Ciencia e Ingeniería Neogranadina

ISSN: 0124-8170

revistaing@unimilitar.edu.co

Universidad Militar Nueva Granada

Colombia

Aviles S., Oscar F.; Castro, Jose Fernando

Domótica: control de instalaciones con pc

Ciencia e Ingeniería Neogranadina, núm. 10, julio, 2001, pp. 85-94

Universidad Militar Nueva Granada

Bogotá, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=91101011

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~ducativa. Canti-. ". Mesa redon-

:hool-community¡tion Quarterly,

utions. Chicago:ING. OSCAR F. AVILES S.'"

ING. JOSE FERNANDO CASTRO""on. Beverly HiIIs:

~tional research

Ithropology and Resumen

ControldeE n esta oportunidad expondremos enforma con-

cisa lo que es la Domótica, los sistemas queestudia y los elementos que usan, en general, y enespecial las soluciones basadas en rc. También se hace

un compendio de lo que ha sido el desarrollo del pro-yecto de un sistema de control de una instalación deiluminación y de aire acondicionado, con rc, a travésdel LPT.Instalaciones con PC

.Ingeniero Electrónico. Docente V.M.N.G.

-Ingeniero Electrónico VAN.

lTAD DE INGENIERíA

Antes de definir el concepto de Domótica y de verlas clases de sistemas que estudia, revisemos loque ha sido el desarrollo del proyecto a grandesrasgos.

Además de ser un requisito necesario en el proce-so de terminación de estudios, se ha convertidoen un interesante trabajo que nos ha ayudado acomprender los objetivos y alcances del desarro-llo de tecnologías en esta área.

Este se inició con la búsqueda de una soluciónbasada en el concepto de Domótica y que hicierauso del ordenador personal (Pe)para controlaruna instalación típica de un espacio habitable ode trabajo, como los que se pueden hallar enentornos de viviendas y oficinas.

Se optó por controlar la temperatura ambiente yla iluminación de un prototipo de instalación deforma tal que se pudiera trasladar la idea del di-seño a una instalación real de mayor tamaño encaso de resultar adecuado.

Com unicacionesLum ¡narias

Detector deinundaciones

Detectorde gas

Estaba previsto en el diseño, que el desarrollopudiera durar menos, pero ha tomado cerca de10 meses la construcción. En la figura 2 se puedeapreciar ésta.

Sistemas DomóticosLaDomótica la define Jiménez como 'la disciplinaque se ocupa del control del entorno y gestión dela energía, basada en la creación de unos siste-mas individuales de control y en la unificación delos mismos bajo proceso informático. Trata deproveer una atmósfera y ambiente adecuados, decomodidad visual y climática en los entornos deoficina y hogar'. Otra definición excelente es la deMoreno Gil quién evoca la palabra francesadomotique de la que proviene, y la define como'El conjunto de servicios proporcionados por sis-temas tecnológicos integrados para satisfacer lasnecesidades básicas de seguridad, comunicación,gestión energética y confort, del hombre y de suentorno más cercano'.

Estos sistemas poseen diversos elementos quepueden variar en función de su principio de fun-

Racionalizadorde Energía

Gestión de EnergíaRed Eléctrica

D etecior IR demovimientos SeguridadRed I de Agua

Confort)' automatizaci6n de instalaciones

,. SISTEMADOMÓTlCOy sus elementos más representativos. En general se componen de: Un procesador central (unrc, Microprocesador o hasta un Main Frame), Una línea de bus, Un sistema de adquisición de datos, SensortS,

Actuadores y Salidas (p. ej. un sistema de alarma o de gestión de energía, motores, electrodomésticos, equipos drcomunicación, etc.)

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cionamiento y de la complejidad de las instala-ciones. Incluyen:

. Un procesador central, que puede ir desde unMicrocontrolador , pasar por el PC, y llegarhasta una gran MainFrame, de acuerdo a lasdimensiones de la instalación.

. Una línea de bus, de intercambio de señalesentre procesador y, actuadores y sensores. Engeneral es un sistema de transcepción de da-tos, como en los sistemas sin cableado (enla-ces inalámbricos).

. Un sistema de adquisición de datos, como enlas soluciones de tipo modular o las de tarjetade adquisición de datos.

. Sensores de variables físicas como: iluminaciónexterior, iluminación interior en las diversas ins-tancias, velocidad y dirección del viento, tem-peraturas interior y exterior, de estado de puer-tas, válvulas, ventanas abiertas y cerradas, cé-lulas detectoras de presencia, etc.

. Actuadores de pulsos ó corriente (del tipo relé),y de tiempo continuo o proporcional de acuer-do al tipo de control que se ejerza sobre unasalida (todo-nada o algún tipo de continuo).

. Salidas, que pueden ser desde sencillos apara-tos eléctricos, electrodomésticos, motores,hasta dispositivos con interfases digitales (DIO).

Debidoa su sencillez se está proliferando el usode éstos sistemas . Desde los 90, en los edificiosde oficinas se ha extendido el uso de sistemas degestión de iluminación y de otros servicios, lo quepermite que los procesos se realicen en una for-ma más eficiente y cómoda.

Unaedificación domótica, también llamada inte-ligente, es aquella que tiene instalados sistemasde medida, mando, regulación y control de todaslas funciones que intervienen en un edificio. To-das estas funciones son realizadas por diversos

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"

equipos interconectados a través de un bus y aun procesador. Se obtiene, así, información detodas las variables del entorno (temperatura, luz,humedad, estado de puertas, humos...) y una veztratada, se dan una serie de órdenes para modifi-car dichas variables. Este tipo de instalaciones,novedosas en España, llevan funcionando en Ja-pón, EE.UU.,Alemania, y Francia, más de 10 años.

Los sistemas de domótica integral, gracias a losque se pueden denominar a los edificios 'inteli-gentes', pueden gestionar desde la apertura y cie-rre de puertas, vías de acceso, estado de ventanasy toldos, cajas fuertes, etc., a horas predetermi-nadas, hasta la gestión de la climatización, ilumi-nación, riego de plantas, sistemas de alarma y con-tra incendios, tráfico de ascensores, etc. en unmismo programa, controlable en muchas ocasio-nes desde un solo puesto.

Desde el punto de vista de la centralización ó con-centración de los elementos de lógica de control,los sistemas domóticos pueden ser:

. Sistemas centralizados: si poseen una sola uni-dad central de proceso para la gestión de lasentradas y salidas del sistema, ó,

. Sistemas descentralizados: si poseen más deuna unidad central de proceso y cuyo correctofuncionamiento no depende de una sola CPU.

De acuerdo a su funcionamiento, tecnología y sis-tema de instalación, los sistemas domóticos ac-tuales de mayor implantación en instalacionesautomatizadas de viviendas y edificios, son:

. El sistema de corrientes portadoras (X-lO),enlos que la información tanto de entrada comode salida se transporta por las mismas líneasde la red de distribución de energía eléctrica.

. El sistema por bus de datos (o EIB),en los quelos elementos están conectados como en unared lineal y se comunican con el protocoloCSMNCDde las Ethernet.

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. Sistemas avanzados, controlados por ordena-dor, desde el PC hasta los de gran capacidad,en redes desde pequeñas LAN,hasta de grancobertura. Y,

. Los sistemas de controlador programable. Es-tán incluidos dentro de estos:

Q Los sistemas con módulo de control.

Q Los sistemas de autómata programable (PLC),y,

Q Los sistemas con tarjetas de adquisición dedatos.

Sistema Propuesto

El sistema del presente proyecto es del tipo detarjeta de adquisición de datos (fig. 2), Ycon él seautomatiza una instalación de iluminación y decIimatización(fig. 3).

Su propósito es regular la temperatura del aireambiente interior de una cámara (que emula elaire de un espacio habitable o de trabajo), al igualque el nivel de iIuminancia interior,llevando ambas variables a sus nive-les de consigna, los cuales se especi-fican al programa.

La instalación de iluminación del sis-

tema propuesto se compone básica-mente de una lámpara de iIuminanciavariable y una persiana accionada porun motor de pasos, y de dos sensoresde iIuminancia (uno para laiIuminancia interior y otro para laexterior) basados en celdas foto-conductivas, lográndose la regulaciónde la iluminación interior con apor-tes de la luz exterior que puede en-trar por la persiana, y de la luz inte-rior variable de la lámpara.

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!\:

La instalación de regulación de temperatura am-biente o de climatización, consta de una unidadde acondicionamiento de aire con dos ventilado-

res (uno para calentar y el otro para refrigerar elaire) y una lámpara de calor IR como fuente decalor, y de dos sensores de temperatura LM35 (unopara el interior de la cámara y el otro para el cale-factor de la unidad de AA).

El PC controla todo (y pudiera integrar el controlde estas con el de otras instalaciones y sistemas).

La tarjeta de adquisición de datos va conectadadirectamente al pc. En este caso la tarjeta se co-necta al puerto paralelo LPT(o puerto de impre-sora), y se ha denominado 'módulo de adquisi-ción de datos e interfase' . El módulo tiene porfunción recibir la información de las condicionesfisicas (de temperatura del aire e iluminación) dela instalación, consistente en las señales de lossensores, enviarla al PC a través de una interfaseal puerto paralelo LPT1(o de impresora), para quese comparen allí las condiciones medidas con las

Tarjeta de adquisición de datos

Dispositivos de entradasensores-acondicionadores de señal

2. LA SOLUCJONCON TARJETADE ADQUISICJONDE DATOS se caracterizaporque la tarjeta va conectada directamente al PC (en nuestro proyecto seconecta al LPT o puerto de impresora) y mediante un software especializa.do se controla el funcionamiento de la tarjeta. El sistema de adquisición(entradas y salidas ana lógicas y digitales, conversores. interfases), Hardwarede tmálisis (p.e. PC), y el Software.

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de consigna pr(programa delnes de regulacórdenes eléctrde salida de la

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:TAD DE INGENIERíA

deconsigna prefijadas por el operador al software(programadel ordenador), y se decidan las accio-nesde regulación a adoptar, mediante el envío deórdenes eléctricas desde el PC a los dispositivosdesalida de la instalación a través del sistema deadquisición, para que con sus acciones se man-tengan o alcancen las condiciones ideales para lainstalación (variables de temperatura del aire eiIuminancia interior en sus niveles de consigna).Ademásestá conectado físicamente con los mó-

dulossensores, los receptores o cargas de salida,y las líneas de alimentación CA y CD (de +5V,+ 12V,-12V) para los componentes del hardwarede adquisición que lo requieran.

Seha subdividido en tres submódulos: el de en-

trada, el de interfase (con el LPT,PC)Yel de salida(figs.4, 5 Y6).

Enel submódulo de entrada las señales de lossensores están acondicionadas, antes de ser lle-vadasa la tarjeta. Elacondicionamiento consistióen la amplificación a ganancias adecuadas al ran-go de entrada del conversor análogo digitalADC0809que las recibe (Oa 5V)y envía el códigocorrespondiente (8bits) a la interfase de periféricos

8255 en el submódulo de interfase.

En el submódulo de interfase la PPI8255 recibe

los nibbles multiplexados de los códigos delADC0809,y los envía al PCdonde el software en-sambla los datos en base a los cuales se toman

acciones de regulación accionando las salidas ade-cuadas para llevar las variables de temperaturainterior y de iluminancia a sus niveles de consig-na. La PI8255 tiene conectados sus buses de da-

tos y control a los puertos 378 y 37A del LPT,respectivamente a través de buffers 74LS244queles sirven de interfase a su vez. Igual se hizo conel puerto Bpara el manejo de potencia en el con-trol de la climatización. Para el puerto A y C nofué necesario. Todos los pines de las líneas de puer-tos del LPTdespués del cable tienen terminacio-nes de línea, para evitar que interferencias afec-ten las señales que recibe la tarjeta del PCy vice-versa.

Al submódulo de salidas llegan las señales de lospuertos A y B de la PPI los que controlan las sali-das de iluminación y las salidas de climatización,respectivamente. Así, con las líneas PA7-PAO,seenvía un código de 8 bits al conversor digital

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i nI.!:g,1.)Ciót¡del el progannaccmtrol con d t.IJI!0Ilti ínstalaeiOllO<

3. SISTEMADOMÓTlCOPROPUESTO.Es un sistema de control centralizado basado en PC con tarjeta de adquisición dedatos conectados a los demás componentes (entradas y salidas) y que regula la temperatura del aire y el nivel de ilumina-ción del interior, basado en la información de los sensores (de temperatura e iluminancia), y los parámetros de tempera-tura e iluminación de consigna especificados al software, actuando sobre los dispositivos de salida o receptores de lainstalación (ventiladores, fuente de ~alor. motor de pasos-persiana. bombillo).

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Circuito sensor LI(iluminancia interior)

control canal deentrada a sensar

Circuito sensor LE(iluminancia exterior)

Multiplexor analógo Submódulo deadQ.de datos e

interfaseCircuito sensor TI

(temperatura interior)

y Conversoranalógico-digital.

ADC 0809

Códigodij;Ütalde 8bitsde salida

Circuito sensor TBC(temperatura

batería de calor)

Optoaisladorsensor de fin carrera

persiana (abierta)

4. EL SUBMÓDULODE ENTRADASse encarga de enviar al Submódulo de interfase la información acerca de las condicio.nes de la instalación, es decir de las niveles de las variables. En este caso de la iIuminancia en el interior de la cámara

(L/), en su exterior (LE), y de las temperaturas ambiente (TI) y la del interior del calefactor (TBC, en la batería de calor:donde se calienta el aire), y el data (1 bit) del estada de la persiana.

análogo DAC0808, cuya salida de voltajeanalógico (OA 5V)a través de un circuito a tran-sistor y un optoaislador (de lámpara 12V yfotoceldas) regula la potencia variable de la lám-para. Conlas líneas PB6-PB3a través de circuitosDarlington con TIPIlO se maneja el motor de pa-sos que gira abriendo y cerrando a grados la per-siana, y con las líneas PBOy PB1 se controla elcalefactor (compuesto de lámpara IRy ventiladorimpulsor) y PB2 para el ventilador de refrigera-ción.

Desde el punto de vista de la climatización, elprototipo es un sistema HVAC(de calefacción. ven-tilación y aire acondicionado). centralizado. todoaire, con regulación todo-nada.

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El software de control regula todo el funciona-miento (fig. 7). Se elaboró en lenguaje Cy se com-pone principalmente de dos funciones, cada unaregulandouna parte de la instalación:Unaes parala regulación del nivel de iluminancia y la otraregula el nivel de la temperatura ambiente en elinterior.

Este control, tanto para el sistema de iluminación,como para el de climatización de la cámara, selleva a cabo en una forma cíclica. Los procesoscorrespondientes de regulación, una vez se ter-minanvuelvena iniciarse,formandociclos,comose puede observar en el diagrama.

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5. EL SUBMÓDULO DE INTERFASE recibe los códigos del ADC0809 que contienen la información de losniveles de las variables. y los envía al rc donde el software ensambla los datos. y en base a esta informaciónse toman acciones de regulación para llevar las variables de temperatura interior y de iluminancia a susniveles de consigna

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6. EL SUBMÓDULO DE SALIDAS. A el llegan las señales de los puertos A y B de la PP18255. los quecontrolan las salidas de iluminación (lámpara y motor de pasos-persiana) y las salidas de climatiza-ción (ventiladores y lámpara de calor IR), respectivamente.

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main( ), Función principal.

Prepara el sistema para operar(ppi

8255, motor de pasos-persiana,

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regulacion_de_ iluminación( ).Lee sensores de iluminancia

y activa salidas de esta partede la instalación

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Se especifica un nuevo

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Se especifica un nuevo

nivel de consigna para

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7. EL PROGRAMADE CONTROL El control, tanto de lailuminación interior, como de la temperatura ambiente dela cámara se lleva a cabo en una forma cíclica. Los proce-sos correspondientes de regulación, una vez se terminanvuelven a iniciarse, formando ciclos.

I DE INGENIERíA UNIVERSIDAD MILITAR "NUEVA GRANADA"

CONCLUSIONES

El uso del PCse difunde cada día más y es posibleque con el tiempo pueda haber uno en cada ho-gar. Esto facilitará la utilización de soluciones dedomótica basadas en PC,como son las de tarjetasde adquisición de datos.

Con el PCes posible la integración del control devarias instalaciones y de varios tipos, en un solosistema. Las instalaciones pueden ir desde unade iluminación, o de regulación de un ambientehigrotérmico (climatización), hasta las de siste-mas de seguridad, comunicaciones, o de automa-tiza-ción de electrodomésticos u otros aparatos ysistemas.

En el caso de los sistemas con tarjeta de adquisi-ción de datos, de las instalaciones que se inte-gren en el sistema dependerá la configuración yla cantidad del hardware de adquisición de da-tos, y su complejidad. Su ventaja propia es la deque se puede ajustar con precisión a lo que elusuario desee de un sistema, aunque en cada casosea necesario un diseño individual.

Los sistemas de adquisición de datos compara-dos con otros tipos de sistemas de domótica, pue-den ser más apropiados para ciertos tipos de apli-caciones, que requieran de configuraciones espe-ciales de hardware y de software de control, yen-do de lo simple hasta lo complejo, aunque sepueden configurar también para que sirvan parapropósitos generales.

Aun cuando los sistemas basados en PC tenganalto rendimiento, no se pueden negar las buení-simas prestaciones de los demás, como los de co-rrientes portadoras X-10,de fácil instalación, re-cientemente hasta con módulos de control paraPC,los del estándar europeo EIBde bus de datos.de alta integrabilidad a otros sistemas, instala-ciones y a redes de información para acceso re-

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R 11: H

moto, y los sistemas avanzados con operabilidadflexible e intercambiable con el solo cambio de

programa.

Latendencia como se vé actualmente en domóticaes la de la sustitución del control manual de las

instalaciones, por el control automático, y la dela integración de estas con otros sistemas, en loque el papel del PCcomo herramienta para todosestos propósitos, será fundamental.

94

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