeros sensores que usamos eran dos DIY1 (fig.7) que permitían de manera
sencilla conectar los sensores a la placa Arduino sin tener que añadir ninguna
resistencia ni ningún tipo de elemento entre la placa y los sensores.
1 DIY (Do It Yourself): Sensores integrados listos para funcionar
Figura 6
Figura 7
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Pero al final por un error del DIY emisor tuvimos que sustituirlo por un emisor de
infrarrojos no integrado (el TSUS4400) debiendo poner nosotros las conexiones como
en el circuito extraído de la página web de tecnología del IES Vilatzara (fig.8):
Tuvimos que añadir la resistencia de 330Ω de la Figura 8. Ahora el emisor funcionaba
(veíamos como se encendía con una cámara) pero seguía fallando por lo que
cambiamos el DIY receptor por un receptor no integrado (el BPW96) con una
resistencia de 22000 ohm, tal como se puede observar en su datasheet:
Figura 8
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Automatitzación económica del hogar 19 | Domótica
Alarma antiincendios
Aún y así, no nos terminaba de funcionar por culpa de las pocas funciones posibles que
no da la conexión de Processing y Arduino a través del Firmata (pero me interesaba
más que me diera problemas a mí antes que al usuario de la guía en el momento de
modificar el programa).
Por tanto, decidí cambiar la alarma de seguridad por una alarma anti-incendios
aprovechando el termistor, del que os explicaré como lo calibré en el siguiente
apartado.
Esta nueva alarma nos avisará en la interfaz cuando la casa incremente su temperatura
hasta niveles extremos para prevenir incendios; se activará una alarma (zumbador en
la maqueta) y activará los sistemas de riego, aunque no podemos mojar nuestra
maqueta. También nos avisará en la interfaz si la temperatura de la casa desciende
demasiado, y activaría la calefacción de la casa. En la siguiente figura podemos ver el
algoritmo:
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Automatitzación económica del hogar 20 | Domótica
2.1.11 Calibrando los termistores KY-13
A falta de conocimientos y/o manuales o libros dónde poder buscar como programar
un termistor, acabé optando por el método de prueba-error. Empecé a modificar las
líneas de código allí donde me aparecían errores, pensando un poco en qué podía
funcionar y probándolo.
Después de horas haciendo prueba-error, y reescribiendo esa parte del programa,
finalmente conseguí eliminar todos los errores y hacerlo funcionar.
Pero esto obviamente no significa que haga lo que tu quieres que haga. Cuando probé
el termistor aluciné con el valor que me daba (550). Ahora, como ya no era error de
programación sino del termistor en sí, busqué información sobre los termistores.
Los termistores (Fig.9) son unos aparatos que generas
diferentes resistencias en función de la temperatura a la
que están; pero estos valores no varían según una
función lineal, sino en función de una asíntota, que es lo
que nos dio más dolores de cabeza.
Pedí ayuda a un trabajador de a compañía Picaxe (Joan Pellicer Moreno) vía e-mail y
me respondió que para transformar la resistencia a una temperatura, primero hay que
encontrar la temperatura característica del material del termistor (β) a través de los
siguientes cálculos
Dónde:
R1 y R2 son las resistencias que pone el termistor a las temperaturas T1 y T2 respectivamente
T1 y T2 son dos temperaturas ya conocidas que hemos escogido para calcular el valor, suficientemente separadas para eliminar margen de error.
Figura 9
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Una vez hemos encontrado la β (que nos dio “2,93315”) tenemos que aplicar la
siguiente ecuación para transformar la resistencia obtenida en temperatura real:
Pero claro, lo que nosotros buscamos no es el valor de la resistencia en función de la
temperatura a la que lo ponemos, sino que buscamos la temperatura equivalente al
valor de la resistencia que nos indica el termistor. Para eso pedimos ayuda al físico y
profesor de matemáticas Jaume Serra para asegurar que se pudiese aislar sin
problemas y no errar a la hora de trabajar con logaritmos y numero de Euler. Una vez
aislada la temperatura, solamente teníamos que definir la temperatura del programa
en base a la fórmula resultante. En el recuadro de más abajo podemos observar cómo
aislamos la temperatura para que la fórmula nos quedase en función de ésta:
Dónde:
RT es la resistencia que nos da el termistor a la temperatura T y R0 la resistencia a la temperatura T0.
T es la temperatura a la que está el termistor y T0 una temperatura de referencia cualquiera (podríamos aprovechar la T1 y R1 que utilizamos para calcular la β.
푅 = 푅 ∙ 푒 ( ) = 푒 ( )
ln( ) = 훽( − ) ( )
= −
( )+ =
푇 =1
ln(푅푅 )훽 + 1
푇
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Automatitzación económica del hogar 22 | Domótica
Dallas DS18B20
Al intentar aplicar la fórmula de la temperatura del anterior termistor, nos aproximaba
el valor del logaritmo neperiano a 0, por lo que nos daba una temperatura 0. Después
de varias pruebas, decidimos probar con este otro termistor que ya había funcionado
con otros miembros del grupo.
Lo conectamos tal como se muestra
en su Datasheet (fig.10) y como
explicamos en los anexos en el
apartado “5.2 como hemos
conectado los elementos”. En el
momento de probarlo nos daba un
valor 1021 pero éste ni siquiera
reaccionaba al calor o al frio.
Modificamos el programa y lo
probamos con programas de prueba
extraídos de ejemplos en internet (8ª y 9ª página web del anexo), pero con estos
ejemplos ni siquiera nos reconocía el termistor como elemento conectado, por lo que
decidimos volver a buscar una solución para el termistor anterior, que al menos
reaccionaba al calor i solamente teníamos que transformar la resistencia en
temperatura.
Para hacerlo optamos por hacer una tabla de condiciones que definiese cada grado
entre dos valores de resistencia, en lugar de usar fórmulas complicadas para
transformar el valor. Así marcaría la temperatura a la que se correspondiera ese valor.
Es un método más engorroso para calibrar, pero más seguro.
Figura 10
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2.2 Problemas y dificultades comunes Al empezar a programar empezaron a surgir, como siempre acostumbra a pasar al
programar, problemas que no tenían explicación aparente. Había problemas que se
solucionaban en un segundo, y otros que estancaban el proyecto semanas enteras.
Aquí os los explicaremos para que no tropecéis con la misma piedra, con su solución
adjunta correspondiente al mismo número:
1. El primer problema que apareció fue a la hora de adjuntar el plano como
imagen en el programa. Me daba error siempre que lo intentaba, y a pesar de
revisar la ruta de la imagen mil veces, no conseguía encontrar el error.
2. Podéis encontrar también muchos errores como “missing expected ;” o
“doesn’t expect some function”.
3. En el momento de programar el valor del termistor, si solamente le decís
“analogRead(___)” os dará el valor de la resistencia según aquella temperatura.
2.2.1 Soluciones 1. Finalmente descubrí que la imagen la has de transportar a la carpeta de
instalación de Processing, o a la carpeta donde se guarda la aplicación de
Processing que exportas.
2. Este problema se arregla normalmente buscando una línea inconclusa en la
que nos hayamos dejado el signo de puntuación punto y coma.
3. Es importante preguntar por el valor Beta de vuestro sensor de
temperatura allí donde lo compréis, que es el que os ayudará a través de la
ecuación de la temperatura del apartado “2.1.11 Calibrando los
termistores” a transformar el valor de resistencia en un valor de
temperatura en grados Centígrados. Sino, tendréis que encontrarlo como
he tenido que hacer yo, a través de diversas pruebas a diferentes
temperaturas.
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Figura 11
3. Guía para la realización Aquí es donde se centra el grueso de la guía para automatizar tu propia casa. Mientras
realizáis el primer apartado de programación, para aprovechar el tiempo, sería
conveniente que los lampistas empezaran a cablear y a hacer las regatas necesarias.
3.1 Programación Para realizar el proyecto de automatización de vuestro hogar, sólo tendréis que seguir
tres sencillos pasos que se explican a continuación.
3.1.1 Plano Lo primero es añadir nuestro plano a la carpeta dónde hemos guardado el programa,
que lo podemos descargar de: www.domoticaperlallar.blogspot.com
Una vez sustituimos la imagen que hay (la del plano de la maqueta) por la de nuestra
casa, solamente hemos de cambiar la posición de los botones que teníamos del plano
de la maqueta a los del nuevo plano. Para esto, primero nos hemos de descargar
Processing de http://www.processing.org/download/ para poder editar el programa.
Al abrir el programa lo primero que hemos de hacer es ir al apartado “void setup”
(fig.11) y sustituir la medida de la imagen (donde pone “size(1276,696)”) y el nombre
de esta (donde pone (“Planol.jpg”) por las medidas en píxeles del vuestro plano
(aparecen en las propiedades de la imagen) y el nombre del archivo donde habéis
guardado la foto de vuestro plano.
Una vez hecho esto, al clicar el botón de play se ejecutará un programa donde se
abrirá el plano de vuestra casa, pero con los mismos botones que teníamos en el plano
anterior. Ahora hay que sustituir la posición de estos botones por la de los nuevos
botones. Es una tarea laboriosa pero no complicada, como veréis a continuación.
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3.1.2 Botones Para agilizar al máximo y modificar el mínimo de coses, a la hora de cambiar la posición
de cada botón tenéis que tener en cuenta el numero de luces, motores o botones
conectados a un sensor que tengáis. Así, si colocáis las coordenadas de vuestras luces
donde existe una luz en la maqueta, no tendréis que cambiar la función de este botón.
Veremos como cambiar las funciones en el apartado siguiente.
Para cambiar la posición de los botones hemos de abrir la imagen en Paint y colocar el
ratón en el vértice superior izquierdo de cada botón y apuntar los valores que nos de
que correspondan a las variables “x”, “y” de nuestro programa. Ahora hemos de
calcular la anchura y la altura de los botones desde estos botones hasta donde
queremos que lleguen. (Tomamos el valor “x” del lado derecho del botón y el restamos
al valor de “x” que teníamos, y lo mismo con
el lado inferior y la “y”, y nos darán los valores
“w” (width, anchura) y “h” (“height”, altura).
Una vez hemos hecho esto con todos los
botones (podemos escribirlo en una tabla de
datos como Excel para estructurarlo mejor, si
queréis podéis tomar como ejemplo la de mi
proyecto que está colgada en: .
www.domoticaperlallar.blogspot.com)
tendremos que sustituir los valores de la tabla
que hemos hecho en el nuevo programa.
Para hacerlo, iremos al apartado donde
definimos las variables de cada botón (fig. 12)
y sustituiremos los valores.
El número que sigue a cada variable “x”, ”y”,
”w” o “h” simboliza el número que hemos Figura 12
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asignado a cada botón (1, 2, 3...).
También podéis editar los comentarios que aparecen en gris para aclararos mejor a la
hora de entender el programa, y poner nombres a cada botón en vuestro plano.
3.1.3 Funciones de los botones A pesar de haber intentado colocar las luces en los botones existentes de luces o las
persianas en los botones donde había persianas, siempre habrá botones a los que
habrá que cambiar la función. Este punto es el más crítico y donde podemos cometer
más errores.
Si necesitáis añadir un botón al programa, tenéis que tener en cuenta TODAS las partes
del programa, desde definir variable hasta definir las coordenadas o definir qué
sucederá cuando lo presionemos.
Primero hemos de definir
el nuevo botón en el
estado apagado, como
variable booleana,
encendido o apagado. Las
coordenadas del botón ya
las habremos estipulado
en el paso anterior. Si
queremos añadir un botón
(11, por ejemplo),
deberemos definir unas nuevas coordenadas (“x11”, “y11”, “w11” y “h11”) .
Esto lo haremos en la primera parte del programa (fig.13). Una vez hecho, el programa
ya reconoce el botón como una variable con unas coordenadas en la interfaz. Ahora
solamente falta explicarle que al clicar encima cambiaremos el estado de éste (de
apagado a encendido y a la inversa), y definir qué queremos que haga tanto cuando
está encendido como cuando está apagado.
Figura 13
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Para activar/desactivar al presionar el ratón encima, tendremos que copiar una de las líneas del final del programa, el “void mousePressed”, y sustituir el valor de todos los números que corresponderían al número del botón anterior por el de nuestro nuevo botón, como en el siguiente ejemplo:
Por último, deberemos asignar la función que deseamos que haga, para lo cual
podemos copiar alguno de los ejemplos que he puesto ( luz, motor DC, motor Stepper,
sensor de temperatura o sensor de presencia) de la parte final del programa y sustituir
el número de botón por el de nuestro nuevo botón.
En el ejemplo de la imagen, el botón 1 al encenderse se pone de color verde (función
stroke) y activa la salida “PinMotor31” a la que hemos asignado uno de nuestros
motores.2 Al apagarse (else), se pone de color rojo y se apaga la salida. La función
“noFill” sobre el rectángulo de las coordenadas del botón la usamos solamente para
pintar de color verde/rojo el recuadro del botón, y no la parte de dentro.
2 Con el único objetivo de facilitar la comprensión del programa y saber a qué salida pertenece cada botón. Se podría evitar y poner directamente el número de la salida o entrada deseadas
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3.2 Conexión a Arduino Ahora ya hemos finalizado la programación, que era la etapa más ardua, y tenemos un
programa funcional con botones que se encienden y se apagan sobre el plano de
nuestra casa. Además, el lampista ya habrá terminado con la instalación del cableado
de la casa y habrá conectado los actuadores (motores de persiana, luces, sistemas de
riego, …) y os habrá dejado un montón de cables. Lo único que falta es conectar los
cables de cada actuador o sensor a la entrada/salida correspondiente.
Figura 14
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Para conectar correctamente el cableado que os ha puesto el lampista, tenéis que
reconocer donde ha de ir cada cosa. Si observamos la fig. 14, el esquema de
conexiones que hemos hecho para la maqueta, veremos que la parte izquierda (Analog
IN) es donde se conectan los sensores (temperatura, presencia humedad, ...). En la
parte derecha (PWM) y en su defecto si faltasen conectores, en la parte inferior
(Digital), es donde conectaremos las salidas (motores, luces, ...). Siguiendo este
sistema deberéis conectar cada uno de los cables donde le corresponda dependiendo
de la salida que le hayamos asignado en nuestro programa.
Siempre debemos especificar en nuestro “void setup” si las salidas las estamos
tratando como a salida o entrada, como en la figura 15, primero encendiendo la placa
Arduino con la función “Arduino = new Arduino (this, Arduino.list()[0], 57600)” y
posteriormente con la función “Arduino.pinMode” especificando cada una de las
salidas como “INPUT” o “OUTPUT”.
Figura 15
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4.Conclusiones
4.1 Opinión del Trabajo Un trabajo así es una prueba de madurez que no solamente me ha demostrado los
conocimientos que he adquirido a lo largo del periodo estudiantil, sino que también
me ha hecho ver y desarrollar mi capacidad de moverme y buscar de manera
autónoma y autodidacta la información que requería para realizar el trabajo. Gracias al
trabajo he comprobado y mejorado la capacidad de soportar la tensión y la
responsabilidad de tener que entregar un trabajo sin que nadie esté constantemente
encima mío explicándome como hacer las cosas y guiándome en cada paso hasta
terminar.
Esta autonomía y responsabilidad del trabajo, hace realmente difíciles las decisiones
que has de tomar sobre cómo encaminarás tu trabajo, ya que de cada una de estas
decisiones depende el resultado final, y tu tienes toda la responsabilidad.
Personalmente se me hizo difícil escoger qué quería controlar en mi casa, qué era
esencial y qué no lo era, a la hora de automatizar una casa.
4.2 Objetivos conseguidos Aún y así, hemos podido demostrar lo que nos planteamos al principio: Hemos
demostrado que la domótica es cara porque así lo quieren las empresas, y que
podemos transformar nuestro hogar en una casa domótica nosotros mismos sin
apenas conocimientos, siguiendo esta guía. Hemos conseguido reducir el precio de la
automatización en aproximadamente un 80% (considerando que nuestra instalación
tiene la calidad de una instalación que comprada costaría unos 2500€, reduciéndola a
500€ que es lo que nos puede costar el lampista por el cableado completo y los
motores de persiana, relés, etc.…).
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4.3 Posibles mejoras
4.3.1 Ampliación de los elementos A pesar de haber alcanzado nuestros objetivos, el proyecto está abierto a muchísimas
posibilidades. Lo podríamos mejorar aumentando el presupuesto del trabajo para
pones más sensores (luces que se activen con presencia o sonido) o más actuadores
(puertas automáticas).
Aun así, las bases para programar estos nuevos sensores o actuadores serían las
mismas, por lo que siguiendo esta guía podríamos mejorar el proyecto hasta dónde
quisiéramos, gracias a las infinitas posibilidades de programar con lenguaje Java.
4.3.1 Ampliación de los controladores A parte de ampliar los actuadores y sensores de nuestra casa, podemos mejorar la
comodidad con la que controlamos la casa. Estudiando los lenguajes de programación
de Apple o Android, podríamos crear una aplicación similar a la nuestra para
plataformas móviles como el teléfono o las tabletas (Ipad, …).
Esto abriría las puertas a posibilidades como recibir una notificación cuando alguien
entra en casa sin identificares o poder visualizar tu casa con cámaras desde cualquier
lugar del mundo a través de internet, además de poder controlar la casa desde donde
quieras.
Las placas Arduino que hemos utilizado tienen las puertas abiertas a todo el mundo de
internet a través de una librería llamada Wifi Shield que permite conectar tu placa a
internet desde tu casa para enviarte lo que necesites al móvil en cualquier momento y
a cualquier lugar donde tengas conexión.
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5.Anexo
5.1 Elementos utilizados
5.1.1 Para la maqueta
Arduino Mega con cable USB
Soldador de estaño, estaño, soporte y
pasta para soldar
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Pistola de silicona
Motores para las persianas y puente H
(L293D)
Timbre
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Resistencias (330Ω y 220Ω)
LED’S
Emisor de Infrarrojos
Receptor de Infrarrojos
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Termistor 1 (KY-13)
Termistor 2 (DS18B20)
5.1.2 Programas
Processing y
Arduino
instalados en
el ordenador
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5.1.3 Plano
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5.2 Maqueta
5.2.1 Maqueta antes de automatizar En las siguientes fotografías vemos la maqueta justo después de construirla con cartón
y cola termoestable. Es una casa cualquiera que inicialmente no fue construida para
ser automatizada, y por lo tanto no tenía ninguna preparación especial.
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Automatitzación económica del hogar 39 | Domótica
5.2.2 Como hemos conectado los elementos LED: Para conectar
los LED siempre lo
haremos con una
resistencia de 330
Ω en serie. Para
nuestro proyecto
hemos
aprovechado la
resistencia que
incorpora la placa
Arduino a la salida
13 especial para a
LED. Para los otros
dos hemos tenido
que conectar la
resistencia entre
el ánodo (pata
larga) y la salida.
Los cátodos (pates
cortas) van todos
conectados a la
tierra de la placa
Arduino (GND).
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Motores DC:
Hemos conectado
los motores a
nuestro L293D tal
como se muestra
en la figura 5 de la
página 17. Para
reducir la
velocidad de los
motores hemos
conectado nuestro
puente H a 3V en
lugar de a 5V, ha
que si no las
persianas bajaban
demasiado
deprisa y podían
ocasionar
problemas.
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Termistor 1:
Hemos conectado
el termistor tal
como muestro en
el diagrama de la
fig. 9 en la página
20: La pata
izquierda al GND,
la del medio a los
5V de la placa
Arduino y la pata
derecha a la
entrada 0 de la
placa. Pero al no
funcionar
correctamente
tuvimos que
sustituirlo por el
siguiente
termistor.
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Termistor 2:
Para conectar el
segundo
termistor hemos
tenido que seguir
el datasheet de la
pág. 22 que nos
muestra como
hemos de
conectar la
resistencia de
4700 Ω que
hemos de
incorporar a
nuestro sensor. A
parte de esto, no
tiene otra
complicación, una
pata va a tierra y
las otras a 5V y la
pata 0 de las
entradas
analógicas, con la
resistencia entre
el voltaje y la pata.
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Automatitzación económica del hogar 43 | Domótica
Alarma:
Para conectar los
elementos que
vana a formar
nuestra alarma
(receptor IR,
emisor IR y
timbre), tuvimos
que incorporar
una resistencia de
330 Ω al emisor y
una resistencia de
22000 Ω al
receptor entre los
ánodos y la
salida/entrada. El
timbre lo
conectamos
directamente a la
salida
correspondiente.
Los cátodos y el
negativo del
timbre los hemos
conectado a tierra
(GND de Arduino).
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Automatitzación económica del hogar 44 | Domótica
5.2.3 Maqueta automatizada En estas imágenes vemos el proceso de automatización que sufrió nuestro hogar,
empezando por conectar a la protoboard los diversos elementos, después cableándola
con múltiples cables juntos, y finalmente la maqueta toda montada y preparada para
la demostración.
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5.3 Programa Aquí está adjunto el programa:
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6.Bibliografía
6.1 Libros
6.1.1 En formato PDF Éstos los podéis encontrar en mi página web www.domoticaperlallar.blogspot.com o
bien me los podéis pedir contactando conmigo. Mis datos de contacto aparecen en la
página web.
1. Gerhart, J: “Home Automation and wiring” (Mc Graw‐Hill Professional,1999)
2. Gavin Smith: “Arduino Cheat Sheet”
3. Jonathan Oxer y Hugh Blemings: “Practical Arduino”
4. Daniel Shiffman: “Learning Processing”
5. Ignacio Arata, Francisco Arrufat, Pablo Palacios y Santiago Folie: “Variaciones
de una resistencia con la temperatura”
6.1.2 En formato papel Éstos son los libros de consulta de la biblioteca o de familiares que me los han dejado
para solucionar alguno de los muchos problemas que han surgido a lo largo del
trabajo.
1. Ben Fry & Casey Reas: “Getting started with Processing” 2. Juan Mª Sarrió García: Manual de ayuda de Processing (adaptación de
“Processing: A programming handbook for visual designers and artists”)
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6.2 Páginas web 1. http://www.smarthome.com/about_x10.html
2. http://arduino.cc/forum/index.php?
3. http://www.hispavila.com/3ds/atmega/motorescc.html
4. http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?idm=10&id=10907&c=6
5. http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=14
6. http://pscmpf.blogspot.com.es/2008/12/arduino-lm35-sensor.html
7. http://miqueridopinwino.blogspot.com.es/2012/07/como-utilizar-un-
termistor-o-sensor-de.html
8. http://tushev.org/articles/electronics/42-how-it-works-ds18b20-and-arduino
9. http://itmanageratschool.blogspot.com.es/2012/05/control-de-temperatura-
usando-arduino-y.html
10. http://www.wikipedia.org/
11. http://robots-argentina.com.ar/MotorCC_L293D.htm
12. https://sites.google.com/site/tecnologiavilatzara/home/altresprojectes
13. https://www.underground.org.mx/index.php?topic=24860.0
14. http://viver.disca.upv.es/~arduino/documentacion/sensores/
15. http://www.jeremyblum.com/category/arduino-tutorials/
6.3 Agradecimientos a los asesores Agradezco profundamente la ayuda que me han bridado las siguientes personas, que
han hecho posible continuar el trabajo en los momentos más difíciles:
Elisabet Alsina - Enginyeria en Telecomunicacions
Joan Alós – Enginyeria Agrónoma
Jaume Serra – Física y cátedra en matemátiques
Roberto Novo Ramudo - Enginyeria en Telecomunicacions
Joan Pellicer - Tecnóleg de l'IES Cendrassos de Figueres.